分离式闸站枢纽水动力特性研究方案与应用

游孟陶，董 壮

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,200092，上海；2.河海大学，210098，南京）

一、概述

泵站和水闸是常见的水工建筑物，在防汛排涝、农业灌溉、电力开发、市政工程、工业用水、生活保障、航运交通、生态景观等诸多方面发挥着巨大作用。由于泵站和水闸在功能上存在一定互补性，因此实际工程设计与建设中多采用闸站合建形式。水利部颁发的泵站设计规范中亦指出“由于自排比抽排可节省大量电能，因此在具有部分自排条件的地点建排水泵站时，如果自排闸尚未修建，应优先考虑排水泵站与自排闸合建，以简化工程布置，降低工程造价，方便工程管理”。但在某些情况下，受地形、地区发展、民生需要及工程造价等诸多限制，新建闸站枢纽也不得不采用分离式设计。此类设计方案虽然相对较少采用，但由于其布置形式特殊性导致其水力特性也与常规闸站枢纽有所区别，并且往往此类设计涉及地区对经济发展与人民生活安全性有着较高要求，因此有必要从科学的角度，结合分离式闸站枢纽工程实例及其特点，设计合理的水动力特性研究方案并加以应用，为相关设计及科研工作提供基础支撑。

以南方某城市新建分离式闸站枢纽工程为例，进行相关水动力特性研究方案的设计与应用。该市内的一条排洪河道原本通过地下箱涵直接排水，因未建排涝泵站，每逢大雨、高潮位碰头时，造成沿途多处路段严重积水、受淹。严重的积水不仅阻碍了交通，直接损害该区的环境状况和群众的正常工作，同时影响了城市投资环境和旅游城市形象。为此拟通过新建泵站和水闸有效缓解在风暴潮、天文潮和强降雨三碰头外海潮位顶托情况下的流域内涝问题。主要工程内容为：新建80 m3/s 排涝泵站一座；新建16 m 宽水闸一座；新建长178.0 m引水箱涵。由于该城市经济发达，工程所在区域为重要交通枢纽，受区域条件限制，采用闸站分离式设计，泵站水闸间采用箱涵连接。水闸闸室为正向入流，左侧有出水箱涵。水闸单独运行时，闸室两侧水流条件不对称；泵站单独运行时，内河来流进入闸室后，转向90°经箱涵流向泵站前池。泵站为侧向进流设计，内河来流经箱涵自前池右侧流入前池，转向90°进入水泵，排向外河。此外工程的排水情况（尤其是水闸）受外河潮汐影响明显。可见本工程运行时，水流条件十分复杂，有必要通过技术手段，对水闸闸室、泵站前池等重要区域以及外河区域的水流流态、流速分布进行充分研究，论证工程设计的合理性，并针对不良流态、流速分布，提出可行的整流措施，以保证设计科学合理、工程安全有效，并为工程的运行管理提供技术支持。

二、研究方案设计

以目前技术手段而言，水工模型试验仍是进行闸站枢纽水动力研究的主要手段。水利部颁发的泵站设计规范中指出 “水工整体模型试验是研究和预测泵站抽水能力及机组运行时进、出口水流条件的最好方法……对于水流条件复杂的大型泵站枢纽布置，还是应通过整体水工模型试验验证。”与此同时随着技术水平的不断进步，数值模拟方法凭借其不受场地限制、没有比尺效应、方案调整便利、获取信息完整、研究周期短、经济性好、便于长期保留等一系列突出优势，也在相关领域得到越来越广泛的应用。水利部颁发的水闸设计规范中指出 “考虑到近几年数学模拟方法发展迅速，基本能较好地反映水流流态，已在许多水利工程设计中采用，故提出对于水流流态不复杂的水闸可采用数学模拟的方法。”

由概述中的描述及工程总体布置情况可知，本工程水动力特性研究涉及范围较广，包括市区河道、原有箱涵、新建水闸、新建箱涵、新建泵站以及外部海湾等不同尺度的区域（海湾尺寸为600 m×330 m），且对不同区域的研究需求也有一定差别。其中工程区域（新建水闸、新建箱涵、新建泵站）主要关注水闸排水或泵站排水过程中，工程区是否存在影响工程安全、工程效益的不良流态，必要时提出改进的工程措施或管理建议；外部海湾则主要关注泵站及水闸出流对海湾水流运动的影响，泵站出流是否会影响附近船舶系留停靠，水闸出流是否会产生影响工程安全的严重冲刷等。

若以完整研究区域为对象，设计制作整体水工模型进行试验研究，则需要占用大面积场地，模型制作成本显著增加，研究工作周期大为延长，难以满足经济性和时间要求，且试验中的控制、测量等操作也存在一定困难。为此，从研究工作的特点与需求出发，综合考虑相关规范的要求与建议，实际研究中采用了水工模型与数值模拟相结合的技术方案。对于尺度相对较小，研究要求相对较高，水动力条件更为复杂的工程区域，建立正态水工模型并进行试验研究；同时针对完整研究区域建立整体水动力数学模型，主要用于研究范围较大、流态变化相对简单的外部海湾，亦可根据需要对工程区域的水动力特性进行补充完善。

水工模型采用1∶20 正态模型，模型范围包括泵站进水流道、泵站前池、新建箱涵、水闸闸室、闸门、外河消力池，原有箱涵及河道等部分。其中，考虑水闸试验研究需要，水闸外模型范围横向左右各扩展两倍水闸宽度，流向扩展50 m。

研究区域的外部海湾垂向水深远小于平面尺寸，水流具有典型的浅水流动特征。工程区域内新建涵洞与原有涵洞均设计为明流涵洞，水闸及泵站进水前池也为明流。故研究中选择正交曲线坐标下的平面二维水动力数学模型，采用国际知名的DelftFM 软件进行建模，该软件采用非结构网格技术，能够很好地贴合计算区域岸线的曲折变化，准确捕捉再现工程设计的局部细节。图1 给出了整体数学模型的计算区域与计算网格，图2 是泵站水池及水闸出口附近局部网格的放大图。由图2 可见，与传统结构网格相比，采用非结构网格的DelftFM 软件可以在不增加网格数量的条件下，准确地捕捉泵站出水池横向扩展以及水闸圆头闸墩、闸室中支撑圆柱等细部结构，能够提供更为准确、精细的水动力数值模拟结果。

三、研究方案应用

1.水工模型试验

研究中首先应用所建立物理模型针对原设计方案进行了工程区域内水动力特性试验，试验包括原方案试验以及修改方案试验两部分。

（1）原设计方案试验

图1 数学模型研究范围及计算网格

图2 数学模型局部计算网格示意图

原设计方案试验针对最为重要的泵站运行情况展开，考虑5 台机组运行的大流量工况作为控制工况，表1 给出了各试验工况的具体运行参数。其中，前池水位2.0 m 工况水深最大，相应的水位最高，是箱涵过流能力研究的不利工况；前池水位1.6 m工况是设计工况，是整体设计的控制工况；前池水位1.2 m 工况水深最小，相应的水流流速最大，是流速控制的不利工况。

试验中分别对原有箱涵、水闸闸室、新建箱涵、泵站进水前池的流态及水动力参数进行了观测。试验结果表明：试验条件下原有箱涵过流顺畅，4 条涵洞自左向右流量逐渐减小，但相差不大，流量比变化范围为1.26～0.86，表明涵洞过流较为均匀。闸室水流流向较为顺畅，水面稍有波动，右侧水闸前存在一回流区域；由于受到闸门顶托，闸室右侧水位高于左侧。新建箱涵水流流向较为顺畅，4孔箱涵流量比自左向右逐渐增大，其中不同试验工况下最左侧箱涵流量比为0.39～0.47，明显小于其余3 条（流量比1.0～1.39），表明最左侧箱涵的设计功能没有得到充分发挥，工程设计有进一步改善的需求与可能。上游来流经新建箱涵进入泵站前池，逐渐转向90°后流入各机组进水池（机组导流分隔墩前区域）；前池水流流向较为清晰，主流偏向机组方向，远区形成一范围较大的弱回流区域，前池水面稍有波动；进水池水流存在一定程度的偏流，距离箱涵进口较远的水泵进流条件好于距离箱涵进口较近的水泵，部分水泵进水池存在反向流速，不利于泵站的高效安全运行。

（2）修改方案试验

原方案研究结果表明，在试验工况条件下，受闸室水流状态影响，新建4 孔箱涵过流流量有较大差距，箱涵功能得不到充分发挥，增大了前池水流的偏流程度，并减小了前池有效容积的充分利用，在一定程度上加强了进水池中水体的偏流回流程度。其次，由于泵站前池的来流方向与出水方向有90°的直角转向，使得水泵进水池内的水流在惯性作用下形成偏流、回流，可能对泵站运行产生不良影响，妨碍泵站效益的充分发挥。因此，对设计方案的优化主要集中在箱涵流量的均化，以及水泵进水池流态的调整，偏流、回流的削弱和消除。

表1 泵站运行试验工况

试验中采用在水闸及泵站前池内设置整流横梁、增加箱涵间导流隔墩长度、在新建箱涵导流隔墩间增设整流隔墩等方法调整来流，迫使水流顺畅转向。通过调整整流横梁的高度、距离闸底板的高度，调整箱涵间导流隔墩长度，调整新增整流隔墩头部形状等方式设计了11 种优化方案分别进行试验比选。通过测量各方案条件新建箱涵各孔流量及流量比，观察前池水流流态，经评估确定综合效果最佳推荐方案。该方案下新建箱涵各孔流量比由原来0.44～1.39 变为0.80～1.10，新建箱涵流量得到显著均化，前池远区范围较大弱回流区域基本消除，进水池回流基本得以消除，前池整体水流顺畅，水面略有波动，整流效果较为理想。

2.数值模拟研究

研究中应用所建立整体数学模型分别对泵站及水闸运行时的外海水动力过程进行了数值模拟，分析不同影响效果。

（1）泵站运行对外海水流影响

泵站运行条件下数值模拟研究中，选择外海水位、不同机组运行组合方式（五机、三机、双机、单机）为参数，共进行了25 种条件下水动力数值模拟。模拟结果表明，在各种给定研究条件下泵站出流顺畅，前池内出流流向顺直，无不良流态。由于前池外缘水深较浅，该位置处流速相应增大，最大流速约为1 m/s。出池后随着水流在垂向及横向逐渐扩散，流速快速降低。主流沿左侧岸线平顺流向外海。外海区域内无恶劣流态产生。

设计条件下泵站排水最大流量与最低外海水位叠加的最不利工况时，泵站出水池对面码头区域附近的最大流速约为0.6～0.7 m/s。对照交通部第一航务工程勘察设计院编制的《海港工程设计手册（上）》中内容可知，各给定工况下（研究中未包括风暴及潮汐等影响），泵站排水引起的海湾内水流流速均不超过给出的系泊流速允许值。

（2）水闸运行对外海水流影响

水闸运行条件下的数值模拟，是针对外海水位1.60 m、过闸流量87.77 m3/s 条件进行。在该条件下，上游原有涵洞来流与水闸出流方向一致，闸室内结构立柱对水流稍有阻碍，不影响总体流态，闸室内水流流向顺直，流态顺畅。水闸出流进入外海后，闸下附近区域水流相对集中，流速较大，局部最大可达2.5 m/s 左右，后随着水深的增加及水流的横向扩散，流速迅速减小。水闸出口两侧形成大尺度低强度回流区域。外海整体无恶劣流态发生。由于局部水流流速相对较大，设计中已考虑在水闸外河侧20 m 范围内采用了灌砌块石防护，能够有效减轻对局部海床的冲刷。由于水闸排水条件与泵闸工程未建设之前的原有涵洞排水条件基本一致，故不会对海湾内流速分布及船舶停靠产生额外影响。

四、结论

与闸站合建式枢纽相比，分离式闸站枢纽布置较为少见，水动力特性影响因素更多，水动力条件更为复杂，对设计合理可行性研究方案进行专门研究十分必要。

由于闸站分离式枢纽所涉及区域范围相对更大，采用传统整体水工模型试验方法受到试验场地尺寸、研究周期、经济成本及试验操作等条件的综合影响，往往存在一定困难。本文设计了水工模型试验与整体数学模型相结合的研究方案，模型试验及数值模拟的各自优势互相补充完善，较好地解决了这一问题。要点包括：①根据实际情况及研究需要，参照相关规范要求与建议，选择主要工程区域建立水工物理模型，用于主要工程区域的水动力特性研究以及工程修改方案的试验研究。②主要工程区域以外，往往存在较为广大的影响区域。闸站枢纽的影响区域内，水流多为浅水流动，且其研究要求相对较低，可采用平面二维水动力数学模型进行建模，并建议采用非结构网格系统，以较好地捕捉所需空间细节。