（水利工程专业论文）杨树浦港泵闸引水排涝工程效果研究.pdf

摘要 摘要 本文采用了计算流体力学的方法，根据设计参数作为控制条件，运用 p h o e n i c s 软件对杨树浦港泵站的双向贯流泵组进行了数值模拟计算分 析，研究双向贯流泵组对泵站设计流道引水排涝的合理性，从而确定泵站 应采用的泵组及相应型式、规格；并运用物理模型论证节制闸的实际工作 状态是否满足工程引水排涝设计要求、消能防冲设施在各种工况下的稳定 性以及泵站是否达到工程引水排涝的设计效果要求。着重从工程的引水排 涝调度的基本情况及环境、社会效益综合评价了杨树浦港泵闸引水排涝工 程效果。通过研究认为，双向贯流泵站符合上海河网河道整治的引水排涝 需要，对确保地区的防汛安全，改善地区水环境，建设可持续发展经济都 有积极的意义，可以作为今后泵站建设的参考。 关键词：河道整治泵站数学模型水工模型效果评价 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a su s e dt h eh y d r o m e c h a n i c a lm e t h o do fc a l c u l a t i n g ，a c c o r d i n g t o e v e r yp a r a m e t e rd e s i g n e d c o n f i r m e da s c o n t r o l l i n gc o n d i t i o n s ，u s e p h o e n i c ss o w a r et om a t h e m a t i cm o d a l sc o m p u t a t i o n a la n a l y s i sy a n g s h u p u h a r b o u rp u m p i n gs t a t i o nb i d i r e c t i o n a li n e r t i a l f l o wp u m pg r o u p ，r e s e a r c h i n gt h e a d a p t a b i l i t yo fd i v e r s i o na n dd r a i n i n go ft h eb i d i r e c t i o n a li n e r t i a l f l o wp u m p g r o u p st of l o w i n gp a t hd e s i g n e d ，t h u sd e t e r m i n e dt h ep a t t e ma n ds p e c i f i c a t i o n o fp u m pg r o u pt op u m p i n gs t a t i o n c o n f i r mw h e t h e rc a nb ea d o p t e db yt h e p u m p i n gs t a t i o n b e s i d e sa c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，i tu s e sh y d r a u l i c m o d a lt e s tt od e m o n s t r a t ew h e t h e rt h er e a lw o r k i n gs t a t eo ft h eg a t em e e t st h e r e q u i r e m e n to fd r a i n i n ga n ds u p p l y i n gw h i c hi st h ep r o j e c t sd e s i g n i n ga n dt h e s t a b i l i t y o f e n e r g yd i s s i p a t i o n d e v i c eu n d e rv a r i o u s o p e r a t i n gm o d e s ， i n v e s t i g a t i n gw h e t h e rt h ep u m p i n gs t a t i o nr e a c hd e s i g ne f f e c tr e q u i r e m e n to f d i v e r s i o na n dd r a i n i n g f i n a l l y , i tg i v e sac o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a lo ft h e p u m p i n gs t a t i o n sb a s i cc o n d i t i o n sa n di t se n v i r o n m e n t a la n ds o c i a lb e n e f i t b e s i d e se n v i r o n m e n tv a l u ea n ds o c i a l v a l u e ，i ts y n t h e t i ce v a l u a t e sr e s u l t so f d i v e r s i o na n dd r a i n i n gi nt h ep r o j e c ty a n g s h u p uh a r b o u rp u m p i n gs t a t i o n d i v e r s i o nf r o mt h ef o c u so nt h eb a s i cc o n d i t i o n so fd i s p a t c h i n gi nt h ep r o j e c t s d i v e r s i o na n dd r a i n i n g t h r o u g ht h e s t u d ys u g g e s tt h a t t h eb i d i r e c t i o n a l i n e r t i a l - f l o wp u m p i n gs t a t i o nm e e t st h er e q u i r e m e n to fd i v e r s i o na n d d r a i n i n gi n r e g u l a t i o no fr i v e ri ns h a n g h a i i th a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oe n s u r et h e s a f e t yo ff l o o dc o n t r o l ，i m p r o v et h ew a t e re n v i r o n m e n ta n dt h eb u i l d i n go f s u s t a i n a b l ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t i tc a nb er e g a r d e da st h er e f e r e n c eo f f l o o d g a t ec o n s t r u c t i o no f t h ep u m p i n gs t a t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：r e g u l a t i o no ff i v e r ，p u m p i n gs t a t i o n , n u m e r i c a lm o d e ，h y d r a u l i c m o d a l ，e v a l u a t i o no f r e s u l t 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 毯过垒 2 0 0 6 年9 月1 0 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 6 年9 月1 0 第一章绪论 第一章绪论 1 1问题提出及探讨意义 1 1 _ 1 问题的提出 环境保护是可持续发展的基础，随着我国国民经济快速的发展，环境问题更 是日益突出。环境与发展相互依靠，相互促进。环境是人类赖以生存和发展的基 础，发展是促进环境保护的前提条件。水环境是环境保护中的重要一项。尤其是 近几年来，面对不断加剧的水资源危机，世界各国都进行了一系列的改革活动， 以建立适应可持续发展要求的现代水资源管理体系，突出表现在变水资源的“供 应管理”为“需求管理”，”突出水质管理和水环境保护的重要性，强调水资源 综合管理的地位和应用。 水环境问题是上海环境保护当中的重中之重的工作，因此近几年上海市在解 决水安全问题的同时兼顾水环境的治理，如在河道整治中不仅要求中小河道的排 涝标准达到2 0 年一遇标准，黄浦江苏州河达到千年一遇标准、一线海塘达到2 0 0 年一遇标准等，同时在河道整治中要求同时进行截污治污、生态恢复，美化周边 环境等，经过几年的努力，以苏州河整治为例，中小河道的整治初见成效，中心 城区骨干河道基本消除黑臭。下一轮的五年行动计划当中要进一步巩固取得的成 绩，不断地提高水环境的质量。1 本文研究的杨树浦港泵闸工程就是在确保水 安全的同时兼顾水资源调度而兴建的双向泵闸。 i i 2 工程建设背景 兴建杨树浦港泵闸工程是地区排水确保水安全的要求。上海地处长江三角洲 东南端，太湖碟形洼地东缘，属于地势低平的平原赶潮河网地区，河道纵横交错， 水面积较多，随着近年来上海城市发展填没了大量的河道，上海市的水面率也急 剧下降，从1 9 8 4 年的8 4 下降到目前的6 4 ，河道储蓄能力急剧下降，需要新 建泵站进行强排水，以确保地方防汛安全。 兴建杨树浦港泵闸工程是改善水质的要求。由于上海市内河相互连通，流向 不定，水动力不足，水流缓慢，河流自净能力差，再加上近年来水体人为污染加 重，很多污水未经处理就排入河道，造成河道水体黑臭，大大影响了上海的可持 续发展。上海市进行的综合调水就是利用潮汐和泵站的动力，通过群闸群泵的调 塑查垄主兰堡主兰堡笙查 度让上海市内河水流动起来，促使内河水体定向、有序流动。以增加河网水体的 更换次数，从而达到改善内河水质的目的。 因此，上海地区需要安装能引水和排水的双向泵站。目前，上海地区现有地 泵站几乎均为单向排水泵站，根据目前上海地区防洪排涝和引清调水的需要，今 后需要建设一批双向引排水功能的泵站。 1 1 3 上海市的河道水闸状况 上海市河网密布，水量丰沛，全市共有大小河道2 4 万条，总长2 2 万多公 里。河网平均密度每平方公里3 7 5 公里，全市河道面积5 3 2 平方公里，河面率 为8 4 ，全市水域面积4 0 5 平方公里。占全市总面积的6 4 。全市河道中市管 河道共有4 3 条，总长度为6 4 0 公里，区县管河道2 8 1 条段，总长约2 5 5 2 公里。 本市内河航道有2 1 0 条，航道里程约2 1 0 0 公里，其中通航7 级以上的航道4 5 1 2 公里，7 级航3 2 5 8 公里，7 级以下航道1 3 3 2 公里。黄浦江江宽水深，终年不冻。 是上海的水上交通要道。市中心城区共有河道2 0 i 条段3 3 5 公里，分布在阐北、 杨浦、普陀、徐汇等1 0 个区。一1 上海市共有水闸1 8 2 6 座，其中市、区( 县) 管理水闸共2 5 9 座。这2 5 9 座 水闸分布在全市的1 1 个水利控制片中，除了4 l 座由上海市堤防( 泵闸) 设施管 理处直接管理外，其余的2 1 8 座水闸分别由1 3 个区县水闸管理单位管理。各区 县水闸管理部门在业务上受水利处的指导。2 5 9 座水闸中有t 3 7 座为通航水闸， 通航水闸的收费按有关规定执行，并实行收支两条线制度。在本市骨干河道如苏 州河、大治河、淀浦河、蕴藻浜等河道上的水闸多为l o 米以上孔径的枢纽水闸。 多年来，本市水闸在了防洪、排涝、挡潮、引水灌溉、调控水位、便利航运等方 面发挥了综合功能。 l ，1 4 杨树浦港水系状况 杨树浦港、东走马塘、虬江三条相互连通的河道组成规划保留的城市骨干内 河水系，担负着城市小区排水的承接和延续的任务，汇水面积3 4 k m 2 ，河道总长 度约1 7 z 2 觑，箕南端和东端分别由杨树清港、盐江和黄浦江相连，形成独立 水系。杨树浦港虬江水系位于杨浦区中心地带，人口密集，经济发达。杨树浦 港虬江水系是杨浦区的骨干河道，目前，杨浦区河面率仅为1 1 5 ，河道的调 蓄能力严重不足，原有的外围翻水泵站排涝动力严重不足，原有水闸设备陈旧， 2 第一章绪论 与地区城市建设日新月异的面貌和经济建设的高速发展以及人民群众改善生活 质量的迫切要求极不适应。城市小区雨水系统泵站排水能力与外围河网的蓄、排 水能力之间的矛盾日益突出，地区防汛除涝形势极为严峻。河道沿岸单位和居民 强烈要求改变河道现状和提高防汛除涝安全保障。加快杨树浦港虬江水系整治 工程进程，对减轻迫在眉睫的区域除涝排水压力非常必要，而且十分迫切。 杨树浦港泵闸位于市内杨浦区杨树浦港河道原杨树浦港水闸外侧、靠近黄 浦江的河口处，属黄浦江西岸综合开发规划控制区。杨树浦港泵闸位属上海城市 总体规划中的中心城区，具有人口密集、经济密集、建筑密集、资产密集的特点。 实施杨树浦港水系综合整治工程，可以提高河网水系在暴雨期间的行洪排涝能 力，具有明显的防洪除涝减灾效益。同时发挥工程的引水调度作用，可以调活水 体、改善水质，从而改善城市生态环境，提高人民生活质量。p 1 同时，杨树浦港河道的整治亦是为保证杨浦区乃至上海全市的水资源合理配 置、保护及可持续利用的需要。城市河道的整治运用不仅要考虑兴利和防洪，还 应考虑水质处理，以符合生态环境保护要求，发挥远期效益。 杨树浦港泵闸工程是上海市政水利工程中重要的工程之一，利用这一工程进 行河道整治，对于提高市民生活质量，促进地区开发和发展，具有巨大的经济、 社会和环境效益。杨树浦港泵闸工程的主要功能除防洪、排涝、引水外，同时还 符合黄浦江两岸综合开发规划的要求。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外双向贯流泵情况 杨树浦港泵站是闸站结合的工程，泵站承担杨树浦港水系的排涝和从黄浦江 引水对整个水系进行冲污的任务，为此泵站具有双向运行的要求。【6 j ( 1 ) 双向运行的水泵有多种型式 “x ”型流道的轴流泵。因为该种型式的泵站，出水流道有很大的死水区、 漩涡，水力损失很大，水泵装置效率不高，正在逐渐被新型泵替代。并且“x ” 型轴流泵需要建设地面厂房，不适合在市区设置。 采用单向运行的贯流泵。该水泵可快速调头反装后实现双向运行。该种型式 的水泵缺陷是每次相反方向运行都须调头安装很不方便，水泵两端密封要求高， 无运行经验。 河海大学_ t - 程硕士学位论文 叶片旋转1 8 0 。的水泵。将水泵叶片旋转1 8 0 。的后，叶轮转速和方向不变， 实现双向运行的要求。该种型式的水泵最大缺陷是，叶片调节机构复杂，容易损 坏和漏水。南京新秦淮河泵站已将该种型式的水泵更换为“s ”型叶片的贯流泵。 “s ”型叶片的贯流泵是一种较为新型的水泵川，利用“s ”型叶片通过叶轮 双向转动，实现双向运行的要求。虽然应用的泵站不很多，但它具有贯流泵的流 道平顺，型线简单，运行管理方便，双向运行水泵装置效率较高的优点。 经过综合分析本泵闸的水泵选用“s ”型叶片的贯流泵。 ( 2 ) 国内外s 型叶片的贯流泵生产和研制情况 根据对国内外有关制造厂的情况了解，s 型叶片的贯流泵生产和研制情况如 下： 国外生产贯流式水泵的制造厂比较多，如欧洲的安德里茨公司、原荷兰的 s t o r k 公司、日本的荏原公司和日立公司等。 在潮汐水电站中，因为水头( 扬程) 很低，都采用贯流式。同时由于通常直 径较大，通常为灯泡贯流型式吲。这种水电站通常都要双向运行，所以都是s 型 叶片。从水力机械设计原理，两者是相同的，型式也都是s 型，但在具体的叶片 型线上是有所区别的。潮汐水电站的双向机组效率比较高，如法国的朗斯潮汐电 站。全国水泵情报网的网站介绍该电站情况如下： 法国从1 9 5 7 年起曾研制几种双向流水的灯泡式机组，并经实际运行取得经 验逐步改进。开始试制的机组，反向运行时要转动叶片2 1 5 。，后来改变叶型为 s 形断面后，叶片只要转动5 。3 5 。即可。 朗斯潮汐电站所装2 4 台各1 万k w 的灯泡式机组，口径5 3 5 0 m m ，转速9 3 7 5 转分钟。转轮与灯泡内的电机直联，不用变速装置。电机直径4 3 5 0 m m ，可作发 电机或电动机用。灯泡内用2 个大气压的空气冷却，并利用灯泡外的水流冷却。 此种机组可以双向转动和双向流水，适应六种运行情况； 正向或反向发电，水头范围3 l l m ，出力3 2 0 0 1 0 0 0 0 k w ； 正向或反向抽水，扬程范围1 6 m ，输入功率1 0 0 0 0 k w 时，各种扬程的抽水 流量如下： 第一章绪论 i 扬程( m ) l23456 i l 流量( m 3 s ) 2 2 51 9 51 7 0 1 5 0 1 2 5 1 0 0 i 正向或反向过流泄水。 朗斯潮汐电站自1 9 6 7 年开始运行以来，已有多年经验，对各种方式都经实 际运行，情况良好。 这种灯泡式机组，也可适应排灌两用，抽水与发电两用，而且抽水能力相当 大，达1 0 0 2 2 5m 3 s 。不过朗斯机组是以发电为主设计的，正向作为水轮机用 时最高效率达8 7 ，反向作为水泵用时最高效率为6 6 。如果考虑以抽水为主， 对转轮叶型加以适当修改，有可能提高作为水泵用时的效率。 国内已运行的s 型叶片水泵有南京新秦淮河泵站、天津排灌处的一座泵站、 浙江湖州的一座泵站，及上海嫩江泵站。据有关资料介绍，新秦淮河泵站的s 型 叶片水泵效率还可以，天津泵站的水泵现场测试效率不理想，湖州泵站无实测数 据。 国内s 型叶片水泵的最早研制单位是北京水利科学研究院。该院完成了s 型 叶片的贯流泵和斜1 5 。轴流泵的水泵装置模型试验，通过了太湖局和水利部有 关单位的验收。在此基础上江苏省进行了南京新秦淮河泵站的改造工作，将原采 用水泵叶片旋转1 8 0 。后实现双向运行的卧式泵改为s 型叶片的贯流泵。天津和 湖州泵站采用了江苏科研单位的s 型叶片水泵模型。 根据上述情况介绍，s 型叶片的贯流泵是今后低扬程双向泵站的发展方向， 并且在国内已有一定的设计、制造和运行经验。根据上海嫩江泵站完成原型水泵 装置的试验台试验，比较清楚全面地了解s 型叶片的贯流泵参数，该水泵的参数 是满足泵站设计规范要求的。 1 2 2 水资源调度的实践和发展趋势 ( 1 ) 防洪调度( 排涝调度) 防洪调度是一项十分重要的调度措旌，用来满足供水、灌溉、发电、航运等， 其核心是“拦蓄洪水，削减洪峰”。河道的防洪调度由于水位变化起落比较迅速， 一般通过设置防洪标准( 警戒水位) 来控制。并因地制宜地采用恰当的工程措施， 以削减洪峰流量，或者加大河床的过水能力，保证安全度汛。其措施包括筑堤、 河海大学工程硕士学位论文 疏浚、分洪、滞洪和蓄洪等措施。如当有暴雨的预报时，在落潮时利用水闸提前 预降内河水位，此举亦是上海常用的防洪调度措施之一。 ( 2 ) 引水调度 采用引清调水改善河道水质是国内外普遍采取的行之有效的措施之一，如四 川成都的府南河，原来从都江堰调水，现在兴建了紫坪埔水利枢纽往府南河引水 冲污，改善了水质，使河水变清。广东省佛山市1 9 8 0 年就兴建了引水冲污工程， 使通过市区的受污染的汾江水质得到较大改善。广东省中山市利用东西两河道潮 差，引海水冲污，使横贯市区污染严重的岐江河达到了景观水要求。美国为改善 和恢复芝加哥河的水质，建造了总长为1 1 3 公里的人工运河，把密执安湖水引入 芝加哥河，以增加河水的径流量，改善河流水质。日本为恢复隅田川水质，引清 洁的利根川水，使隅田川流量增加了3 5 倍，水质得到了改善。国内外污水治 理的成功经验表明，引清调水是一项改善水环境成本低见效快的有效措施。 上海地处长江三角洲东南端，太湖碟形洼地东缘，属于地势低平的平原感潮 河网地区。区内河流相互连通，流向不定，水动力不足，水流缓慢，河流自净能 力差；再加上近年来水体人为污染加重，很多污水未经处理就排入河道，造成河 道水体黑臭，大大影响了上海的可持续发展。我市进行的综合调水就是利用潮汐 动力 9 1 ，通过群闸群泵的调度让上海市内河水流动起来呻1 ，促使内河水体定向、 有序流动，以增加河网水体的更换次数，从而达到改善内河水质的目的。 泵闸类型多种多样，泵闸设计的优劣，直接影响其正常运行及工作效率等。 尤其对于大型、重要的泵闸，设计时需要进行多个方案的比较及试验研究，以确 保泵闸安全、高效运行。为此，论文从数学模型推导着手，自行研制开发了水力 特性模拟软件，模拟泵闸不同的进出水流态，在此基础上，对泵闸进出水流的水 力特性进行比较，优化水力计算，根据泵闸的引排效果要求，模拟提出最佳可行 方案，并通过物理模型予以论证。最后对建成后的泵闸的排涝引水效果进行综合 分析。 1 3本文研究内容和研究方法 杨树浦港河口位于上海市黄浦江黄浦公园水文站下游，工程位于杨浦区境内 杨树浦港河道、靠近黄浦江的河口处，距河口约1 3 0 m 。工程主体建筑物由泵站 节制闸、内外河翼墙及管理区等组成。 第一章绪论 本文首先介绍工程建设的背景及工程概况，然后根据计算流体力学理 论，利用数学模型对结构部分进行分析结算，弄清工程结构的合理性，并且 利用物理模型的泵站引排试验，结合建成后的工程运行实际情况，分析工程 引水排涝的情况，比较工程实施前后环境及社会效益，最后综合分析前景及 展望。 论文主要由六大部分内容组成，主要研究内容及章节安排如下： 第一章简要说明本文问题的提出及研究意义，对杨树浦港泵闸工程的意义 进行简要论述，提出本文的研究目的与研究内容。 第二章杨树浦港泵闸工程的基本情况。主要介绍了杨树浦港泵闸工程所在 流域概况、工程方案以及工程的必要性、重要性等。 第三章数学模型计算分析。详细介绍了数学模型的建立，包括：基本方程、 边界条件、数值求解及有关问题的处理，而且详细介绍了双向贯流泵的数学模型 以及计算步骤和计算流程。利用数值模拟分析，研究双向贯流泵组对泵站设计流 道引水排涝的合理性。 第四章物理模型试验论证。”通过物理模型论证研究杨树浦港泵闸引水 排涝工程的技术方案可行性，通过各种拟定方案的比较，分析计算最佳工程措施 及参数以满足工程引水排涝设计要求。 第五章工程引水排涝效果的综合评价。在对工程实际运行情况了解的基础 上，着重从工程的引水排涝调度及环境、社会效益综合评价了杨树浦港泵闸引水 排涝工程效果。 第六章结论与展望。对本文的研究工作和成果进行小结。 河海大学y - 程硕士学位论文 第二章工程基本情况 2 1河网流域概况 上海地处长江三角洲冲积平原东缘，濒江临海，河网密布，是典型的感潮平 原河网地区。全市河网相连，纵横交错，形成网络，历来为城乡取水、引排水、 航运、灌溉、涵养水源和维持生态提供了必要的和极为有利的条件。 由于上海所处独特的地理位置和自然环境，三面l 临江靠海，一面与太湖水系 紧密相连，城乡洪涝压力很大。根据地貌、气象、水文等基本条件类似的地区划 分成嘉宝北片、蕴南片、淀北片、淀南片、浦东片、青松大控制片、太北片、太 南片、浦南东片、浦南西片、商榻片、崇明岛片、长兴岛片、横沙岛片共1 4 个 自然片。 上海河网大多属黄浦江水系，黄浦江源自太湖，目前全市共有大小河道2 3 7 万条( 不包括小沟汉、全封闭的小河道和崇明的泯沟) ，总长2 1 6 万公里。河网 平均密度每平方公里3 7 5 公里，水域面积( 不包括长江口) 4 0 5 平方公里，占全 市总面积的6 4 ，其中市管河道4 3 条段，总长约6 5 0 公里；郊区骨干河道2 8 1 条段，总长约2 5 5 2 公里。本市内河航道有2 1 0 条，航道里程约2 1 0 0 公里，其中 通航6 级以上的航道4 5 1 2 公里，7 级航3 2 5 8 公里，7 级以下航道1 3 3 2 公里。 黄浦江江宽水深，终年不冻，是上海的水上交通要道。市中心城区共有河道2 0 1 条段3 3 6 公里，分布在闸北、杨浦、普陀、徐汇等1 0 个区。 2 2工程的必要性 杨树浦港、东走马塘、虬江三条相互连通的河道组成规划保留的城市骨干内 河水系，担负着城市小区排水的承接和延续的任务，汇水面积3 4 1 a n 2 ，河道总长 度约1 7 7 2 k ，其南端和东端分别由杨树浦港、虬江和黄浦江相连，形成独立水 系。杨树浦港虬江水系位于杨浦区中心地带，人口密集，经济发达。与之相反， 由于城市化的发展，市区水面率急剧减少，目前，杨浦区水面率仅为1 - 1 5 ，杨 树浦港虬江水系河道的调蓄和排水能力严重不足，原有的外围翻水泵站排涝动 力严重不足，原有水闸设备陈旧，与地区城市建设日新月异的面貌和经济建设的 高速发展以及人民群众改善生活质量的迫切要求极不适应。城市小区雨水系统泵 第二章工程基本情况 站排水能力与外围河网的蓄、排水能力之间的矛盾日益突出，地区防汛除涝形势 极为严峻。河道沿岸单位和居民强烈要求改变河道现状和提高防汛除涝安全保 障。加快杨树浦港虬江水系整治工程进程，对减轻迫在眉睫的区域除涝排水压 力非常必要，而且十分迫切。 2 3工程概况 杨树浦港河口位于黄浦江黄浦公园水文站下游约5 4 k m 处。通过黄浦江受潮 汐影响，但受水闸控制，涨潮时引水，当闸前达到一定水位时关闸挡水。由于邻 近大水体黄浦江，一方面防洪( 潮) 压力大，另一方面黄浦江有规律的潮汐运行为 本地区的引、排水和水资源调度提供了优越条件。 杨树浦港是黄浦江的支流，北与东走马塘相连，南接黄浦江，河道全长 4 7 2 k m 。杨树浦港泵闸工程是杨树浦港虬江水系整治工程的重要组成部分，担 负着抵御黄浦江高潮位的侵袭和外排内河涝水、引黄浦江水冲污的任务。工程位 于上海市杨浦区境内杨树浦港河道原杨树浦港水闸外侧、靠近黄浦江的河口处， 距河口约1 3 0 m ，是杨树浦港虬江水系整治工程的重要组成部分。节制闸的主要 功能为挡潮、引潮( 杨树浦港节制闸引水，虬江节制闸排水以改善内河水质) 、排 涝、维持内河水位等，无通航要求。因此，本工程的主要功能除防洪、排涝、引 水外，同时符合黄浦江两岸综合开发规划的要求。 | 2 - 1 5 1 2 4工程布置及建筑物结构 杨树浦港泵闸工程主体建筑物由泵站，节制闸、内外河翼墙及管理区等组 成。泵闸址处左岸为兰州路港务分公司防汛墙，右岸为杨浦区环卫局码头，其地 理位置见图2 - 1 所示。 1 6 - 1 s 1 河海大学工程硕士学位论文 图2 _ 1 杨树浦港泵闸工程位置图 杨树浦港节制闸位于河道东侧，工作门门型为下卧式平面钢闸门，采用液压 式启闭机起吊。4 台泵布置在河道西侧。 节制闸规模为单孔，净宽8 m ，功能是挡潮、排涝和引水。闸室长2 3 1 m ，宽 1 1 5 m ，闸墩厚1 2 5 m ，底板项高程一1 0 m 一2 0 m ，底扳厚1 4 0 m 。工作门铰中 心线距闸首外河侧约1 0 o m ，内、外河侧都预留了检修门槽，离闸首内、外河侧 分别为0 9 9 m 和1 0 m 。外河侧闸墩顶高程7 0 m ，内河侧闸墩顶高程5 7 4 m 5 o m 。 工作闸门为下卧式平面钢闸门，外形尺寸为( 宽高8 9 r e x 8 4 m 。闸门底槛 高程为1 o m 。卧倒门设置两个安装在河床底部的铰座，闸门绕该铰座的铰轴转 动，铰轴轴承采用自润滑关节轴承。节制闸关闭时的闸门位置向黄浦江侧倾斜 7 0 度。 闸门顶部设5 个高0 4 m 的破水器，侧墙设掺气槽，当内河侧水位高于外河 侧时，闸门启闭时将水幕分开，使门下空腔与大气连通。当闸门卧倒时，闸门的 最高部位( 面板) 与闸门段内河侧河底高程齐平，闸门卧倒时的底部设缓冲垫块并 与闸底板留一定距离，预防淤积影响闸门的工作。 # 底淤积采用两种方式解决，一种是利用内河常水位，外河低潮位时的水位 差，开启冲淤阀过流冲淤，一种是在门底淤积较严重时，用高压水管强制冲淤。 4 台贯流泵布置于节制闸西侧，单泵流量5 m 3 s ，主要功能为排涝或引水。 水泵进出流道净宽3 2 m ，机组间隔礅宽1 0 l l l ，边墩宽1 5 m ，站身垂直水流方向 1 0 第二章工程基本情况 宽度为1 8 8 m ，顺水流方向长度为2 7 7 m 。 节制闸闸首采用钢筋混凝土整体坞式结构。消力池为复式断面，池底高程 一2 0 i i l ，护坦为钢筋混凝土结构，海漫段底高程一1 o l i l ，护底为浆砌块石，并在纵 横向间隔l o m 左右设置了素混凝土埂，护岸为高桩承台挡土结构。防冲槽采用抛 石结构。由于现有河床表面有厚约4 m 左右的淤泥，内外河防冲槽之间，采用挖 除后换填的地基处理方法。防冲槽以外，淤泥不挖除，采用先铺一层软体排，再 平抛一层石料的保护方法，保护范围为防冲槽以外2 0 m 。内外河底高程0 o m 。 本工程采用双向“s ”型叶片双向贯流泵装置，实现汛期从杨树浦港向黄浦 江排涝与枯水期从黄浦江向杨树浦港引水的功能。 泵站选用4 台“s ”型叶片的双向贯流泵组，排涝工况设计总流量为2 0 0 ( 4 5 0 ) m 3 5 ，叶轮直径在1 4 m 左右，电机采用潜水电机，其功率约4 0 0 k w 。 泵站由进水池、地下泵房、出水池等部分组成，进出水池与节制闸共用，泵 站不设地面泵房，4 台水泵一字排开卧式布置在地下泵房内，地下泵房净宽6 8 m ， 长约1 8 8 m ，每台泵组在泵房顶设吊物孔。泵站流道的进出水口分别设有一道工 作闸门，孔口尺寸( 宽高) 为3 2 m x 2 4 m ，在内河侧设有回转式清污机，外河 侧设活动式拦污栅。 2 5环境保护设计 本工程建设对环境产生的影响不大，主要集中在施工期，且是局部和短暂的， 并可采取措施予以减免。1 1 9 工程实施后可直接引入水质相对较好的黄浦江水， 调活水体，加快水体推移和置换，提高河网自净能力，较大程度地改善水质，消 除河水黑臭现象，对环境带来长期的有利影响，具有显著的社会效益、经济效益 和环境效益。 本工程选用的双向“s ”型叶片贯流泵是目前国际国内最新技术，不但布置 简洁、自动化程度高、管理运行方便，而且符合环保节能的要求。泵站各设备所 选用的电动机均为节能型产品；变压器选用低损耗电力变压器。泵站建筑材料选 用密封好、保温隔热材料，照明选用光效高、显色性好的光源及配光合理、安全 高效的灯具。卫生洁具采用节水型。 河海大学工程硕士学位论文 第三章数学模型计算分析 随着计算流体力学( c f d ) 的发展与应用，发达国家对各类工程流体力学问题 的研究一般都采用以计算为主、试验为辅的办法，基本上能避免带有盲目性的试 验。从二十世纪八十年代起，对c f d 的研究和应用在国内得到了很大的重视和快 速发展。c f d 在泵站进水流道水力设计方面也已开展了一些工作l ”l ，对流道水力 设计理论的发展和应用起到了一定的促进作用。 泵组是泵站的核心装置，是泵站能否满足功能要求的关键所在。本文对杨树 浦港泵站流道水流流态采用数模计算，运用计算流体力学建立流道内水流运动数 学模型，通过数模计算分析，提出合理的进出口流道型线、合理的电机外壳尾部 型线以及较合理的流道进出口淹没深度。然后通过泵站模型试验加以验证改进， 满足双向贯流泵站引排水流量功率的要求，符合工程设计引清排涝的各项指标的 需要，从而实现杨树浦港泵站汛期排涝，维持内河水位；枯水期引水，改善内河 水质的任务。 2 h 3 1 研究内容 3 1 - l 计算条件 杨树浦港泵站选用4 台“s ”型叶片的双向贯流泵组，排涝工况设计总流量 为2 0 0 ( 4 x 5 0 ) m 3 s ，叶轮直径在1 4 i 左右，电机采用潜水电机，其功率约 4 0 0 k w 。 泵站由进水池、地下泵房、出水池等部分组成，进出水池与节制闸共用，泵 站不设地面泵房，4 台水泵一字排开卧式布置在地下泵房内。地下泵房净宽6 8 m ， 长约1 8 8 m ；每台泵组在泵房顶设吊物孑l 。泵站流道的进出水口分别设有一道工 作闸门，孔口尺寸( 宽高) 为3 2 r e x 2 4 m ，在内河侧设有回转式清污机，外河 侧设活动式拦污栅。 泵站特征水位及扬程见表3 1 与表3 2 。 第三章数学模型计算分析 表3 - 1 泵站特征水位表 工况排涝工况引水工况 进水池出水池进水池出水池 ( 内河)( 黄浦江)( 黄浦江)( 内河) 最高运行水位( m ) 4 6 75 4 83 1 l4 0 0 设计水位( m ) 2 0 05 0 62 2 13 2 0 最低运行水位( m ) 1 5 01 5 01 2 72 0 0 表3 - 2 泵及泵站扬程表 工况排涝工况引水工况 扬程净扬程泵扬程净扬程泵扬程 最高扬程( m ) 3 5 64 1 62 7 33 3 3 设计扬程( m ) 3 0 63 7 00 9 91 6 3 最低扬程( m ) o 0 00 7 50 7 31 4 8 3 1 2 计算分析内容 泵站拟采用的流道型线图如图3 - 1 图所示；1 2 2 图3 1 双向贯流泵流道型线示意图 数模计算分析内容包括： ( 1 ) 计算分析流道中方变圆段扩散角的合理取值； ( 2 ) 计算分析比较进( 出) 口断面平面尺寸为3 2 0 0 m m 与3 0 0 0 t m 的流动情况 ( 3 ) 计算分析推荐电机外壳出水喇叭口尺寸； ( 4 ) 计算分析流道进出口的淹没水深，提出最小淹没水深要求； 河海大学工程硕士学位论文 ( 5 ) 计算分析两种电机段尺寸方案下流动情况：a 、电机段长度1 6 7 5 m m ，电 机电缆出线口管径1 5 0 m m ；b 、电机段长度1 0 0 0 m m ，电机电缆出线1 ：3 管 径5 0 0 响： ( 6 ) 电机内径减小1 5 0 m m 下的流动情况。 3 2 进、出水流道水流数值模拟计算 3 2 1 数学模型 1 、控制方程 采用三维不可压缩雷诺平均n - s 方程作为紊流的控制方程，对该方程采用二 方程进行闭合。本课题研究中采用的紊流模型为标准七一占模型1 2 3 1 ，控制方程如 下： ( 1 ) 连续方程 型：o 揪 ( 2 ) 动量方程 等= z 一吉孚d x + 毒f ( v + v f ) ( 善d x + 詈) 】呶。p d 3 c ，!出。 ( 3 ) 紊动能方程( k 方程) 警：最+ 【( v + 与一s 呶i盘io k 积， ( 4 ) 紊动能耗散率方程( 方程) 警= g 量最+ 昙眇+ 砻毒卜e ：譬 其中，玩( = 1 ，2 ，3 ) 为沿t 方向的雷诺平均速度分量，最为紊动能产生率， 根据下式计算：最：h 串+ 孚) 警，式中k 为紊流粘性系数。在近壁处，采用 o x 鲫蕊 公式计算紊流粘性系数：q = q 等 标准尼一s 模型中的常数取为： 1 4 第三章数学模型计算分析 巴= o 0 9 ，o k = 1 0 ，o e = 1 3 ，e 1 = 1 4 1 ，e 2 = 1 9 2 。 上述四个方程可以写成统一的守恒形式： v ( p v 纠= v ( r p v 伊) + & 其中，妒为通用变量，当分别取( 1 ，矿，k ，g ) 时可以相应得到前面四个控制方程， 此时扩散系数l 和源项分别取各自不同的形式。 2 、边界条件 边界条件的正确和适当给定是计算能否成功的首要前提条件。计算中将流道 与前池( 出水池) 结合为一体计算。在本课题研究中，对进水流道而言涉及进口、 出口、固壁与自由表面等四类边界条件；对出水流道可设置类似的边界条件。 ( 1 ) 流场进口 进水流道水力计算时，流场进口设置在前池、进水流道前。给定设计进口流 量。流场进口断面尚需给出水流紊动能量及其耗散率边界条件，按经验公式计算 如下： k = 0 0 3 “- - 。2 占= k 15 0 0 0 5 l 其中，瓦和l 分别表示进口速度和特征长度。 ( 2 ) 流场出口 计算流场的出口设置在水泵叶轮室进口断面，为充分发展紊流。一般认为： 上游的流动状态可以影响下游方向的流场；而下游边界的流动状态，可以认为影 响不到上游方向的流场。实验表明，在额定工况下，水泵叶轮转动所引起的环量 对水泵叶轮室以前的流场没有影响。因此，流场出口的边界条件可采用垂直该断 面方向的压强梯度等于o 。 ( 3 ) 固壁边界 前池底部、进水流道边壁等处均为固壁，其边界条件按固壁定律处理。固壁 边界条件的处理中对所有固壁处的节点应用了无滑移条件，而对紧靠固壁处节点 的紊流特性，应用了对数固壁函数处理。由于标准k - p ，紊流模型仅适用于完全 紊流区，尚不能准确描述离固壁很近处的流动状态，因此采用固壁函数处理。 固壁处的摩擦速度可表示为： 河海大学工程硕士学位论文 玑：旦 砌( ； ) d 式中，气为靠近固壁单元的中心至固壁的距离，d w 为固壁的绝对粗糙度，材。 为该单元平行于固壁的速度分量。 k 和s 可分别表示为： 拈薷 u 3 。 k z w ( 4 ) 自由表面 前池的表面为自由水面，可忽略水面风引起的切应力及与大气层的热交换， 则自由面对速度和紊动能均可视为对称平面处理，即“刚盖假定”。而紊动能耗 散率为： s ：! 正丛： k 心s + c b e d 、 式中，为靠近自由表面单元的中心至自由表面的距离，也为该单元的紊动能量， c b u = o 0 7 。 3 2 2 计算网格生成与控制方程的离散 计算流体力学的发展，除了依赖于计算机和数值计算方法的发展外，在很大 程度上依赖于网格生成技术的发展。随着计算流体力学需解决的问题越来越复 杂，对网格生成技术的要求越来越高。网格生成技术总体上包括结构网格与非结 构网格( u n s t r u c t u r e dg r i d s ) 。结构网格有直角坐标网格、极坐标网格与贴体坐 标网格，其中，贴体坐标网格包括统一贴体网格( u n i f i e db o d y f i t t e dg r i d s ) 、 迭合网格( o v e r l a p p i n gg r i d s ) 、多块贴体网格( m u l t i b l o c k b o d yf i t t e dg r i d s ) 等。当计算对象外型较复杂时，倾向于采用非结构网格。本次计算对象外型不很 复杂，因此采用结构网格。 控制方程在结构网格上离散，采用有限体积法( f v m ) ，可保证因变量在每个 网格上守恒。采用有限体积法可以在网格比较稀疏的情况下也能得到准确的 1 6 第三章数学模型计算分析 积分守恒。因变量矿在任一控制体的值与相邻控制体的妒值有关，它们的关系可 用下式表示：巾。：aee+aww+ascbs+ass+ann+alcdl+s， r n e 七q w + d n 七d s 七n h + a l + n p 式中、唧、畸、吒分别为控制体各相邻网格点的系数，这些系数 的大小与网格的体积有关，它们表示控制体各相应交界面上对流和扩散作用产生 的对网格点上有关因变量的影响。 3 2 3 计算工况 1 内河侧流道水流流动数值计算工况 内河侧流道在排涝工况为进水流道，在引水工况为出水流道。内河侧流道选 取如下计算工况： 计算工况号前池( 出水流道宽度流道渐变段水流方向流量 池) 水深( m ) ( m )长( m ) ( m 3 s ) n 13 23 22 5前池一流道5 o n 23 73 22 5前池一流道5 o n 33 23 02 5前池一流道5 o n 43 23 23 o前池一流道 5 0 n 53 73 23 0前池一流道5 0 n 63 23 o3 o前池一流道5 0 n 73 73 22 5流道一出水池5 6 n 84 93 22 5流道一出水池5 6 n 93 73 o2 ，5流道一出水池5 6 n l o3 73 23 o流道一出水池5 6 n 1 14 93 23 0流道一出水池5 6 n 1 23 73 o 3 0流道一出水池 5 6 2 外河侧流道水流流动数值计算工况 外河侧流道在排涝工况为出水流道，在引水工况为进水流道，流道内有电机 壳体。外河侧流道选取如下计算工况： 河海大学工程硕士学位论文 计算工况前池( 出流道宽度流道渐变水流方向流量电机壳 水池) 水( m )段长( m ) ( m 3 s ) 体长度 深( m ) ( 咖) w 13 o3 2 2 5前池一流道5 62 6 7 5 w 2 3 9 3 2 2 5前池一流道5 62 6 7 5 w 33 03 0 2 5前池流道5 62 6 7 5 w 43 03 24 o前池一流道5 62 6 7 5 w 53 93 24 o前池一流道5 6 2 6 7 5 w 63 o3 04 o前池一流道5 6 2 6 7 5 w 73 o3 2 2 5前池一流道5 62 0 0 0 w 8 3 93 22 5前池一流道5 62 0 0 0 w 93 o3 02 5前池一流道5 62 0 0 0 w 1 03 03 24 o前池一流道 5 6