航塘港泵闸水利枢纽总体布置研究

潘 源，沈小立

（1.上海市堤防（泵闸）设施管理处，上海市200082；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

上海市浦东新区航塘港泵闸设在航塘港与杭州湾交汇处的河口附近。这样，既可有效地缩短与杭州湾海塘的连接段长度，节省工程投资，同时又可兼顾施工期杭州湾一线海塘的安全，控制防汛风险和施工难度。最终，确定泵横轴线距现有海塘中心线距离165m。新建节制闸孔径为24m（3孔×8m）。同时，新建60m3/s单向排水泵站一座，配置4台15m3/s斜式轴流泵[1-2]。从而，兼有防洪、排涝及水资源调度等综合功能。

1 工程总体布置原则

（1）满足排涝﹑防洪（潮）和水资源调度的综合功能要求。

（2）工程总体布置必须与区域总体规划要求一致，建筑物外形与周边环境相协调，尽量将闸站建筑物融入到航塘港沿线开阔的空间中去，同时少占土地，便于调度管理。

（3）各单体建筑物间衔接顺畅，满足各单体规范的布置要求，有利于设备布置、安装、运行及监测的系统功能。

2 工程总体布置

工程平面布置采用“泵+闸”的不对称布置方案。水闸布置在河道右侧，泵站布置在河道左侧，泵站及水闸底板永久分缝设置。顺水流方向总长度394.40m，垂直水流方向总长度56.52m。站身闸首内缩，泵闸横轴线（外河交通桥中心线）距离现状海塘大堤堤顶中心线约165.0m。

外海侧考虑与现状海堤及堤外现状（规划）保滩顺坝顺接，形成出流通道，设216.4m引河汇入外海。泵站从内河侧至外河侧各部泵站采用正向进水方式，口宽为26.30m，布置（4台×15m3/s）单向斜式轴流泵，流道底板高程为-3.40m/-1.70m（上游侧/下游侧）；闸首口宽为30.20m，设置3孔净宽8.0m的潜孔式平面直升门，闸门堰顶高程-0.50m，门顶标高4.50 m（胸墙底标高4.0 m），中间设置20mm宽沉降缝；内河海漫段、进水池与站身闸首与规划河口（55.0m）顺接；外河侧消力池及出水池侧墙与规划河口（55.0m）顺接，外河海漫段口宽109.0m，采用圆弧翼墙及放坡过渡衔接。

图1为泵闸总体布置图。

图1 泵闸总体布置图

3 总体布置数模论证

为了分析方案布置的水动力合理性，以及工程建成后泵闸排水的水流流态情况及对周边河道、杭州湾滩面的影响，采用有限元计算分析工程区域水流流态、流速分布，为工程设计方案提供验证。

综合考虑工程位置、研究目的等因素，模型上边界取航塘港泵闸上游1 000m与内河相接处，下边界取航塘港下游1 000m杭州湾水域。这样，能较好地模拟所研究河道流场。该模型计算采用三角有限元网格，并采用大小网格嵌套方式进行模拟计算，泵闸工程范围内网格加密处理，其优点能模拟复杂的河道岸线，计算范围主次分明，计算速度较快。

图2为泵闸网格细部示意图。

图2 泵闸网格细部示意图

3.1 工况1：关闸开泵排水工况

考虑模拟开泵时的最不利工况，内河水位取内河预降水位2.0m，外江水位取开泵排水过程中外河水位最不利工况，即最低潮位2.0 m，过流量取设计流量Q=60m3/s。

图3为关闸开泵排水时河段流速图。

图3 关闸开泵排水时河段流速图

从图3中可看出，在工况一关闸开泵排水工况下，从排水工况流场可以看出，水流进出泵闸流路清晰，扩散均匀，未见回流区，总体流态较好，但在内河段汊口处局部区域有缓流区产生。该缓流区由河道地形控制无法避免，应创造条件允许可顺滑该区域河道边界。泵闸处峰值流速较高，但经过内外河海漫段的缓冲消能，以及河道过流断面渐宽，河道流速逐渐降低。

其水流流速及流场的影响主要表现为，上游流速大于0.8m/s（不冲流速）的范围在泵闸以上470m范围内；下游大于0.8m/s的范围在泵闸以下30m范围内，外海杭州湾流速均小于0.5m/s，流速较小。

3.2 工况2：水闸闸门全开排水工况

考虑模拟水闸闸门全开的最不利工况，内河水位取内河最高水位3.7m，考虑闸门全开时允许取的内外河最大高差0.3m，即外河潮位3.4m，过流量取水闸最大过流量134.2m3/s。

图4为水闸闸门全开排水时河段流速图。

图4 水闸闸门全开排水时河段流速图

从图4中可看出，在水闸闸门全开排水工况下，内河流速大于0.8m/s（不冲流速）的范围在泵闸以上520m范围内；下游大于0.8m/s的范围在泵闸以下220m范围内。

该工程在泵闸上游500m至杭州湾范围内均设置了灌砌块石护底，可满足抗冲刷要求。

4 总体布置物模论证

为保证航塘港泵闸工程的安全运行，拟通过水工模型试验验证泵闸平面布置和消能防冲设施结构，测试水闸过流能力、泵闸进出水流态及流速分布，分析泵闸运行对杭州湾海域、两侧现状滩面及内河侧河道的影响。提出合适的消能、导流、保护范围和相应的工程措施，优化泵闸结构布置。

图5为航塘港泵闸整体水工模型。

4.1 泵站排水工况

内河水位2.50m，外河水位5.50m，泵排流量60m3/s。试验中观测到内河来流平顺、均匀。至枢纽前，左侧水流沿岸墙平顺流入泵站前池，右侧水流逐步收缩绕泵闸隔墙头部流入泵站前池。

图5 航塘港泵闸整体水工模型

图6为泵站运行工况内河流态效果图，图7为泵站运行工况内河垂线平均流速分布图。

图6 泵站运行工况内河流态效果图

图7 泵站运行工况内河垂线平均流速分布图

受泵闸分侧布置影响，内河右侧水流绕泵闸隔墙头部流向泵站前池。由于泵站采用拦污栅桥前置布置，且加密了拦污栅墩，发挥了较好的整流作用。右侧绕流被拦污栅墩分割并强迫转向，流入泵站前池，仅在近闸侧拦污栅桥孔内（右侧）存在较小的回流区，回流区最大宽度约为拦污栅桥孔的一半，长度与拦污栅墩相近。由于回流区较小，对进水池水流影响不显著，仅近闸侧局部流速稍低。

图8为泵站运行工况前池流态效果图，图9为泵站运行工况前池垂线平均流速分布图。

图8 泵站运行工况前池流态效果图

图9 泵站运行工况前池垂线平均流速分布图

在试验中，观测到出水池出口水流大致均匀。出池后水流右侧突扩，在水闸侧形成较大的回流区，主流偏于外河左侧。外河出口断面水流扩散至右侧，流速呈左大右小分布。水流出外河后两侧海滩上形成较大回流区，主流有所压缩，局部流速略有加大。外河虽存在明显偏流，但总体流速较低，对局部冲刷影响不大。

图10为泵站运行工况外河流态效果图，图11为泵站运行工况外河垂线平均流速分布图。

图10 泵站运行工况外河流态效果图

图11 泵站运行工况外河垂线平均流速分布图

试验表明，泵站运行工况内河来流平顺均匀，前池进流流态较好，出水池出口水流大致均匀，外河主流偏于左侧，右侧形成较大回流区，但总体流速较小，对无防护区冲刷影响不明显。

4.2 水闸消能工况

内河水位3.75m（最高水位），外河水位0.04m（平均低潮位），闸门开启高度1.75m。试验实测排涝流量204m3/s，内河来流平顺均匀。过闸流态为自由孔流，消力池能形成稳定水跃，跃首位于消力池斜坡末端向后2~4m左右（长时间观测能保持稳定），跃尾距消力池尾坎3m左右。消力池长度深度满足设计要求。出池水流大致均匀。外河水位不能降至0.04m，控制外海水位为0.04m。池后水面跌落显著，在海漫段形成大范围跌落区，跌落区最大流速在5.48m/s左右，外海水面波动显著，外河出口处亦形成较大的跌落区。

图12为消能工况闸下流态效果图，图13为消能工况外河流态效果图，图14为消能工况外河垂线平均流速分布图。

图12 消能工况闸下流态效果图

图13 消能工况外河流态效果图

图14 消能工况外河垂线平均流速分布图

在试验中观测到，逐步抬高外河水位，可减小跌落区，减轻外河水面波动。当外河水位升高至1.85m时，池后水面跌落基本消除，池中水跃跃首位于消力池斜坡段中下段，水跃稳定。闸下主流偏于外河右侧，左侧（泵站侧）形成较大的回流区，至外河出口处，主流基本沿外河河槽方向出流，两侧海滩上形成较大的回流区，主流有所压缩。

试验表明，消力池长度、深度满足设计要求，能形成稳定水跃。池后水面跌落，在闸下形成较大的跌落区，海漫段水面波动显著，出池水流立面衔接不良。外河水位升高可消除池后水面跌落，改善出池水流立面衔接形态。主流偏于外河右侧，左侧形成较大的回流区。外河出口后，两侧海滩上形成较大的回流区，对主流有一定压缩。

针对闸下出流存在的不良流态，对方案进行修改，以改善闸下水流流态，减轻外河侧冲刷。

外河泵闸隔墙长度缩短6m，顶高程降至2.0m。消力池尾坎上增设0.75m的底坎。在消力池尾坎后按6m间距分布，布置高0.75m、0.5m底坎各一道。高低不一的底坎共计3道。其作用：一是增加扩散均化海漫段水流，减小左侧回流区；二是将跌落区进行分割压缩，使得最后一道坎后水流能在较短的流程内平稳均匀。

图15为整改方案闸下流态效果图。

图15 整改方案闸下流态效果图

在试验中观测到，随着外河水位升高，出闸水流向左侧扩散逐步减弱，左侧流速有明显减小，右侧流速有所加大，主流逐步偏右，但过流宽度仍明显大于原方案对应水位的宽度。在高水位运行时，外河水流均匀性较原方案有明显提高。

5 结论与建议

基于试验成果，可得到以下结论与建议。

（1）枢纽总体布置合理可行，各工况内河来流平顺；泵站运行各泵进流条件良好，未见影响水泵安全运行的恶劣流态；水闸过流能力较大；消力池长度、深度满足设计要求，各工况均能形成稳定水跃。

（2）受枢纽布置型式影响，外河较低水位下，消力池后水面跌落较为严重，跌落区范围大，局部流速大，海漫段水面波动显著，经对方案修改，可明显提高外河水流的均匀性。

（3）上游流速大于0.8 m/s（不冲流速）的范围均在泵闸以北500m范围内，且在河道相交处流速均小于0.5m/s，该工程在该范围内均设置了河底护砌，可满足冲刷要求；泵闸运行时杭州湾侧的的流速不大，经过枢纽工程外河侧海漫及引河段外的流速基本控制小于0.3m/s的范围均较小，对杭州湾外海滩地基本没有冲刷影响，泵闸的总体布置方案合理。