泵閘口門航道段通航水流條件改善措施研究

張 婧，陸 倩，田利勇

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

1 工程概況

近年來，隨著城市建設的迅速發展，城區規模的不斷擴大，原有的水利設施已經不能滿足城市化地區的防洪除澇要求。同時，人們對生態景觀環境要求逐漸提高，河道水體不暢、置換能力不強的矛盾日益突出。在綜合解決城市河道防洪除澇、引水調度以及改善水生態環境等問題中，泵閘樞紐承擔著重要的作用。

閘站合建樞紐具備布置緊湊、占地面積小等優勢，在城市水利建設中得到了迅速推廣，取得了較好的經濟效益和社會效益。但閘站合建容易造成樞紐口門區域水流流態的復雜化，尤其是對有通航要求的河道，水閘或泵站單獨運行時，閘下主流寬度和天然河道出流相比大大縮小，流速分布不均勻，水流難以通過自身的調整充分擴散，往往在口門附近航道內產生較大的橫向流速，影響通航安全[1-2]。

本文結合工程實例，利用二維水流數值模型，對泵閘樞紐的口門區域流場進行模擬分析，研究口門流態的改善措施，避免泵閘運行對周邊口門區域船舶的通航影響，為類似工程提供參考。

本文以上海某泵閘為例，泵站排澇流量90 m3/s，節制閘凈寬30 m，采用“閘+泵+閘”的閘站布置型式，閘底高程為-1.0 m，引排雙向功能，規劃最大排澇流量為285 m3/s，規劃最大引水流量為183.9 m3/s。考慮工程施工、投資及對長江側碼頭的影響，該泵閘選址于河道出長江口預留口門處。泵閘布置見圖1。

圖1 工程布置圖（單位：m）

距離節制閘口門約300 m處，垂直河道方向布置有糧油倉庫內河碼頭港池，船舶出港時需要橫穿內河，泵閘的運行勢必會在交叉口處產生一定橫流，給船舶進出港帶來影響。根據《船閘總體設計規范》（JTJ 305—2001）表 5.3.2，該段航道為Ⅳ級航道，對應橫流限值為0.3 m/s。

2 模型建立、驗證及計算

建立工程海域二維平面水流數學模型，模型范圍基本以工程區域為中心，向上下游各延伸5 km，通過控制閘門開啟度，控制過閘流量，計算分析不同工況下泵閘運行對內河港池的影響，見表1。

表1 數模計算工況組合

計算結果顯示：（1）節制閘排澇工況條件下，T形區最大橫流流速達到0.61～0.78 m，超過橫向流速控制要求；（2）節制閘引水工況條件下，T形區最大橫流流速達到0.41～0.45 m，超過0.3m橫向流速控制要求；（3）泵站排澇工況條件下，T形區最大橫流流速為0.26～0.32 m，基本在最大橫向流速允許范圍內。

該泵閘為雙向引排水樞紐，日常運行以引水調度為主，考慮通航水位下泵閘的排澇工況較少發生，且排澇期間，內河航運應服從區域防洪除澇統一調度，因此，以下主要針對引水工況下的內河航運條件改善進行措施分析。

3 整治前通航水流條件分析

表2給出了泵閘各引水工況下的計算結果，工況1流速相對較大，圖2給出了工況1的T型區流速等值線分布情況，可以看出：

表2 整治前內河T形區最大橫流速及控制過閘流量統計表

圖2 工況1下T形區流速等值線分布圖

（1）節制閘引水工況下，兩側對應閘門的區域流速最大，T形區最大橫流流速達到0.41～0.45 m/s，不滿足規范要求。在通航期間，需對引水流量進行適當控制。

（2）通過調整閘門開度控制過閘流量，使T形區最大橫流流速不超過0.3 m/s，泵閘引水調度功能損失在35%～42%之間。

4 內河整流措施設計

為使泵閘引水調度功能得到充分發揮，減小泵閘日常引水調度對進出港船舶通航的影響，初步擬定了設導流墩和增大過水斷面兩種方案[3]，分別從增加水流的均勻性和減小斷面平均流速角度，改善泵閘口門區域水流流態。考慮工況1的水流條件較為惡劣，以下選擇工況1作為引水典型工況進行研究分析。

4.1 增設導流墩方案

流速不均勻系數反映流速沿斷面分布的均勻性[1]。在相同流量和過水斷面條件下，外河入口斷面流速分布越均勻，流速也將越小。流速的不均勻系數η定義為斷面垂線平均最大和最小流速差與該斷面平均流速的比值，即：

式中：vmax為斷面垂線平均最大流速；vmin為斷面垂線平均最小流速；vˉ為斷面平均流速。

在內河海漫段布置導流墩墻，減小T形區的流速不均勻系數。分別設計了直線型布置、眉型布置和花瓣型布置導流墩墻（布置見圖3）。

圖3 導流墩墻平面布置圖

（1）直線型布置導流墩：在內河海漫中段設兩排導流圓墩，與兩側閘門相對，呈直線型布置，距離閘門約120 m，墩直徑0.6 m，中心距2 m，兩側各布置15個，共計30個導流墩。

（2）眉型布置導流墩：在內河海漫中段設兩排導流圓墩，與兩側閘門相對，呈眉型布置，距離閘門約 135 m，墩直徑 0.8 m，中心距2～5 m，兩側各布置16個，共計32個導流墩。

（3）花瓣型布置導流墩墻：在內河兩側消力池前設兩組導流墩墻，呈花瓣型布置，距離閘門約85m，導流墩寬 0.5 m，長 12.3～16.9 m，間距 3～4 m，兩側各布置5個，共10個導流墩。

引水典型工況下，模擬計算三種導流墩布置方案的流場。在T形區取觀測斷面（見圖4），斷面設13個觀測點，觀測點間距10 m，統計斷面上的流速分布情況，三種導流墩布置方案，觀測點橫斷面流速分布見圖5。

圖4 T形區取觀測斷面測點分布圖

圖5 整流前后觀測點橫斷面流速分布圖

可以看出，三種方案對均勻內河流速、減小T形區橫流均有一定的作用。直線型、眉型和花瓣型布置，對應T形區最大橫流流速分別為0.39 m/s、0.35 m/s和0.36 m/s。直線型與眉型布置的流速分布特點與無整流措施時相同，兩側對應閘門區域流速最大，而花瓣型布置則改變了原來的流速分布特點，水流向河道中心集中。總的來說，眉型布置方案效果最佳，但最大流速仍超過橫流限值。究其原因在于過水斷面不足，經過測算，過閘設計流量均攤至河道過水斷面上，平均流速約0.30 m/s，已達規范允許值，由于流速的不均勻分布，局部區域難免出現橫流超過0.30 m/s的現象，見表3。

表3 典型工況下各導流墩方案T形區橫流分析表

4.2 增大過水斷面面積方案

在流量一定的條件下，通過增大斷面，可以有效減小流速。考慮在T形區河底高程浚深1.0 mm，浚深區域長方形布置，由內河防沖槽末端竣深至內河港池西側約40 m處，長約240 m，寬約105 m。經測算，過閘設計流量若均攤至浚深后的河道過水斷面上，平均流速降至0.25 m/s。

浚深后，引水典型工況下，觀測點橫斷面流速分布見圖6，T形區流速較竣深前整體減小，流速分布及不均勻性基本不變，最大橫流流速0.39 m/s，但仍超過橫流限值。

4.3 增設導流墩+增大過水斷面面積組合方案

為使推薦方案在引水典型工況下，T形區最大橫流流速降至橫流限值，采取在內河側增設導流墩和增大T形區過水斷面面積的組合方案。結合整流效果及施工難度、投資等因素，采用眉型布置導流墩。

增設眉型導流墩+增大T形區過水斷面面積組合方案后，引水典型工況下，觀測點橫斷面流速分布見圖7。可以看出，T形區水流均勻性大大提高，最大橫流流速減小至0.29 m/s，符合規范要求。

圖6 浚深后觀測點橫斷面流速分布

圖7 增設眉型導流墩+增大T形區過水斷面方案后觀測點橫斷面流速分布

5 結論

（1）泵閘運行時，閘下水流集中出流，流速不均勻性較大，短距離內難以充分擴散，口門區域水流條件較差，流速偏大。對于通航河道，影響口門區船舶的安全通航。

（2）本文提出提高流速均勻性與整體減小流速兩種思路，分別給出解決方案：

a.在海漫段設置導流墩可有效改善水流流態，口門區域水流得到充分擴散，大大提高了流速的均勻性。從工程實例可以得出，眉型導流墩的擴散效果高于直線型，花瓣型導流墩的導流作用最為明顯。從擴散效果，工程投資，施工難度等多方面綜合考慮，推薦眉型導流墩。

b.當過流斷面受限，水流充分擴散仍難以達到流速要求時，可采用擴大過水斷面的方案，達到減小流速的目的。一般對于城市水利設施，受占地面積的約束，較難拓寬河道，可通過竣深河床改善通航條件。

（3）實際工程中，針對具體情況，綜合考慮這兩類措施，選擇經濟合理的工程方案。