大中型泵站樞紐對(duì)外河通航影響的研究

馬珺

（上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處工程建設(shè)科，上海市 200050）

大中型泵站樞紐對(duì)外河通航影響的研究

馬珺

（上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處工程建設(shè)科，上海市 200050）

為了減少大中型雙向張馬泵站運(yùn)行對(duì)東泖河航道的影響，并為泵站管理調(diào)度提供合適的運(yùn)行方案，通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)不同開(kāi)挖深度下整體流態(tài)進(jìn)行研究和分析。結(jié)果表明，采用合理的水泵運(yùn)行調(diào)度方式，灘面開(kāi)挖高程-1.50 m，可使航道范圍內(nèi)橫向流速小于0.3 m/s通航指標(biāo)。該方案為泵站建設(shè)降低工程投資，為后期管理部門(mén)提供運(yùn)行依據(jù)，確保了東泖河航道的通航安全。

大中型泵站；通航安全；流速；模型試驗(yàn)

0　引言

上海青松大控制片位于市區(qū)西部最大的連片低洼湖蕩地區(qū)。其外圍受蘇州河、黃浦江上游洪水影響及下游高潮頂托，內(nèi)部地勢(shì)低洼極易受澇。青松片外圍8座排澇泵站是大控制片防汛除澇工程的重要組成部分，是青松片澇水外排的主要排澇工程。擬建張馬泵站位于青松片南沿，離太湖流域“清水走廊”太浦河較近，也是青松片引清調(diào)水的主要工程，其主要任務(wù)是防汛排澇，兼顧水資源調(diào)度、水生態(tài)環(huán)境改善［1］。

該泵站工程為設(shè)計(jì)排澇、引水流量均為60 m3/s，設(shè)置4臺(tái)15 m3/s雙向豎井貫流泵，裝機(jī)容量2.52 MW，為大II型水利樞紐工程［2］。泵站外河側(cè)設(shè)有粗格柵攔污柵、交通橋、航道防護(hù)等構(gòu)筑物，與東泖河相接，泵站出口的中心線(xiàn)與航道呈15°夾角。東泖河為Ⅲ級(jí)航道，而泵站最低運(yùn)行水位低于東泖河最低通航水位，水流流速較大，易對(duì)航道產(chǎn)生影響［3］，故對(duì)泵站運(yùn)行時(shí)外河灘地水流流態(tài)進(jìn)行研究非常重要。

通過(guò)張馬泵站樞紐整體水力模型試驗(yàn)研究，分析泵站排澇和引水工況不同水位流態(tài)運(yùn)行組合對(duì)東泖河航道水流的影響和沖刷情況，計(jì)算不同外河側(cè)東泖河灘地開(kāi)挖高程改善流態(tài)的情況。優(yōu)化泵站運(yùn)行方案，在盡量減少開(kāi)挖工程量的情況下，保證航運(yùn)安全，并對(duì)低水位下泵站水泵開(kāi)啟臺(tái)數(shù)提出要求，達(dá)到工程布局合理、降低工程投資，為后續(xù)相關(guān)管理部門(mén)制定泵站運(yùn)行管理方法提供技術(shù)及數(shù)據(jù)支持。

1　泵站周邊環(huán)境分析

1.1泵站周邊河道分布

張馬泵站站址位于新建張馬套閘南側(cè)80.0 m新開(kāi)河口處，泵站機(jī)組中心線(xiàn)距入東泖河河口的距離約95.7 m，距離內(nèi)河西長(zhǎng)港約88.6 m。內(nèi)外河海漫段長(zhǎng)均為35.0 m，海漫頂高程為-1.5 m，如圖1所示。

圖1　張馬泵站布置圖

張馬泵站附近東泖河河道斷面地形如圖2所示。從圖中可以看出，泵站附近，東泖河灘地高程在1.0 m左右，近岸灘面高程在2.0 m左右，在東泖河排澇低水位的情況下，泵站出口處灘地基本露出，泵站排出水流在灘面上形成水躍。

1.2泵站外河側(cè)河道開(kāi)挖分析

在泵站現(xiàn)有布置且河道內(nèi)不能設(shè)置導(dǎo)流建筑物的條件下，若采用擴(kuò)大過(guò)流斷面以降低入河平均流速，但受漲落潮及水流自由擴(kuò)散角的雙重影響，過(guò)流斷面在平面上的過(guò)度擴(kuò)散作用不明顯，因此只有適當(dāng)開(kāi)挖灘面，從垂向上擴(kuò)大過(guò)流斷面以滿(mǎn)足通航要求。

若僅考慮泵站設(shè)計(jì)流量60 m3/s，出口寬度約40 m，則出口流速1.0 m/s條件下，灘面需開(kāi)挖至0.5 m高程。但根據(jù)通航安全論證要求，通航水力學(xué)指標(biāo)為：規(guī)劃藍(lán)線(xiàn)范圍內(nèi)水流橫向流速小于0.3 m/s，即泵站出口水流進(jìn)入藍(lán)線(xiàn)范圍內(nèi)橫向流速要求小于0.3 m/s，故必須對(duì)灘面進(jìn)一步加大開(kāi)挖量。

圖2　東泖河河道斷面地形

2　模型研究

2.1研究思路

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況考慮，在排澇工況下，內(nèi)河側(cè)丘張港及西長(zhǎng)港兩向來(lái)流，外河側(cè)東泖河需考慮對(duì)通航影響；引水工況下，內(nèi)河側(cè)向丘張港及西長(zhǎng)港出流，外河側(cè)亦需考慮對(duì)通航影響。截取外河側(cè)東泖河上下游全斷面各約120 m，內(nèi)河側(cè)西長(zhǎng)港約80 m，丘張港約60 m進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。

不同水位下泵站外河側(cè)引渠斷面平均流速、水流弗勞德數(shù)、引渠外水流自由擴(kuò)散角等見(jiàn)表1。其中水流自由擴(kuò)散角由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

表1　泵站外河側(cè)引渠相關(guān)水力指標(biāo)計(jì)算

式中：α為水流單側(cè)自由擴(kuò)散角；Fr為水流弗勞德數(shù)。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，灘地高程開(kāi)挖至-2.5 m高程，可以滿(mǎn)足外河側(cè)水位高于2.80 m條件下泵站4臺(tái)泵開(kāi)啟運(yùn)行要求，但是開(kāi)挖工程量太大，且后期回淤?gòu)?qiáng)度較大；采用灘地高程開(kāi)挖至-1.5 m高程，在某些工況下流速略高于并通過(guò)運(yùn)行調(diào)度來(lái)滿(mǎn)足通航要求。

下面分別對(duì)0.50 m和-1.50 m開(kāi)挖高程不同工況及泵站運(yùn)行方式進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究。

2.2模型制作

選取線(xiàn)性比尺為1∶20制作模型，模型泵站部分均采用有機(jī)玻璃制作［4，5］，以便于觀測(cè)流態(tài)，如圖3所示。內(nèi)外河道地形采用斷面法制作，采用三角網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行平面放樣，對(duì)復(fù)雜地形，加設(shè)局部斷面，以提高精度。河床采用水泥沙漿加糙模擬，滿(mǎn)足阻力相似。

圖3　泵站模型

2.3測(cè)量?jī)x器及觀測(cè)

流量采用超聲波流量計(jì)及矩形薄壁堰測(cè)定，誤差范圍不超過(guò)1%［6，7］。流速采用csy直讀式測(cè)速儀，誤差不超過(guò)1%。水位采用高精度測(cè)針進(jìn)行測(cè)量，精度0.02 mm，并采用絲線(xiàn)法或著色法觀察流態(tài)。

3　水工模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.10.5 m開(kāi)挖高程

出口灘面0.5 m高程條件下，東泖河2.01 m低水位下4臺(tái)泵排澇工況外河河道流速分布（圖中各測(cè)點(diǎn)流速為0.××m/s，下同）如圖4所示，4臺(tái)泵引水河道流速分布如圖5所示。

圖4　2.01 m水位4臺(tái)泵排澇流速分布

圖5　2.01 m水位4臺(tái)泵引水流速分布

可以看出，在低水位下，排澇工況受泵站出口地形影響，泵站出流較為集中，在東泖河灘面上，流速接近0.9 m/s，主流沖向河道主槽后下泄，橫向流速大于0.3 m/s部分伸入主槽約50 m，已越過(guò)河道主槽中心線(xiàn)。引水工況流速也接近0.80 m/s，均對(duì)外河通航影響較大。

3.2－1.50 m開(kāi)挖高程排澇工況

圖6所示為外河側(cè)水位2.80 m條件下4臺(tái)泵排澇東泖河航道水域橫向流速分布；圖7所示為外河側(cè)水位2.01 m條件下（考慮防洪預(yù)降），開(kāi)啟2臺(tái)泵排澇東泖河航道水域縱橫向流速分布。可以看出，在低水位下開(kāi)啟2臺(tái)泵東泖河航道水域橫向流速分布可以滿(mǎn)足要求，因此防洪預(yù)降運(yùn)行時(shí)，在外河側(cè)水位低于2.80 m條件下建議只開(kāi)啟2臺(tái)泵運(yùn)行以滿(mǎn)足通航要求，水位達(dá)到2.80 m以上可以選擇3臺(tái)泵或4臺(tái)泵運(yùn)行。

圖6　2.80 m水位4臺(tái)泵排澇橫向流速分布

圖7　2.01 m水位2臺(tái)泵排澇橫向流速分布

3.3－1.50 m開(kāi)挖高程引水工況

圖8所示為外河側(cè)水位2.01 m條件下4臺(tái)泵引水工況（水位2.01 m）東泖河航道水域橫向流速分布；圖9所示為外河側(cè)水位1.59 m條件下3臺(tái)泵引水工況（東泖河航道水域橫向流速分布）。從圖中可以看出，在外河側(cè)水位高于1.59 m（泵站引水最低運(yùn)行水位）條件下，3臺(tái)泵引水東泖河航道規(guī)劃水域內(nèi)橫向流速分布均可滿(mǎn)足要求。

圖8　2.01 m水位4臺(tái)泵引水橫向流速分布

圖9　1.59 m水位3臺(tái)泵引水橫向流速分布

4　結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)水工模型試驗(yàn)的技術(shù)手段，對(duì)外河側(cè)不同灘面開(kāi)挖高程對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在泵站不同水位流量運(yùn)行組合下完全滿(mǎn)足東泖河通航水域流速分布要求較為困難，灘面開(kāi)挖高程過(guò)大對(duì)改善流態(tài)效果不顯著且后期回淤?gòu)?qiáng)度較大。

（2）在灘面開(kāi)挖高程-1.50 m條件下，外河側(cè)水位高于2.80m條件下，泵站排澇運(yùn)行能夠滿(mǎn)足通航要求。在水位低于2.80 m條件下泵站預(yù)降水位運(yùn)行時(shí)，泵站應(yīng)從調(diào)度角度考慮，運(yùn)行組合臺(tái)數(shù)不宜多于2臺(tái)。

（3）在灘面開(kāi)挖高程-1.50 m條件下，外河側(cè)水位高于2.01 m條件下，4臺(tái)泵引水運(yùn)行能夠滿(mǎn)足通航要求。在水位低于2.01 m條件下，引水運(yùn)行臺(tái)數(shù)不宜多于3臺(tái)。

（4）通過(guò)整體水力模型試驗(yàn)研究，分析泵站排澇和引水工況不同水位流態(tài)，泵站運(yùn)行組合對(duì)航道水流運(yùn)動(dòng)的影響，計(jì)算不同外河側(cè)東泖河灘地開(kāi)挖程度改善流態(tài)的情況，可以為后續(xù)相關(guān)管理部門(mén)制定泵站運(yùn)行管理方法提供技術(shù)及數(shù)據(jù)支撐。

［1］上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司.張馬泵站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2015.

［2］GB/T 50265—2010，泵站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］何勇.杭州三堡排澇泵站進(jìn)水口防護(hù)方案優(yōu)化研究［J］.水利建設(shè)與管理，2015，35（11）:43-48.

［4］SL 155—2012，水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［5］SL/T 233—1999，水工與河工模型常用儀器校驗(yàn)方法［S］.

［6］劉際軍，高學(xué)平.抽水蓄能電站進(jìn)水口明渠水力優(yōu)化研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34（10）:96-102.

［7］許健，陳鋒，羅燦，等.閘站結(jié)合泵站進(jìn)水模型試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2015（8）:176-179.

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1009-7716（2016）06-0188-04

2016-03-15

馬珺（1973-），女，上海人，助理工程師，從事水利工程項(xiàng)目管理工作。