分離式閘站樞紐水動力特性研究方案與應(yīng)用

游孟陶，董 壯

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司,200092，上海；2.河海大學(xué)，210098，南京）

一、概述

泵站和水閘是常見的水工建筑物，在防汛排澇、農(nóng)業(yè)灌溉、電力開發(fā)、市政工程、工業(yè)用水、生活保障、航運(yùn)交通、生態(tài)景觀等諸多方面發(fā)揮著巨大作用。由于泵站和水閘在功能上存在一定互補(bǔ)性，因此實(shí)際工程設(shè)計與建設(shè)中多采用閘站合建形式。水利部頒發(fā)的泵站設(shè)計規(guī)范中亦指出“由于自排比抽排可節(jié)省大量電能，因此在具有部分自排條件的地點(diǎn)建排水泵站時，如果自排閘尚未修建，應(yīng)優(yōu)先考慮排水泵站與自排閘合建，以簡化工程布置，降低工程造價，方便工程管理”。但在某些情況下，受地形、地區(qū)發(fā)展、民生需要及工程造價等諸多限制，新建閘站樞紐也不得不采用分離式設(shè)計。此類設(shè)計方案雖然相對較少采用，但由于其布置形式特殊性導(dǎo)致其水力特性也與常規(guī)閘站樞紐有所區(qū)別，并且往往此類設(shè)計涉及地區(qū)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活安全性有著較高要求，因此有必要從科學(xué)的角度，結(jié)合分離式閘站樞紐工程實(shí)例及其特點(diǎn)，設(shè)計合理的水動力特性研究方案并加以應(yīng)用，為相關(guān)設(shè)計及科研工作提供基礎(chǔ)支撐。

以南方某城市新建分離式閘站樞紐工程為例，進(jìn)行相關(guān)水動力特性研究方案的設(shè)計與應(yīng)用。該市內(nèi)的一條排洪河道原本通過地下箱涵直接排水，因未建排澇泵站，每逢大雨、高潮位碰頭時，造成沿途多處路段嚴(yán)重積水、受淹。嚴(yán)重的積水不僅阻礙了交通，直接損害該區(qū)的環(huán)境狀況和群眾的正常工作，同時影響了城市投資環(huán)境和旅游城市形象。為此擬通過新建泵站和水閘有效緩解在風(fēng)暴潮、天文潮和強(qiáng)降雨三碰頭外海潮位頂托情況下的流域內(nèi)澇問題。主要工程內(nèi)容為：新建80 m3/s 排澇泵站一座；新建16 m 寬水閘一座；新建長178.0 m引水箱涵。由于該城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工程所在區(qū)域?yàn)橹匾煌屑~，受區(qū)域條件限制，采用閘站分離式設(shè)計，泵站水閘間采用箱涵連接。水閘閘室為正向入流，左側(cè)有出水箱涵。水閘單獨(dú)運(yùn)行時，閘室兩側(cè)水流條件不對稱；泵站單獨(dú)運(yùn)行時，內(nèi)河來流進(jìn)入閘室后，轉(zhuǎn)向90°經(jīng)箱涵流向泵站前池。泵站為側(cè)向進(jìn)流設(shè)計，內(nèi)河來流經(jīng)箱涵自前池右側(cè)流入前池，轉(zhuǎn)向90°進(jìn)入水泵，排向外河。此外工程的排水情況（尤其是水閘）受外河潮汐影響明顯?？梢姳竟こ踢\(yùn)行時，水流條件十分復(fù)雜，有必要通過技術(shù)手段，對水閘閘室、泵站前池等重要區(qū)域以及外河區(qū)域的水流流態(tài)、流速分布進(jìn)行充分研究，論證工程設(shè)計的合理性，并針對不良流態(tài)、流速分布，提出可行的整流措施，以保證設(shè)計科學(xué)合理、工程安全有效，并為工程的運(yùn)行管理提供技術(shù)支持。

二、研究方案設(shè)計

以目前技術(shù)手段而言，水工模型試驗(yàn)仍是進(jìn)行閘站樞紐水動力研究的主要手段。水利部頒發(fā)的泵站設(shè)計規(guī)范中指出 “水工整體模型試驗(yàn)是研究和預(yù)測泵站抽水能力及機(jī)組運(yùn)行時進(jìn)、出口水流條件的最好方法……對于水流條件復(fù)雜的大型泵站樞紐布置，還是應(yīng)通過整體水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證?！迸c此同時隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，數(shù)值模擬方法憑借其不受場地限制、沒有比尺效應(yīng)、方案調(diào)整便利、獲取信息完整、研究周期短、經(jīng)濟(jì)性好、便于長期保留等一系列突出優(yōu)勢，也在相關(guān)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。水利部頒發(fā)的水閘設(shè)計規(guī)范中指出 “考慮到近幾年數(shù)學(xué)模擬方法發(fā)展迅速，基本能較好地反映水流流態(tài)，已在許多水利工程設(shè)計中采用，故提出對于水流流態(tài)不復(fù)雜的水閘可采用數(shù)學(xué)模擬的方法?！?/p>

由概述中的描述及工程總體布置情況可知，本工程水動力特性研究涉及范圍較廣，包括市區(qū)河道、原有箱涵、新建水閘、新建箱涵、新建泵站以及外部海灣等不同尺度的區(qū)域（海灣尺寸為600 m×330 m），且對不同區(qū)域的研究需求也有一定差別。其中工程區(qū)域（新建水閘、新建箱涵、新建泵站）主要關(guān)注水閘排水或泵站排水過程中，工程區(qū)是否存在影響工程安全、工程效益的不良流態(tài)，必要時提出改進(jìn)的工程措施或管理建議；外部海灣則主要關(guān)注泵站及水閘出流對海灣水流運(yùn)動的影響，泵站出流是否會影響附近船舶系留?？?，水閘出流是否會產(chǎn)生影響工程安全的嚴(yán)重沖刷等。

若以完整研究區(qū)域?yàn)閷ο?，設(shè)計制作整體水工模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，則需要占用大面積場地，模型制作成本顯著增加，研究工作周期大為延長，難以滿足經(jīng)濟(jì)性和時間要求，且試驗(yàn)中的控制、測量等操作也存在一定困難。為此，從研究工作的特點(diǎn)與需求出發(fā)，綜合考慮相關(guān)規(guī)范的要求與建議，實(shí)際研究中采用了水工模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)方案。對于尺度相對較小，研究要求相對較高，水動力條件更為復(fù)雜的工程區(qū)域，建立正態(tài)水工模型并進(jìn)行試驗(yàn)研究；同時針對完整研究區(qū)域建立整體水動力數(shù)學(xué)模型，主要用于研究范圍較大、流態(tài)變化相對簡單的外部海灣，亦可根據(jù)需要對工程區(qū)域的水動力特性進(jìn)行補(bǔ)充完善。

水工模型采用1∶20 正態(tài)模型，模型范圍包括泵站進(jìn)水流道、泵站前池、新建箱涵、水閘閘室、閘門、外河消力池，原有箱涵及河道等部分。其中，考慮水閘試驗(yàn)研究需要，水閘外模型范圍橫向左右各擴(kuò)展兩倍水閘寬度，流向擴(kuò)展50 m。

研究區(qū)域的外部海灣垂向水深遠(yuǎn)小于平面尺寸，水流具有典型的淺水流動特征。工程區(qū)域內(nèi)新建涵洞與原有涵洞均設(shè)計為明流涵洞，水閘及泵站進(jìn)水前池也為明流。故研究中選擇正交曲線坐標(biāo)下的平面二維水動力數(shù)學(xué)模型，采用國際知名的DelftFM 軟件進(jìn)行建模，該軟件采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)，能夠很好地貼合計算區(qū)域岸線的曲折變化，準(zhǔn)確捕捉再現(xiàn)工程設(shè)計的局部細(xì)節(jié)。圖1 給出了整體數(shù)學(xué)模型的計算區(qū)域與計算網(wǎng)格，圖2 是泵站水池及水閘出口附近局部網(wǎng)格的放大圖。由圖2 可見，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的DelftFM 軟件可以在不增加網(wǎng)格數(shù)量的條件下，準(zhǔn)確地捕捉泵站出水池橫向擴(kuò)展以及水閘圓頭閘墩、閘室中支撐圓柱等細(xì)部結(jié)構(gòu)，能夠提供更為準(zhǔn)確、精細(xì)的水動力數(shù)值模擬結(jié)果。

三、研究方案應(yīng)用

1.水工模型試驗(yàn)

研究中首先應(yīng)用所建立物理模型針對原設(shè)計方案進(jìn)行了工程區(qū)域內(nèi)水動力特性試驗(yàn)，試驗(yàn)包括原方案試驗(yàn)以及修改方案試驗(yàn)兩部分。

（1）原設(shè)計方案試驗(yàn)

圖1 數(shù)學(xué)模型研究范圍及計算網(wǎng)格

圖2 數(shù)學(xué)模型局部計算網(wǎng)格示意圖

原設(shè)計方案試驗(yàn)針對最為重要的泵站運(yùn)行情況展開，考慮5 臺機(jī)組運(yùn)行的大流量工況作為控制工況，表1 給出了各試驗(yàn)工況的具體運(yùn)行參數(shù)。其中，前池水位2.0 m 工況水深最大，相應(yīng)的水位最高，是箱涵過流能力研究的不利工況；前池水位1.6 m工況是設(shè)計工況，是整體設(shè)計的控制工況；前池水位1.2 m 工況水深最小，相應(yīng)的水流流速最大，是流速控制的不利工況。

試驗(yàn)中分別對原有箱涵、水閘閘室、新建箱涵、泵站進(jìn)水前池的流態(tài)及水動力參數(shù)進(jìn)行了觀測。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)條件下原有箱涵過流順暢，4 條涵洞自左向右流量逐漸減小，但相差不大，流量比變化范圍為1.26～0.86，表明涵洞過流較為均勻。閘室水流流向較為順暢，水面稍有波動，右側(cè)水閘前存在一回流區(qū)域；由于受到閘門頂托，閘室右側(cè)水位高于左側(cè)。新建箱涵水流流向較為順暢，4孔箱涵流量比自左向右逐漸增大，其中不同試驗(yàn)工況下最左側(cè)箱涵流量比為0.39～0.47，明顯小于其余3 條（流量比1.0～1.39），表明最左側(cè)箱涵的設(shè)計功能沒有得到充分發(fā)揮，工程設(shè)計有進(jìn)一步改善的需求與可能。上游來流經(jīng)新建箱涵進(jìn)入泵站前池，逐漸轉(zhuǎn)向90°后流入各機(jī)組進(jìn)水池（機(jī)組導(dǎo)流分隔墩前區(qū)域）；前池水流流向較為清晰，主流偏向機(jī)組方向，遠(yuǎn)區(qū)形成一范圍較大的弱回流區(qū)域，前池水面稍有波動；進(jìn)水池水流存在一定程度的偏流，距離箱涵進(jìn)口較遠(yuǎn)的水泵進(jìn)流條件好于距離箱涵進(jìn)口較近的水泵，部分水泵進(jìn)水池存在反向流速，不利于泵站的高效安全運(yùn)行。

（2）修改方案試驗(yàn)

原方案研究結(jié)果表明，在試驗(yàn)工況條件下，受閘室水流狀態(tài)影響，新建4 孔箱涵過流流量有較大差距，箱涵功能得不到充分發(fā)揮，增大了前池水流的偏流程度，并減小了前池有效容積的充分利用，在一定程度上加強(qiáng)了進(jìn)水池中水體的偏流回流程度。其次，由于泵站前池的來流方向與出水方向有90°的直角轉(zhuǎn)向，使得水泵進(jìn)水池內(nèi)的水流在慣性作用下形成偏流、回流，可能對泵站運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，妨礙泵站效益的充分發(fā)揮。因此，對設(shè)計方案的優(yōu)化主要集中在箱涵流量的均化，以及水泵進(jìn)水池流態(tài)的調(diào)整，偏流、回流的削弱和消除。

表1 泵站運(yùn)行試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中采用在水閘及泵站前池內(nèi)設(shè)置整流橫梁、增加箱涵間導(dǎo)流隔墩長度、在新建箱涵導(dǎo)流隔墩間增設(shè)整流隔墩等方法調(diào)整來流，迫使水流順暢轉(zhuǎn)向。通過調(diào)整整流橫梁的高度、距離閘底板的高度，調(diào)整箱涵間導(dǎo)流隔墩長度，調(diào)整新增整流隔墩頭部形狀等方式設(shè)計了11 種優(yōu)化方案分別進(jìn)行試驗(yàn)比選。通過測量各方案條件新建箱涵各孔流量及流量比，觀察前池水流流態(tài)，經(jīng)評估確定綜合效果最佳推薦方案。該方案下新建箱涵各孔流量比由原來0.44～1.39 變?yōu)?.80～1.10，新建箱涵流量得到顯著均化，前池遠(yuǎn)區(qū)范圍較大弱回流區(qū)域基本消除，進(jìn)水池回流基本得以消除，前池整體水流順暢，水面略有波動，整流效果較為理想。

2.數(shù)值模擬研究

研究中應(yīng)用所建立整體數(shù)學(xué)模型分別對泵站及水閘運(yùn)行時的外海水動力過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析不同影響效果。

（1）泵站運(yùn)行對外海水流影響

泵站運(yùn)行條件下數(shù)值模擬研究中，選擇外海水位、不同機(jī)組運(yùn)行組合方式（五機(jī)、三機(jī)、雙機(jī)、單機(jī)）為參數(shù)，共進(jìn)行了25 種條件下水動力數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，在各種給定研究條件下泵站出流順暢，前池內(nèi)出流流向順直，無不良流態(tài)。由于前池外緣水深較淺，該位置處流速相應(yīng)增大，最大流速約為1 m/s。出池后隨著水流在垂向及橫向逐漸擴(kuò)散，流速快速降低。主流沿左側(cè)岸線平順流向外海。外海區(qū)域內(nèi)無惡劣流態(tài)產(chǎn)生。

設(shè)計條件下泵站排水最大流量與最低外海水位疊加的最不利工況時，泵站出水池對面碼頭區(qū)域附近的最大流速約為0.6～0.7 m/s。對照交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院編制的《海港工程設(shè)計手冊（上）》中內(nèi)容可知，各給定工況下（研究中未包括風(fēng)暴及潮汐等影響），泵站排水引起的海灣內(nèi)水流流速均不超過給出的系泊流速允許值。

（2）水閘運(yùn)行對外海水流影響

水閘運(yùn)行條件下的數(shù)值模擬，是針對外海水位1.60 m、過閘流量87.77 m3/s 條件進(jìn)行。在該條件下，上游原有涵洞來流與水閘出流方向一致，閘室內(nèi)結(jié)構(gòu)立柱對水流稍有阻礙，不影響總體流態(tài)，閘室內(nèi)水流流向順直，流態(tài)順暢。水閘出流進(jìn)入外海后，閘下附近區(qū)域水流相對集中，流速較大，局部最大可達(dá)2.5 m/s 左右，后隨著水深的增加及水流的橫向擴(kuò)散，流速迅速減小。水閘出口兩側(cè)形成大尺度低強(qiáng)度回流區(qū)域。外海整體無惡劣流態(tài)發(fā)生。由于局部水流流速相對較大，設(shè)計中已考慮在水閘外河側(cè)20 m 范圍內(nèi)采用了灌砌塊石防護(hù)，能夠有效減輕對局部海床的沖刷。由于水閘排水條件與泵閘工程未建設(shè)之前的原有涵洞排水條件基本一致，故不會對海灣內(nèi)流速分布及船舶?？慨a(chǎn)生額外影響。

四、結(jié)論

與閘站合建式樞紐相比，分離式閘站樞紐布置較為少見，水動力特性影響因素更多，水動力條件更為復(fù)雜，對設(shè)計合理可行性研究方案進(jìn)行專門研究十分必要。

由于閘站分離式樞紐所涉及區(qū)域范圍相對更大，采用傳統(tǒng)整體水工模型試驗(yàn)方法受到試驗(yàn)場地尺寸、研究周期、經(jīng)濟(jì)成本及試驗(yàn)操作等條件的綜合影響，往往存在一定困難。本文設(shè)計了水工模型試驗(yàn)與整體數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的研究方案，模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的各自優(yōu)勢互相補(bǔ)充完善，較好地解決了這一問題。要點(diǎn)包括：①根據(jù)實(shí)際情況及研究需要，參照相關(guān)規(guī)范要求與建議，選擇主要工程區(qū)域建立水工物理模型，用于主要工程區(qū)域的水動力特性研究以及工程修改方案的試驗(yàn)研究。②主要工程區(qū)域以外，往往存在較為廣大的影響區(qū)域。閘站樞紐的影響區(qū)域內(nèi)，水流多為淺水流動，且其研究要求相對較低，可采用平面二維水動力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模，并建議采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格系統(tǒng)，以較好地捕捉所需空間細(xì)節(jié)。