強(qiáng)潮河口大型泵站排澇對(duì)洪潮動(dòng)力影響的試驗(yàn)研究

王瑞鋒，張芝永，孫 超，何 昆

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

南方平原區(qū)地勢(shì)平坦低洼，汛期暴雨頻發(fā)，排澇水體常通過(guò)內(nèi)河、運(yùn)河或其他支流匯入主干江道。在強(qiáng)潮河口受外江水位頂托的作用下，不滿足暢排條件，澇水宣泄困難，易形成洪澇災(zāi)害，因此新建排澇泵站是河口防洪排澇工程中較為常見(jiàn)且有效的排洪措施[1-3]。通過(guò)閘站排澇除具有增加河網(wǎng)排澇速度、降低河道水位、減少城鄉(xiāng)淹沒(méi)時(shí)間等效益外[4]，也會(huì)帶來(lái)閘外局部沖刷、承泄干流的流態(tài)改變及防洪壓力等不利因素，并可能對(duì)出口附近涉水設(shè)施的運(yùn)行產(chǎn)生影響[5-7]。

錢(qián)塘江是世界聞名的強(qiáng)潮河口，杭州段不具備自流排水入錢(qián)塘江的能力[4]，須借助泵站排水。八堡泵站是擴(kuò)大杭嘉湖南排的重要工程，是實(shí)現(xiàn)太湖清水“進(jìn)得來(lái)、流得動(dòng)、排得出”的重要工程之一，是完善太湖流域南排杭州灣，緩解太湖防洪壓力，提高防洪減災(zāi)能力的基礎(chǔ)性工程。泵站出口位于洪、潮動(dòng)力極其復(fù)雜的錢(qián)塘江彎道，近鄰船閘、丁壩、導(dǎo)航堤處設(shè)施眾多。以杭州市八堡泵站為例，就泵站排澇對(duì)河段堤防及重要設(shè)施的防洪御潮能力進(jìn)行研究，分析泵站出口河段洪潮動(dòng)力試驗(yàn)特性。

2 概 述

2.1 工程概況

八堡泵站工程等級(jí)為Ⅰ等，排水出口位于錢(qián)塘江七格彎道凹岸段1 級(jí)海堤（見(jiàn)圖1），泵站外的排澇出口段主要包括下游排水箱涵、擋潮排水閘等，其洪（潮）水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a 一遇。設(shè)5 臺(tái)斜式軸流泵，單臺(tái)排水流量為50 m3/s，最大排水流量為250 m3/s。

圖1 泵站工程位置及周邊工程分布圖

泵站出口上游100 m 為八堡船閘，在內(nèi)河側(cè)與泵站共用通航、排澇水流通道，船閘下游引航道出口為長(zhǎng)度150 m（八字形布置）的上、下導(dǎo)航堤。工程河段陸續(xù)實(shí)施護(hù)岸丁壩群工程和八堡河段整治工程，泵站出口上游約500 m處為長(zhǎng)90 m，頂高程3.80～4.50 m 的七號(hào)壩，下游約90 m處為長(zhǎng)95 m，頂高程4.70～5.20 m 的八號(hào)壩[8]。

2.2 河段水文特征

（1）徑流條件。錢(qián)塘江河口徑流具有明顯的年內(nèi)和年際變化情況。年內(nèi)存在洪、枯季之分，3—6 月或4—7 月為梅汛期，徑流量占全年的70%左右，大洪水主要出現(xiàn)在5—7月；徑流量年際間變幅也較大，最大與最小年徑流量之比達(dá)4.15，且多年連續(xù)豐、枯水文年交替出現(xiàn)。錢(qián)塘江上游蘆茨埠站多年日均流量952 m3/s，年均徑流量300 億m3左右。新安江建庫(kù)后富春江電站設(shè)計(jì)洪峰流量為23 100 m3/s。

（2）潮汐特征。錢(qián)塘江河口潮汐為非正規(guī)淺海半日潮，1 d 內(nèi)2 漲2 落，在排澇泵站口門(mén)上游約3 km 設(shè)有七堡長(zhǎng)期潮位觀測(cè)站，該站實(shí)測(cè)多年平均高潮位4.43 m，低潮位3.65 m，最大潮差4.22 m，平均潮差0.80 m。

3 物理模型

建立泵站出口河段大比尺半江物理模型，模擬排澇過(guò)程，通過(guò)監(jiān)測(cè)特征水位、流速和流態(tài)等指標(biāo)的變化，分析泵站口門(mén)區(qū)洪潮動(dòng)力基本特性。

3.1 模型比尺和范圍

模型的上下游邊界分別設(shè)在距離排水出口約2.5，2.0 km，江道寬度約1.0 km，江中邊界近似平行于流線布置，綜合考慮模型場(chǎng)地、供水、涉水建筑物尺寸等多方面因素，確定模型比尺為λL=80，λh=50，η=1.6 的小變率模型，λV=7.1，λt=11.3，占地面積約1 000 m2，模型平面布置見(jiàn)圖2。船閘引航道、丁壩、排水通道等工程按實(shí)際尺寸縮放制作模擬。地形基于近年最大洪峰后的河床容積相對(duì)較大的2017 年7 月實(shí)測(cè)地形進(jìn)行制作。

圖2 物理模型平面布置圖

3.2 模型控制與量測(cè)

模型采用多臺(tái)水泵變頻調(diào)速多口門(mén)閉環(huán)水位控制系統(tǒng)生潮?？偩€工控機(jī)利用積分分離的PⅠD 算法采用精密水位儀跟蹤邊界潮汐過(guò)程控制變頻器，由變頻水泵向模型提供潮汐水流，組成閉環(huán)控制回路控制系統(tǒng)，重復(fù)性好，控制精度較高。

流速、流態(tài)基本特征測(cè)量主要采用ADⅤ多普勒流速流向儀、旋槳流速儀和大范圍表面流場(chǎng)粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（LSPⅠⅤ）等[9]。

3.3 試驗(yàn)條件

泵站排澇水體來(lái)自太湖流域，而外江為錢(qián)塘江強(qiáng)潮河口，為安全起見(jiàn)，泵站出口河段洪潮動(dòng)力及口門(mén)區(qū)流態(tài)特征分析的外江動(dòng)力考慮偏不利的1%洪水和1%大潮2 組水流條件，泵站排澇流量考慮不排澇和最大排澇（250 m3/s），試驗(yàn)方案及邊界條件見(jiàn)表1。根據(jù)泵站調(diào)度規(guī)則，通航高水位下開(kāi)啟1 臺(tái)泵預(yù)泄，因此船閘通航選取單泵排澇（50 m3/s）的典型大潮進(jìn)行試驗(yàn)，共6 個(gè)試驗(yàn)組次。各工況條件均由經(jīng)充分驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型為其提供邊界水位和相關(guān)流速、水位分布，并以此進(jìn)行水流調(diào)試、率定[10]，其中水位平均偏差0.09 m，平均流速偏差0.10～0.15 m/s，滿足相關(guān)規(guī)程的基本規(guī)定。

表1 試驗(yàn)工況表

4 洪潮動(dòng)力特性分析

4.1 水流流態(tài)

應(yīng)用大范圍流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)排澇前后、不同工況排澇閘口門(mén)近區(qū)流場(chǎng)情況進(jìn)行拍攝測(cè)量與分析[11]。

1%洪水條件下，工程河段無(wú)漲潮流，洪水主流流向下游，受八堡船閘口門(mén)導(dǎo)堤影響，船閘兩導(dǎo)堤之間存在逆時(shí)針回流，回流區(qū)流速明顯小于主流區(qū)流速。

未排澇時(shí)，在泵站出口同樣存在逆時(shí)針回流，回流基本覆蓋下導(dǎo)堤和八號(hào)壩之間面積約1.50 萬(wàn)m2的全部范圍；在泵站最大排澇情況下，排澇流隨主流向下游偏移，導(dǎo)致八號(hào)壩頭部水流向南偏移（見(jiàn)圖3），此時(shí)回流被分割為2部分，其中下導(dǎo)堤下游側(cè)和八號(hào)壩壩根的回流區(qū)面積分別約0.40 萬(wàn)，0.10 萬(wàn)m2，總體回流強(qiáng)度較弱，回流方向紊亂。

圖3 最大流速時(shí)刻流場(chǎng)圖（1%洪水工況）

1%大潮條件下，江道主流為向上的漲潮時(shí)，由于水位比洪水位低，八號(hào)壩—下導(dǎo)堤、下導(dǎo)堤—上導(dǎo)堤及上導(dǎo)堤上游區(qū)形成3 個(gè)十分明顯的順時(shí)針回流（見(jiàn)圖4）。

未排澇時(shí)，泵站出口存在面積約2.00 萬(wàn)m2的順時(shí)針圓形回流區(qū)；泵站排澇后，受漲潮流影響，澇水隨潮向上游偏移，繞過(guò)下導(dǎo)堤頭部匯入主流，導(dǎo)堤頭部前沿流向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，主流流向基本沒(méi)有變化。此時(shí)回流的整體性被分割，其中下導(dǎo)堤為沿堤走向的順時(shí)針回流，面積0.15 萬(wàn)m2，受泵站的強(qiáng)排作用，排澇主流與八號(hào)壩之間的回流區(qū)方向改變?yōu)槟鏁r(shí)針?lè)较?，面積約0.30 萬(wàn)m2。

圖4 漲潮時(shí)刻流場(chǎng)圖(1%潮水工況)

落潮時(shí)，排澇前后流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與1%洪水工況比較類(lèi)似，但由于落潮水流流速小、水位低，八號(hào)壩—下導(dǎo)堤水域的排澇水體流速比洪水期更大。

4.2 水 位

1%洪水工況、泵站最大排澇量條件下，排澇水流對(duì)上游洪水主流形成阻流效應(yīng)，使泵站上游河段水位有所壅高。泵站處水位壅高約0.04 m，船閘處水位壅高約0.03 m，上游600 m 水位和泵站下游水位無(wú)變化（見(jiàn)圖5）。

圖5 工程附近岸段特征水位變化圖

1%大潮條件下，排澇對(duì)高水位影響主要表現(xiàn)為：排澇流量對(duì)下游漲潮流形成一定的阻流效應(yīng)，使泵站下游水位壅高，上游水位有所降低，其中泵站上游600 m 水位降幅在0.02 m 以?xún)?nèi)，船閘處降低0.04 m，泵站出口壅高0.03 m，泵站下游200 m 以外區(qū)域壅高在0.02 m 以?xún)?nèi)。排澇對(duì)低水位影響呈現(xiàn)泵站上游水位壅高（0.01 m 內(nèi)），下游水位降低（0.02 m 內(nèi)）的特點(diǎn)，因此排澇對(duì)低水位影響較小。

4.3 流 速

泵站按最大排澇量進(jìn)行排澇后，與排澇前相比，對(duì)于工程附近各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流速變化情況，測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2，對(duì)1%洪水方案的最大流速（以下簡(jiǎn)稱(chēng)洪水流速）、1%大潮方案在泵站外側(cè)主流區(qū)漲急和落急時(shí)刻的流速（以下簡(jiǎn)稱(chēng)漲急流速，落急流速），共3 個(gè)特征時(shí)刻的流速變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，從泵站出口斷面、工程近區(qū)沿線（上下游各約800 m）、八堡船閘出口及航道等不同區(qū)塊進(jìn)行重點(diǎn)分析，排澇前后各方案特征時(shí)段流速變化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 排澇前后流速變化統(tǒng)計(jì)表 m/s

4.3.1 泵站出口斷面流速變化

排澇時(shí)泵站出口斷面的流速變化分布見(jiàn)圖6。由圖6 可知，該斷面排澇水體對(duì)流速的影響隨離岸距的增大而逐步減小，其中在離岸約300 m 處，各特征時(shí)刻流速均減小0.06 m/s，流速變化幅度較大的水域主要為泵站出口壩田區(qū)和丁壩近區(qū)主流段。

圖6 泵站出口斷面流速變化圖

泵站出口壩田區(qū)各特征時(shí)刻流速均大幅增加，其中洪水流速增大約0.60 m/s，漲落急流速由于相對(duì)洪水期而言水深偏小，流速增幅更大，為1.00～1.30 m/s。

距泵站出口約170 m 的主流區(qū)，漲急流速小增幅大，增幅為0.05 m/s，落急流速和洪水流速則變小，減幅約0.10 m/s。

4.3.2 工程近區(qū)沿線

工程河段由于凹岸防沖和八堡船閘出口整治的需要，已建或待建眾多丁壩和導(dǎo)航堤（見(jiàn)圖1），沿各壩頭前沿約30～50 m 主流區(qū)，在泵站出口上下游各約800 m 處布置大量流速測(cè)點(diǎn)，沿線流速變化分布見(jiàn)圖7。

圖7 流速變化分布圖（自上游至下游）

排澇時(shí)，澇水經(jīng)擋潮閘排出，使得閘外門(mén)區(qū)流速增大，排澇流的動(dòng)量對(duì)主流的沖擊作用使主流向江中有所偏移。近岸區(qū)域流速普遍有所減小。在八號(hào)丁壩的阻水作用下澇水向下游流動(dòng)的排澇流軌跡區(qū)域流速增大明顯。

總體來(lái)看，除泵站上下游各約100 m 的測(cè)點(diǎn)5～7 有流速增大的情況，其他測(cè)點(diǎn)基本以流速小幅減小為主。其中上游測(cè)點(diǎn)1～4 無(wú)論洪水還是大潮方案，流速減小均約0.05 m/s；下游側(cè)測(cè)點(diǎn)8～10 洪水流速減小0.11～0.23 m/s，漲落急時(shí)刻，新壩1#～3#位置流速減小0.07～0.10 m/s，新壩5#流速基本無(wú)變化。

泵站上下游約100 m 的下導(dǎo)航堤至八號(hào)丁壩，流向不同，流速增減有不同的規(guī)律特征：上游側(cè)漲急流速增大，落急流速和洪水流速減小，下游側(cè)則相反。下導(dǎo)航堤和泵站出口（測(cè)點(diǎn)5～6），漲急流速變幅在0.10 m/s 內(nèi)，洪水流速和落急流速，下游的測(cè)點(diǎn)7 流速分別增大0.23，0.73 m/s，上游測(cè)點(diǎn)5～6，流速減小約0.10～0.13 m/s。

4.3.3 船閘前沿

上下導(dǎo)航堤之間的船閘出口，洪水和漲落急流速基本減小0.02～0.03 m/s。外側(cè)航道水域各測(cè)點(diǎn)洪水流速變化為-0.06～0.00 m/s，平均減小0.02 m/s，減幅1.0%；漲急流速變化為-0.04～0.04 m/s，平均變幅為0.00 m/s；落急流速變化為-0.05～0.01 m/s，平均減小0.03 m/s，減幅2.7%。

4.4 通航水流

受錢(qián)塘江涌潮的影響，八堡船閘的調(diào)度運(yùn)行較為復(fù)雜，當(dāng)預(yù)報(bào)七堡潮差大于1.00 m 時(shí)，對(duì)進(jìn)出閘進(jìn)行限制，漲潮后5.0 h 可以進(jìn)閘，漲潮后1.5 h 可以出閘，1 個(gè)潮內(nèi)進(jìn)閘、出閘的時(shí)長(zhǎng)分別約為6.9，7.4 h。且由于大潮期漲潮動(dòng)力較強(qiáng)，進(jìn)、出閘段航線的縱向流速和橫向流速均出現(xiàn)不滿足規(guī)范要求的時(shí)段，根據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，最大縱向流速VH不應(yīng)大于2.00 m/s，橫向流速VZ不應(yīng)大于0.30 m/s，對(duì)航線代表點(diǎn)橫向流速滿足VH≤0.30 m/s，VH≤0.50 m/s 和縱向流速VZ≤2.00 m/s 的1 個(gè)潮周期內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析通航期最大的單泵排澇對(duì)通航水流條件的影響。

采用通航工況條件下，1 臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)排澇前后，落潮時(shí)因排澇流偏向下游流動(dòng)，故排澇對(duì)于船閘的運(yùn)行條件無(wú)不利影響；在漲潮期，排澇流繞過(guò)船閘下游導(dǎo)堤與漲潮流一起流向上游，導(dǎo)致航線上部分位置流速有所增大，從而引起橫流流速增大。根據(jù)航線上代表點(diǎn)（見(jiàn)圖2）流速采集，分析滿足不同流速要求的時(shí)長(zhǎng)（見(jiàn)表3），泵站排澇50 m3/s 引起船閘口門(mén)區(qū)航線上滿足通航要求的時(shí)長(zhǎng)并未發(fā)生明顯變化，變化幅度基本在0.10 h 以?xún)?nèi)，不會(huì)引起八堡船閘口門(mén)通航水流條件的惡化。

表3 排澇前后滿足通航的時(shí)長(zhǎng)變化表 h

5 結(jié) 論

采用泵站出口河工模型試驗(yàn)的方法，以強(qiáng)潮河口八堡泵站為例，對(duì)排澇后承泄區(qū)的錢(qián)塘江水位、流速、流態(tài)及通航水流等進(jìn)行詳細(xì)研究，主要結(jié)果如下：

（1）洪水位影響主要集中在泵站出口和船閘前沿，雍高0.03～0.04 m。

（2）塘前沿線流速有所減小，堤防前沿基本不會(huì)造成水流集中，漲潮時(shí)上游（500 m 內(nèi)）減小約0.05 m/s，洪水時(shí)下游（800 m 內(nèi)）減小約 0.16 m/s。

（3）排澇后，泵站出口的回流結(jié)構(gòu)被分割成多個(gè)動(dòng)力變?nèi)醯男〕叨然亓?，澇水匯入主流前，下導(dǎo)堤、八號(hào)丁壩前沿流速增幅和流向偏轉(zhuǎn)明顯，壩頭流速最大增加約0.70 m/s，需關(guān)注其沖刷問(wèn)題。

（4）排澇流體的動(dòng)量沖擊對(duì)主流的頂推作用使主流向江中有所偏移，澇水匯入主流區(qū)，與漲潮和落潮流隨主流分別向上游、下游流動(dòng)，不會(huì)引起八堡船閘口門(mén)通航水流條件的惡化。