城鎮(zhèn)排澇泵閘計(jì)算分析與設(shè)計(jì)

周嬴濤 王為群 王一凡 周雨晨

摘要：小型排澇泵閘作為城鎮(zhèn)引水調(diào)度和防洪排澇的關(guān)鍵工程，承擔(dān)溝通內(nèi)外河水系的重要功能。為研究小型排澇泵閘的選址和選型，并基于此開展城鎮(zhèn)排澇泵閘的設(shè)計(jì)工作，以江蘇省江陰市青陽泵閘遷改建工程為例，首先進(jìn)行了水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算，分析了擬建閘站在不同工況組合下引水和排澇時(shí)的水位及流速分布情況，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行選址；進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)計(jì)算確定泵閘各段的結(jié)構(gòu)尺寸，梳理了整體設(shè)計(jì)思路。結(jié)果表明：水閘的選址合理，引水期過流時(shí)對上下游河床穩(wěn)定無影響；排澇期間泵站流量滿足片區(qū)規(guī)劃要求，且不會(huì)對下游河床造成沖刷；廠房整體布置合理，與周邊建筑物形式協(xié)調(diào)，交通可與現(xiàn)有道路順暢連接。研究成果為城鎮(zhèn)地區(qū)小型泵閘建設(shè)提供了參考。

關(guān)鍵詞：泵閘； 防洪排澇； 數(shù)值模擬； 青陽泵閘

中圖法分類號：TV66

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.009

文章編號：1006-0081（2023）07-0056-07

0 引 言

泵閘是治理水患與內(nèi)澇的重要水利設(shè)施，在汛期增強(qiáng)防洪排澇能力，對于緩解區(qū)域防汛壓力有重要的作用［1］。小型排澇泵閘作為城鎮(zhèn)排澇工程的關(guān)鍵部分，承擔(dān)著溝通內(nèi)外河道水系的重要任務(wù)。但泵閘的設(shè)計(jì)與建設(shè)又是一項(xiàng)系統(tǒng)化、專業(yè)化的工作。因此，在開展城鎮(zhèn)排澇泵閘的設(shè)計(jì)工作時(shí)，要綜合考慮該節(jié)點(diǎn)工程在整個(gè)防洪排澇片區(qū)中起到的作用，對泵閘的規(guī)模進(jìn)行論證，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行選址和水力結(jié)構(gòu)計(jì)算，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析［2-4］。

本文以江蘇省江陰市青陽泵閘的遷改建工程為例，總結(jié)了在城鎮(zhèn)區(qū)域泵閘的選址和選型要點(diǎn)，梳理了設(shè)計(jì)的計(jì)算分析步驟，在此基礎(chǔ)上提出了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，為城鎮(zhèn)地區(qū)的小型泵閘建設(shè)提供了有益參考。

1 工程區(qū)域及特點(diǎn)

青陽泵閘遷改建工程位于錫澄運(yùn)河江陰段荷花浜支流，原址閘站建于2009年，距錫澄運(yùn)河僅150 m，作為鎮(zhèn)區(qū)聯(lián)圩的一部分，承擔(dān)主城區(qū)的防洪排澇和引換水功能。在非汛期，通過該閘門引錫澄運(yùn)河水對圩區(qū)內(nèi)水體進(jìn)行交換；在汛期，通過水泵向下游錫澄運(yùn)河排水，降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。由于當(dāng)?shù)丶Z庫項(xiàng)目的規(guī)劃籌建，需將原閘站向上游平移一段距離后新建（圖1）。

工程區(qū)域汛期為每年的5～9月，主汛期為6～7月；非汛期為10月至翌年4月。由于長江口潮汐影響，當(dāng)潮波從長江口向上游傳播時(shí)，受地形阻力和徑流下泄的影響，潮差向上游遞減，漲潮歷時(shí)縮短，落潮歷時(shí)延長。該地平均高潮位分別為4.04 m和4.75 m，多年平均低潮位為2.41 m，平均潮差為1.63 m。擬建場地地貌可進(jìn)一步細(xì)化為太湖水網(wǎng)平原中的圩區(qū)平原地貌類型，經(jīng)地質(zhì)勘探，擬建場地50 m范圍內(nèi)主要由飽和的黏性土、粉性土組成，屬第四紀(jì)松散沉積物。場地淺部除素填土及淤泥力學(xué)性質(zhì)較差外，其余土層均相對較好，對天然地基沉降控制有利，深部土層分布較穩(wěn)定（圖2）。

2 工程選址

錫澄運(yùn)河作為長江支流，北起長江，南交于大運(yùn)河（高橋），屬于區(qū)域性一級河道，長度38.93 km，平均河寬60 m，是主要的通江航道。原閘站是鎮(zhèn)區(qū)聯(lián)圩水利片區(qū)防洪排澇體系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著鎮(zhèn)區(qū)范圍約1 066.67 hm2（16 000畝）的排澇任務(wù)，且距離澇水排江的主通道——錫澄運(yùn)河距離僅150 m，易受到長江口漲落潮影響。

由于鎮(zhèn)區(qū)糧庫擴(kuò)建，將在原站址處修建糧庫碼頭，需將原排澇閘站向上游平移一段距離后重建，且規(guī)模不小于原閘站。該河道向上游處存在線性拐彎和分汊，因此選擇合適的站址尤為重要，既要保證進(jìn)出水流平穩(wěn)，又要滿足規(guī)范要求，減小對上下游的河道沖刷影響。在充分考慮河勢穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，將閘站設(shè)置在距錫澄運(yùn)河河口310 m處。該位置河道線行平順，且距離上游分汊河道大于80 m，滿足GB 50265-2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中直線段大于5倍水閘進(jìn)口處水面寬度的要求。依據(jù)鎮(zhèn)區(qū)水系規(guī)劃，該防洪片區(qū)內(nèi)水面率5%左右，排澇流量達(dá)到49.0 m3/s，排澇模數(shù)為3.22 m3/（s·km2）。泵閘的外河設(shè)計(jì)水位依據(jù)小青陽排澇站水位進(jìn)行頻率分析選取，內(nèi)河設(shè)計(jì)水位則參照當(dāng)?shù)貙?shí)際數(shù)據(jù)選??；外河考慮三級堤防堤頂安全超高，泵閘外河側(cè)閘頂高程為6.00～6.50 m，滿足水系規(guī)劃要求；內(nèi)河考慮安全超高并與現(xiàn)狀擋墻順接，堤頂高程取5.50～5.00 m（均為吳淞高程）?；诟慕ê蟛恍∮谠斜谜疽?guī)模且能適應(yīng)片區(qū)防洪排澇需求，確定本新建工程的水泵設(shè)計(jì)流量為10 m3/s，水閘設(shè)計(jì)流量約45 m3/s；該河道不考慮通航，設(shè)計(jì)閘門寬度6 m，閘門型式為升臥門，可通過調(diào)節(jié)開度控制過流流量。在確定泵閘各部結(jié)構(gòu)尺寸之前，應(yīng)當(dāng)對整體區(qū)域進(jìn)行流態(tài)建模分析，并對泵房和閘室各部分進(jìn)行模擬計(jì)算。

3 計(jì)算方法與模型設(shè)置

3.1 水力結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

對泵站進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要參數(shù)為設(shè)計(jì)流量與設(shè)計(jì)揚(yáng)程；該工程排澇流量根據(jù)20 a一遇最大 24 h 降雨確保每個(gè)時(shí)段（以 1 h 為一時(shí)段）骨干河道水位不超過控制水位進(jìn)行設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)揚(yáng)程取外河與內(nèi)河設(shè)計(jì)水位之差，各種排澇揚(yáng)程則由不同設(shè)計(jì)水位組合確定；對泵站結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容為前池、進(jìn)水池、出水池尺寸的確定以及泵房尺寸和站身穩(wěn)定計(jì)算。具體計(jì)算內(nèi)容及公式詳見GB 50265-2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》、SL 265-2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》及《水閘設(shè)計(jì)》［5］。

對水閘閘室進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù) SL 265-2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，首先要進(jìn)行水力計(jì)算。其內(nèi)容主要有閘孔總凈寬計(jì)算、閘門控制方式擬定、消能防沖、防滲布置等計(jì)算；水力計(jì)算完成后，需對水閘結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過對不同工況下閘墩、底板等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析，以及對水閘的整體穩(wěn)定驗(yàn)算，最終確定結(jié)構(gòu)尺寸。

對于關(guān)鍵位置的樞紐泵閘，還要根據(jù)其不同水位下的排澇和引水設(shè)定工況，進(jìn)行物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，分析其結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的流態(tài)變化，為結(jié)構(gòu)尺寸的確定提供參考。

3.2 數(shù)學(xué)模型介紹

本工程在擬定泵閘基本型式后，對泵閘的引水和排澇工況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，以此判斷不同引水排澇組合過流條件對上下游河床的影響，作為結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要參考。

本文利用Delft3D-FLOW進(jìn)行數(shù)值模擬研究［6-7］。

3.3 數(shù)學(xué)模型設(shè)置

模型網(wǎng)格根據(jù)尺寸分為大、小兩套，大模型范圍包含荷花浜和錫澄運(yùn)河，用于計(jì)算錫澄運(yùn)河及張?zhí)龄汉拥蓝S水動(dòng)力場，網(wǎng)格精度為1 m×1 m，計(jì)算各設(shè)計(jì)工況下泵閘前后二維水動(dòng)力場；小模型范圍包括設(shè)計(jì)泵閘及上游河道直線段30 m及下游直線段80 m，網(wǎng)格精度0.1 m×0.1 m。模型均采用笛卡爾坐標(biāo)系，設(shè)計(jì)東向?yàn)閤向，北向?yàn)閥向。

模型采用高分辨率矩形網(wǎng)格，地形及網(wǎng)格如圖3所示。在計(jì)算域中，地形采用吳淞高程系下的實(shí)測數(shù)據(jù)。模型的時(shí)間步長決定計(jì)算收斂性，本模型試驗(yàn)取值0.05，渠底摩擦系數(shù)取0.035，設(shè)置流量和水位邊界條件，模型采用冷啟動(dòng)。沿錫澄運(yùn)河河道底坡約2.85×10-5。模型水深見圖3。

新建泵閘在換水期打開閘門，引入錫澄運(yùn)河河水對圩區(qū)內(nèi)河道進(jìn)行活水交換；汛期關(guān)閉閘門，利用水泵向錫澄運(yùn)河側(cè)排水，澇水經(jīng)定波樞紐向北排入長江。模型采用不同水位和流量條件進(jìn)行組合驅(qū)動(dòng)?；谒哪觇b，江陰站7月水位最高，因此模型采用2014年7月歷時(shí)潮位實(shí)測數(shù)據(jù)作為大網(wǎng)格地形下錫澄運(yùn)河邊界條件（圖4），模型工況組次及相應(yīng)邊界條件設(shè)定見表1。

模型分別就大小兩套網(wǎng)格范圍的新建泵閘附近水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析泵閘前后在不同工況下的水位、流速變化情況，對新建泵閘后河道的二維水動(dòng)力要素和水流沖刷條件進(jìn)行研究。大模型在新建閘室中部閘門處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)A，提取模型穩(wěn)定后的水位、流速進(jìn)行分析；小模型則對穩(wěn)定后的二維流場進(jìn)行分析。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 水力及結(jié)構(gòu)計(jì)算

由水力及結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，水閘最大過閘流量為87.92 m3/s。但考慮到水閘內(nèi)河過流能力有限制，因此需控制開啟度。如遇到必須全開的特殊情況，則待上下游水位差進(jìn)一步縮小后進(jìn)行。根據(jù)消能防沖計(jì)算成果并結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)外河消力池長度8 m，池深0.5 m，底板厚0.6 m，防沖槽4 m，海漫長度15 m。內(nèi)河進(jìn)水池（消力池）長度8 m，池深0.5 m，底板厚0.6 m，防沖槽4 m，與內(nèi)河銜接段進(jìn)水池7.6 m，海漫長度15 m。

4.2 整體水位、流場分析

在引水工況下，外河側(cè)水位高，將上游錫澄運(yùn)河來流以明渠的水位流量關(guān)系概化成流量邊界條件，內(nèi)河分別對應(yīng)設(shè)置引水工況1、引水工況2的相應(yīng)內(nèi)河水位條件。模型選取7月1～10日的模擬結(jié)果進(jìn)行展示，可見在各工況下，閘門處水位也呈現(xiàn)不規(guī)則半日潮型。水位差在模型初始較大，高低水位間差值近1 m，可以看做是閘門全開的瞬間所能達(dá)到的水位差值。模型穩(wěn)定后，各組工況的水位差在0.3 m左右。引水條件下的兩種工況水位區(qū)別明顯，引水工況1由于內(nèi)河水位高于引水工況2，其在閘室內(nèi)的平均水位較高，較工況2的平均水位高0.3 m，但兩種引水工況下水位變化的絕對值有限，均小于0.5 m。就大模型閘室監(jiān)測點(diǎn)的流速分布情況來看，引水工況下，模型穩(wěn)定后閘室內(nèi)流速峰值在0.8 m/s左右，從垂向平均的二維流場分布情況來看，大流速主要集中在上游閘室首端，流速超過1.0 m/s，但由于閘室及前后消力池經(jīng)鋼筋混凝土底板硬化處理，在泵閘鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外的河道整體流速小于0.5 m/s，小于河道的不沖流速，因此泵閘新建對上下游河道底床沖刷有限，并可進(jìn)一步通過控制閘門開度來減小閘室前后的區(qū)域流速（圖5）。

4.3 泵閘附近流場分析

小模型在排澇工況時(shí)，設(shè)置泵閘出水口為入流流量邊界條件，下游東側(cè)邊界為固定水位邊界條件；引水工況時(shí)，設(shè)置閘室下游西側(cè)邊界為入流流量邊界條件，上游東側(cè)邊界為固定水位邊界條件，因模型設(shè)定常邊界條件，故模擬結(jié)果穩(wěn)定后，水位流速是恒定的。從二維流場分布特征來看，排澇工況下，河道流速自東邊界泵站以2.5 m3/s的下泄流量向西排除澇水，泵站出水池流速最大，達(dá)0.5 m/s，但在進(jìn)入下游河道前流速已低于0.3 m/s，可見排澇工況下泵機(jī)排水對下游影響不大，流速不會(huì)引起河床沖刷；引水工況下，河道流速自西向東，閘室內(nèi)流速達(dá)到2.0 m/s，閘室下游（西側(cè)）進(jìn)口處流速雖有集中，但均小于1.0 m/s，閘室上游末端（閘室東側(cè)）的流速變化范圍較進(jìn)水側(cè)（閘室西側(cè)）大，但流速大于1.0 m/s的分布范圍均在泵閘結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，在東側(cè)消力池流速逐漸減小至0.3 m/s以下，因而對泵閘結(jié)構(gòu)外的河道底床影響不大。閘室東側(cè)末端出流口由于斷面增大，導(dǎo)致出水池范圍內(nèi)存在環(huán)流，但整體流速較小，對環(huán)境影響不大。由于引水工況2閘門上下游水位差達(dá)2.20 m，閘門全開將導(dǎo)致河床上游的中心河底局部存在沖刷風(fēng)險(xiǎn)，因此需要調(diào)整閘門開度，通過控制閘門過流流量使得河道流速小于河道不沖流速，避免產(chǎn)生河道沖刷（圖6）。

5 金屬結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程規(guī)模和水位組合，初步選用4臺(tái)立式軸流泵，設(shè)計(jì)總流量10 m3/s，根據(jù)工程場址和泵型，考慮采用“泵+閘”的布置方式?？紤]征地拆遷范圍及進(jìn)場交通條件，計(jì)劃將管理區(qū)布置在河道北側(cè)，為方便管理，泵站布置在北側(cè)，水閘布置在南側(cè)，見圖7（a）。

泵房布置在河道北側(cè)，泵站設(shè)4臺(tái)單機(jī)流量為2.5 m3/s的立式軸流泵，主要功能為排澇。

泵站從內(nèi)河往外河依次為內(nèi)河防沖槽、內(nèi)河海漫段、進(jìn)水池連接段、進(jìn)水池、泵房、出水池、出水池連接段、外河海漫段、外河防沖槽。泵站順?biāo)鞣较虿贾玫目傞L度為67.0 m，垂直水流方向總長為16.4 m。泵房底板順?biāo)鞣较蜷L度為16.5 m，水泵機(jī)組間距為3.80 m，流道底板高程為0，站身上部設(shè)廠房，廠房吊機(jī)軌道梁頂面高程為14.70 m，為便于機(jī)組的安裝和檢修操作運(yùn)行，廠房內(nèi)設(shè)可移動(dòng)式的16/3T電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)，直接通入泵站南側(cè)的檢修間，見圖7（b）。

節(jié)制閘布置在河道南側(cè)，閘首口門凈寬為6 m，底板順?biāo)鞣较蜷L度為13.00 m，底板面高程0，底檻面高程0.50 m。內(nèi)河消力池長為8.0 m，外河消力池為8.0 m。門型采用排架低、抗震效果好的升臥門，啟閉設(shè)備采用卷揚(yáng)啟閉機(jī)，見圖7（c）。

外河海漫段布置在外河消力池外側(cè)，長度15 m，海漫頂高程為-0.50～0.50 m，末端設(shè)4 m寬的拋石防沖槽；內(nèi)河海漫段長15 m，海漫頂高程為-0.50～0.50 m。內(nèi)、外河側(cè)海漫段均采用300 mm厚C25素混凝土護(hù)底。泵閘整體設(shè)計(jì)外觀效果如圖8所示。

6 結(jié) 論

城鎮(zhèn)排澇泵閘的設(shè)計(jì)不僅要滿足片區(qū)規(guī)劃要求，還要盡量減少對上下游河道的影響，同時(shí)，泵站本身的廠區(qū)布置與建筑外形也應(yīng)與周邊的建筑風(fēng)格相統(tǒng)一。本文以江蘇省江陰市青陽泵閘的遷改建為例，總結(jié)了城鎮(zhèn)區(qū)域泵閘的選址和選型要點(diǎn)，梳理了計(jì)算分析步驟，在此基礎(chǔ)上提出了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案，主要結(jié)論如下：

（1） 泵閘的選址需進(jìn)行充分論證，應(yīng)充分考慮進(jìn)出口流態(tài)穩(wěn)定和河勢穩(wěn)定，在保證防洪排澇功能的前提下盡量避免對流域水環(huán)境產(chǎn)生影響。

（2） 泵閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需以切實(shí)可靠的計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，對于小型泵閘，可根據(jù)規(guī)范公式對泵閘每部分結(jié)構(gòu)尺寸逐個(gè)進(jìn)行計(jì)算，對于過流流量應(yīng)通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)復(fù)核其不同工況下對河勢穩(wěn)定的影響；對于大中型或關(guān)鍵樞紐泵閘，應(yīng)考慮整體建模，并通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對進(jìn)行流態(tài)分析。

（3） 泵閘是重要防洪排澇節(jié)點(diǎn)，也是系統(tǒng)性專業(yè)性較強(qiáng)的工程，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)不僅在水工結(jié)構(gòu)方面需要仔細(xì)研究，其上部建筑、廠區(qū)綠化、電氣、給排水等也需要統(tǒng)籌考慮。

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（編輯：李 晗）