外环西河泵闸排涝对苏州河通航的影响

傅建彬，孙 龙

（杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江 杭州 310017）

1 问题的提出

水闸既能挡水又能泄水，在平原地区防洪、灌溉、排水、航运等水利工程中应用十分广泛。由于其多为低水头水工建筑物，水闸一般采用底流式（水跃）消能[1]，过闸水流在消力池内产生水跃，使闸下急流转变为缓流，但是低水头水工建筑物存在弗汝德数低、水跃消能效果较差的问题[2]，下泄水流携带大量能量，水流紊动剧烈，危及下游河床及通航安全[3]。外环西河泵闸工程位于外环西河河口入苏州河处（约110 m），由8 m宽节制闸（设计流量40 m3/s）和20 m3/s的排涝泵站组成，工程平面布置见图1。而苏州河是1条通航河道，通航等级为Ⅵ级，为确保通航船只安全，苏州河最大横向流速不得大于0.3 m/s。如何解决外环西河泵闸在排涝时，下泄水流对苏州河通航的影响是本次研究的重点。本文通过合理确定外河消力池的消能、导流结构，优化工程的总体布置，并对水闸安全运行提出合理的调度要求。

图1 工程平面布置图 单位：m

2 模型设计

模型设计按重力相似准则设计，同时兼顾阻力相似，几何正态，具体各设计参数比尺：

模型长度比尺：λL=20；流速比尺：λV= 200.5=4.47；流量比尺：λQ=202.5=1 788.85；糙率比尺：λn=201/6=1.648。

泵闸模型全长约25 m，采用灰塑板制作，模拟了节制闸、泵站、内外引渠、苏州河的部分河段（见图2）。

图2 模型布置示意图

3 工程设计方案及试验成果

3.1 原设计方案

工程排涝利用水闸自排，在汛期内河水位高于2.50 m或暴雨前，需腾空内河库容时开闸排水，因此主要考虑水闸单向排涝对苏州河通航安全影响。原设计方案中，内外河进出水池长均为15 m，连接外环西河泵闸与苏州河段的外河海漫段长45 m，河底宽20 m，底高程-0.50 m，边坡1:2.5，口宽40 m，河坡高程3.30 m以上采用钢筋混凝土悬臂式挡墙。

（1）按节制闸排涝流量40 m3/s控制，结合苏州河侧不同水位测试苏州河横向流速、闸门开启度，结果见表1。

表1 按流量控制排涝试验结果表

试验结果表明：在苏州河高水位状况下排涝，其横向流速较小；当外河水位2.50 m时，苏州河最大横向流速为0.94 m/s；当外河水位降至规划控制最低水位1.50 m时，苏州河最大横向流速为1.45 m/s。由此可见，在苏州河平潮，外河水位降至规划控制最低水位1.50 m状态下排涝的工况为最不利通航的工况。

（2）按苏州河横向流速0.30 m/s控制，结合苏州河平潮状态测试节制闸允许排涝量，结果见表2。

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表2 按横向流速控制排涝试验结果表

试验结果表明：在满足苏州河横向流速0.30 m/s安全通航标准下，节制闸的允许排涝流量为15.5 ~25.6 m3/s。

3.2 优化设计方案

以上试验结果表明，原设计方案在满足苏州河横向流速0.30 m/s安全通航标准下，不能有效发挥水闸原规划排涝能力（40 m3/s）；受征地拆迁限制，本工程泵闸位置及外河海漫段河口宽度均无调整空间。因此本阶段在现有泵闸闸址的基础上，对外河海漫段进行优化，具体方案如下。

3.2.1 调整外河海漫段断面

将原外河海漫梯形断面调整为矩形断面，河底与河口宽均为40 m，河底高程由-0.50 m降至-1.00 m，节制闸按40 m3/s排涝时，苏州河横向流速结果见表3。

表3 按流量控制排涝试验结果表

试验结果表明，外河海漫段断面调整后，增加河道过水面积，但由于闸孔净宽与外河海漫过水面积相差甚大，过闸水流缺乏海漫两侧挡墙的约束，不能充分扩散，其主流的集中度比原方案更加明显。

3.2.2 增加整流措施

针对梯形断面对过闸水流缺乏约束，过闸水流较集中，根据类似工程经验，提出增设整流措施，以便将过闸水流快速向两侧引导扩散，具体采用4种整流措施试验进行比较：

（1）在消力池后1.00 m处增设八字坎，坎高为1.75 m，宽8.00 m（见图3）。

（2）在外河海漫段设置2排整流墩，第1排整流墩设置在闸后5 m处，5个墩，整流墩长1.50 m，高0.50 m，厚0.80 m；第2排整流墩与第1排的净间距4.20 m，错开布置，6个墩，整流墩尺寸与前排相同（见图3）。

图3 八字坎与整流墩布置图 单位：m

（4）在海漫段布置W型坎，宽14.00 m，坎高1.75 m，厚0.80 m（见图4）。

图4 W型坎布置图 单位：m

按照规划排涝流量，对以上4种整流措施进行排涝试验，结果见表4。

表4 增设整流措施后排涝试验结果表

试验结果表明：

（1）在消力池侧直接增设八字坎，过闸水流过八字坎后迅速向两侧扩散，消除了由于主流集中而形成的回流，外河流态得到改善。苏州河水位2.50~4.00 m时，河侧横向流速基本能满足通航安全要求，允许排涝流量基本达到40 m3/s的要求。

（2）在海漫段设置整流墩群或折线式连续坎（高度由1.00 m渐变到1.75 m），若高度小于1.20 m，整流效果不明显；墩高为1.50~1.75 m时，八字坎措施整流效果最好。其中设置整流墩后，海漫段水流形态较均匀；W坎措施存在水流偏流影响；八字坎措施对过闸水流的约束效果最好，外河扩散段末端断面流速分布为中间大两侧小，能满足苏州河横向流速0.30 m/s安全通航标准，该方案较好。

3.2.3 扩散式消力池翼墙+八字型尾坎

（1）由于保洁船只需要过闸，因此海漫段整流措施的高度不宜过高（顶高程不超过0.00 m）。但是根据试验，整流措施高于1.50 m（顶高程0.50 m）时才能较好地发挥整流效果。考虑到原水闸口宽相对外河海漫段口宽较小，为此提出将消力池翼墙改为扩散式，其扩散角为13°，并将消力池翼墙顶高程降为1.00 m。考虑到八字坎效能效果较好，将消力池尾坎改为八字坎（见图5），实测各种通航工况下口门区的平均横向流速均不大于0.30 m/s（最大横向流速也不大于0.30 m/s），能满足通航要求。

图5 扩散式消力池翼墙+八字型尾坎布置图 单位：m

试验结果表明：采用扩散式消力池翼墙+八字型尾坎，过闸水流均为淹没闸孔出流，消力池内形成淹没水跃；消力池尾坎处水流的垂线流速分布呈下大上小，通过海漫段的调整，至防冲槽末，水流垂线流速呈上大下小的分布状态，说明海漫段长度合适，消力池的规模能满足要求。

（2）考虑到水闸具有引水功能，因此试验中以内河侧防冲槽末端断面平均流速0.80 m/s为控制条件，试验内河海漫布置的合理性及苏州河横向流速的安全性，结果见表5。

表5 节制闸引水试验结果表

试验结果表明：内河侧消力池水流的垂线流速分布呈下大上小，水流垂线流速呈上大下小的分布状态，说明内河消力池和内河海漫段长度合适。

4 结 语

（1）消力池采用扩散式翼墙和八字型尾坎，能够较好地促使过闸水流向两侧扩散。外河侧流速分布较为均匀，减小了苏州河航道口门区的横向流速，实测各种通航工况下口门区的平均横向流速均不大于0.30 m/s（最大横向流速也不大于0.30 m/s），能满足通航要求。

（2）外河海漫河口宽需要和闸孔宽度相配套，以便发挥两侧翼墙对水流调整的效果。调整方案将河道由梯形改为矩形，河底高程降为-1.00 m，增大河道断面尺寸后，外河水流集中程度将会比原方案更明显，消能效果更明显。

（3）在消力池末段增设整流墩或八字坎，能有效调整过闸水流流态，在相同的排涝流量下，苏州河内横向流速较原方案减小约40%，但是整流墩与八字坎高度不能过低。

（4）节制闸排涝流量为40 m3/s时，闸门局部开启，过闸水流为淹没闸孔出流。外河防冲槽末，水流垂线流速呈上大下小的分布状态，消力池的规模及海漫段长度合适。

（5）节制闸引水时，引水流量受内河河道抗冲条件限制，若以内河防冲槽末端断面平均流速0.80 m/s为控制条件，苏州河航道口门区平均横向流速小于0.30 m/s（最大横向流速也小于0.30 m/s），对通航没有影响。