孟金波，楊曉霞，韓曉維

（1.杭州市南排工程建設管理處，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 工程概況

排澇泵站利用運河進行排澇時，對進水口附近的水流流態(tài)要求較高[1]。其流態(tài)的優(yōu)劣直接影響泵站進流效率和運河內的通航安全。

八堡排水泵站是擴大杭嘉湖南排工程中的一項重要組成項目，工程包括上游引河、進水池、泵房、出水池、下游排水箱涵、擋潮排水閘等建筑物，是一座由以排澇為主要任務、兼顧水環(huán)境水資源配置綜合治理的大（1）型樞紐工程。本工程設計排澇流量為200 m3/s（4臺），備用排澇流量50 m3/s（1臺），按照100 a一遇洪水設計，300 a一遇洪水校核。

本工程在京杭運河二通道上設置進水口，利用運河作為排澇干河，進水口中心線與航道呈32°32′9″交角，包括導航架、攔污柵及交通橋等設施。由于泵站進水口附近航道為八堡船閘上游航道制動段，對水流流速、流向要求較高。當泵站排澇流量時，受側向進流的限制，易形成回流等不利流態(tài)[2-3]，影響泵站進流流態(tài)，同時受進水口橫向流速的影響，通航安全也需進一步論證。

需通過平面二維數(shù)學模型結合正態(tài)物理模型試驗，對進水口水流條件問題進行研究。

2 模型設計

2.1 物理模型[4]

（1）模型比尺。根據(jù)研究對象特點及研究目的，采用正態(tài)模型。模型比尺為1:40，模型滿足重力阻力和水流連續(xù)相似條件。

（2）模型范圍。本模型屬泵站整體模型，選取模型范圍包括進水口、明渠、箱涵、進水池、泵站、擋潮閘以及船閘引航道和部分航道。上游模擬至泵站進口上游1 900 m，下游模擬至泵站出口下游500 m錢塘江內，中心線全長2 500 m左右。模型布置見圖1。

圖1 物理模型布置圖

（3）模型制作。泵站、上下游排水箱涵及擋潮閘以有機玻璃制作，護坦、堤岸及其他部位以水泥沙漿抹制。模型通過模型水泵控制泵站排澇流量，并通過自循環(huán)系統(tǒng)進行恒定流觀測。

（4）量測設備。試驗中流量采用寬30 cm矩形薄壁量水堰進行觀測；水位采用常規(guī)測針進行觀測，主要布置在運河二通道、上游引河、進水池、出水池及錢塘江側，分辨率為0.1 mm，測針零點用尼康AS - 2精密水準儀測定；流速測量采用超聲波多普勒流速儀（ADV）。ADV是一種單點、高分辨率的三維聲學多普勒流速儀，可對水流進行精確的三維速度測量，非常適宜對復雜及低速流場流速精確測量。

2.2 平面二維數(shù)學模型

2.2.1 基本方程

建立沿水深平均的引航道平面二維水流數(shù)學模型，計算分析二通道水流條件。沿水深平均的平面二維水流數(shù)學模型基本方程由連續(xù)方程和動量方程組成，其公式為：

連續(xù)方程：

式中： H、z分別為水深和水位（m）； u，v分別為x、y方向的水流流速（m/s）；γt為紊動粘性系數(shù)（m2/s）；C為謝才系數(shù)，C，n為河床糙率，R為水力半徑（m）；t為時間（s）；g為重力加速度（m2/s）。

2.2.2 模型范圍與定解條件

泵站進水口整體二維數(shù)模分析模型范圍涵蓋船閘引航道、上游運河二通道、泵站進水口、進水明渠、進水箱涵等。上游范圍擬模擬至匯合口上游1.5 km，下游模擬至泵站出口處。模型范圍見圖2。

采用非結構網(wǎng)格進行建模，網(wǎng)格尺寸為1 ～ 8 m，對建筑物附近網(wǎng)格進行加密（見圖3）。模型上邊界采用水位邊界條件，下邊界采用流量邊界條件。初始水位條件采用上游邊界水位，初始流速設置為零。

圖2 平面二維數(shù)學模型范圍示意圖

圖3 進水口附近網(wǎng)格布置圖

2.2.3 主要參數(shù)的確定

在平面二維水流計算中，糙率系數(shù)n是最為重要的一個參數(shù)，其值主要反映河道沿程水頭損失，同時包括河道上某些連續(xù)存在的不顯著的局部變化對水流阻力的影響。結合類似工程的研究成果，本模型糙率值選取0.020 ～ 0.025。

通過物理模型對二維數(shù)學模型進行驗證，驗證結果表明，數(shù)值模擬流場分布與物理模型基本一致，沿程流速最大相差0.050 m/s，數(shù)學模型精度可以滿足要求。

3 進水口優(yōu)化布置比選

從物理模型試驗成果可知，在設計排澇工況時，進水口附近存在較為明顯的回流流態(tài)（見圖4），因此通過二維數(shù)學模型對進水口平面布置進行優(yōu)化研究，參考相關研究成果[5-7]，主要從進水口口門寬度、進水口軸線與上游航道軸線夾角（導航墩夾角）及橋孔凈寬3個方面進行分析，尋找合適的進水口平面布置方案。方案比選工況均為泵站4臺機組運行，排澇流量為200 m3/s，進水池水位1.88 m。

圖4 原設計方案進水口附近水流流態(tài)圖

3.1 不同口門寬度布置方案分析

3.1.1 方案布置

在對不同口門寬度布置方案分析時，維持導航墩夾角及單孔凈寬不變，對比4種不同的導航架寬度（見表1、圖5）。

表1 不同口門寬度方案布置表

圖5 不同口門寬度方案布置圖

3.1.2 判別指標

判斷進水口流態(tài)優(yōu)劣采用定性及定量2種指標進行判斷。定性指標是指觀測進水口附近是否存在大范圍回流，流場是否均勻，有無不利水流流態(tài)等。定量指標采用流速均勻度進行判別。斷面流速均勻度Ω計算公式如下[8]，斷面選取在進水口導航架各橋孔內：

3.1.3 成果分析

圖6為各口門寬度布置方案下的進水口流場分布。當導航架右側縮窄5孔后，進水口附近的回流流態(tài)基本消除，Ω由原方案的50%增大至74%，若縮窄導航架右側孔數(shù)至7孔后，口門斷面流速均勻度Ω繼續(xù)增大至81%，但是口門流速較大，斷面存在一定的束窄效應，故不宜繼續(xù)減小口門寬度。同時為進一步對比左右側口門分別縮窄時的水流流態(tài)，選取a4方案與a2方案進行比較，2組方案口門的寬度一樣，均為219.2 m，不同的是a4方案左側縮窄5孔。該方案導航架左側邊孔內存在回流，進水口左側仍然存在較大范圍回流，進流流態(tài)不佳，Ω值減小至70%，主要原因是由于主流水動力偏于右岸，調整右側導航架更有利于主流流速流向的改變。

綜合考慮水流流態(tài)及流速，推薦導航架右側縮窄5孔，即a2方案，此時導航架寬度由原設計的285.7 m減小至219.2 m。

圖6 不同平面布置方案流場圖

3.2 不同導航墩角度布置方案分析

3.2.1 方案布置

在推薦口門寬度方案的基礎上，改變導航墩與航道中心線的夾角（同時改變進水渠兩側岸墻連接），共考慮4組夾角方案，具體方案布置見表2。

表2 不同夾角方案布置表

3.2.2 判別指標

方案比較主要從進流流場分布、航道制動段橫向流速分布及水頭損失3方面進行分析。

3.2.3 成果分析

圖7為各導航墩角度布置方案進水口附近的流場分布圖。當導航墩夾角由設計方案的32°32′9″增加到35°后，導航架左側邊孔附近出現(xiàn)回流，回流長度約130.0 m，回流寬度11.0 m；若導航墩夾角分別減小至28°和25°，2種方案口門后均未出現(xiàn)回流等不良流態(tài)；但隨著進水口軸線與航道中心線角度減小，垂直于水流流向的導航架凈寬有所減小，在相同流量下口門流速有所增大，水頭損失也相應增加。

圖7 不同導航墩角度布置方案流場分布圖

從航道制動段橫向流速分布角度分析，導航墩角度變化對橫向流速分布存在一定的影響。選取10個特征點，對不同角度導航墩方案時航道內橫向流速進行統(tǒng)計，取點位置示意見圖8。設計方案（導航墩夾角32°32′9″）制動段橫向流速呈現(xiàn)沿程先逐漸增大而后逐漸減小的趨勢，橫向流速最大值為0.252 m/s。當導航墩角度變大后，航道內最大橫向流速峰值往下游偏移，絕對值有所增大，最大橫向流速為0.260 m/s。若導航墩夾角減小，運河二通道內水流較早地開始偏轉進入進水口中，制動段上游位置橫向流速略有增大，下游位置略有減小，b2方案（導航墩夾角28°）和b3方案（導航墩夾角25°）橫向流速最大分別為0.257，0.264 m/s。各方案制動段沿程橫向流速的分布見圖9。

圖8 橫向流速取點位置圖

圖9 不同夾角方案制動段沿程橫向流速分布圖

綜合分析，進水口軸線與上游航道夾角為35°時，進水口左岸出現(xiàn)回流等不利流態(tài)；當夾角為28°和25°時，水流出導航架之后進水渠寬度減小，制動段最大橫向流速略有增大，水頭損失增大。因此，推薦在口門寬度為219.2 m，導航架為17孔時，導航墩角度維持在原設計的32°32′9″較為合理。

3.3 不同單孔凈寬布置方案分析

3.3.1 方案布置

在保證總凈寬一致的前提下，對比不同單孔凈寬布置方案對進水口水流流態(tài)的影響（見表3）。

表3 不同單孔凈寬方案布置表

3.3.2 判別指標

比選方案的總凈寬一致且進水口軸線與航道夾角不變，因此主要從進水口附近局部流場分析方案優(yōu)劣。

3.3.3 成果分析

圖10為不同導航架單孔凈寬方案的進水口附近流場分布。研究表明，在推薦的口門總寬及總凈寬不變的條件下，導航架孔數(shù)較多時，進流流態(tài)相對較好，但工程量大，且不夠美觀，如果導航架孔數(shù)過少則左側會產(chǎn)生回流，因此推薦進水口導航架設置12孔方案。

4 推薦方案通航安全影響分析

通過比選，推薦進水口口門寬度為219.2 m，導航墩與航道中心線夾角為32°32′9″，并設置12孔方案。對推薦方案在泵站運行1臺機組，塘棲水位1.80 m時的通航水流流態(tài)進行論證，此時進水口附近水位約為1.60 m。該方案進水口附近航道仍存在一定的橫流范圍，但航道制動段內最大橫向流速僅為0.080 m/s，最大縱向流速為0.220 m/s，均滿足GB 50139 — 2014《內河通航標準》和JTJ 305 —2001《船閘總體設計規(guī)范》中規(guī)定的制動段和停泊段縱向流速≤0.500 m/s，橫向流速≤0.150 m/s的要求[9-10]，進水口附近航道內橫向流速見圖11。

圖10 不同單孔凈寬布置方案流場分布圖

圖11 進水口附近橫向流速分布（Q =50 m3/s，Z =1.60 m）

5 結 語

八堡排水泵站利用運河二通道進行排澇，進水口方案將直接影響泵站進流流態(tài)及航道內通航水流流態(tài)。研究表明，進水口口門寬度過寬將使進水口流速存在較大的不均勻，局部形成回流流態(tài)，口門寬度過窄則使水流過柵流速增大，增加局部水頭損失，通過不同口門寬度對比，提出219.2 m口門寬度方案。并在該口門方案的基礎上對比導航墩角度及單孔凈寬對進水口附近水流流態(tài)及流速分布的影響，提出合理的進水口導航墩布置方案。該方案可同時滿足泵站進流流態(tài)平順及通航水流安全的要求，節(jié)省工程投資。研究成果對類似工程具有一定的參考價值。