福清東橋防洪工程排澇系統(tǒng)優(yōu)化設計及試驗研究（水利）
福清東橋防洪工程排澇系統(tǒng)優(yōu)化設計及試驗研究（水利）
王 挺
（福清市水利工程質量監(jiān)督站，福建福清350300）
【摘要】 本文采取傳統(tǒng)水工設計與二維數(shù)學模型相結合的方式，對福清東橋防洪工程排澇系統(tǒng)設計方案進行分析論證和優(yōu)化設計，較好地解決了原設計方案存在的問題，實現(xiàn)了工程最優(yōu)設計，其模式可供類似工程參考。
【關鍵詞】 排澇工程；優(yōu)化設計；試驗研究；數(shù)值模擬
中圖分類號：TV87 文章編號：1005-4774( 2016) 05-0016-06
龍江是福清市的最大河流，全長62km、流域面積538km2，在福清市境內河道長35. 51km、流域面積474km2。龍江干流中下游兩岸是福清市主城區(qū)，而且北岸是政治、經濟、文化中心。為確保福清市城區(qū)防洪堤能在汛期全面發(fā)揮防洪排澇功能，2005年福清市著手推進福清城區(qū)防洪排澇工程建設，作為龍江中下游福清城區(qū)防洪工程體系的主要城市排澇系統(tǒng)，東橋水閘和東橋排澇站將共同擔負起約7 km2澇區(qū)面積的城市暴雨徑流排澇，以保障城市的排澇安全。
東橋片區(qū)排澇工程排澇標準為5年一遇，最大排澇流量40m3/s。其中，排澇閘凈寬15m，閘底高程5. 50m，閘前最高內澇水位10. 36m（黃海高程，下同），閘前渠道寬度10m，河底高程5.50m。排澇泵站設計流量15m3／s，進水池的最高運行水位8. 60m，最低運行水位6. 80m；出水池的最高運行水位9.93m，最低運行水位7. 35m。
原設計東橋排澇工程平面布置如圖1所示。
2 東橋排澇工程原設計方案試驗研究
為分析論證東橋排澇工程原設計方案的合理性，利用二維數(shù)學模型對設計排澇系統(tǒng)進行試驗模擬，重點研究排澇工程進出水系統(tǒng)平面流態(tài)和垂向平均流速分布情況。
2.1 計算工況的確定
根據(jù)設計方提供的泵站調蓄計算過程線，確定了三種模擬計算工況，見下表。
2.2原設計方案模型設計
根據(jù)東橋排澇工程不同的運行工況，設計計算模型，如圖2、圖3所示。工況I：水閘和泵站同時工作，此時最大排澇流量40m3／s，其中泵站承擔15m3/s，模型邊界l給定流量40m3/s，邊界4為外江水位9.92m，邊界2為源項，排出流量15m3/s，邊界3為匯項，模擬泵站抽排至出水渠的流量15m3/s。工況Ⅱ：水閘單獨排澇，此時泵站不啟動，模型邊界為邊界1和邊界4，邊界1給定流量12. 8m3/s，邊界4給定水位7.43m。工況Ⅲ：水閘不啟動，泵站單獨排澇，模擬水閘區(qū)域斷開，泵站自然連接，邊界l給定流量15m3/s，邊界2為對應
外江水位9. 80m。
2.3 原設計方案數(shù)值模擬計算成果
通過數(shù)值摸擬計算，圖4～圖6分別繪出了原設計方案各工況平面流速分布形態(tài)。從圖中可以看出：原設計方案工況I排澇泵站進水渠局部水力集中現(xiàn)象明顯，水流在泵站進水渠分布十分不均勻，主要集中在進水渠左側，右岸局部存在明顯的回流區(qū)，泵站出水管道與出水渠連接區(qū)域，水流也明顯偏向水渠左岸，右岸局部流速僅為左岸的22%；工況Ⅱ整體上水閘流速分布形態(tài)良好；工況Ⅲ排澇泵站進水渠和泵站排澇管道出口同樣存在較明顯的局部水力集中現(xiàn)象，泵站進水渠進口處右岸局部流速僅為左岸流速的35%，泵站排澇管道出口水流則明顯沖刷出水渠左岸，并在右岸形成一個明顯的回流區(qū)。
2.4原設計方案數(shù)值模擬計算結論
從原設計方案各工況數(shù)值模擬計算成果來看，原設計方案排澇泵站進水渠及泵站出水口水流分布不均勻、水力集中現(xiàn)象明顯，存在明顯的回流區(qū)，可能會影響排澇系統(tǒng)的排澇能力，并造成局部的水力沖刷，需進行優(yōu)化；另外，原設計方案泵站攔污閘位于進水渠轉彎處，在排澇系統(tǒng)閘排時側向水流對該區(qū)域幾乎不形成作用，不利于攔污柵障礙物的自然排出，若采用該設計方案，必然需要定期對攔污閘進行人工清污，因此也需要改進。
3 排澇工程優(yōu)化設計
針對東橋排澇工程原設計方案存在的問題，現(xiàn)通過調整泵站的進水渠和出水渠體型以及攔污閘的平面位置，對方案進行優(yōu)化，優(yōu)化后的東橋排澇工程平面布置如圖7所示。
4 東橋排澇工程優(yōu)化設計方案試驗研究
為了論證優(yōu)化設計方案的合理性，再次利用二維數(shù)學模型對優(yōu)化后的設計方案進行試驗分析，計算工況同原設計方案一致。
4.1 優(yōu)化設計方案模型設計
與原設計方案數(shù)值模擬相類似，各工況對應的優(yōu)化設計方案數(shù)值計算模型分別如圖8和圖9所示，計算時，各工況模型邊界條件設置同原設計方案保持一致。
4.2優(yōu)化設計方案數(shù)值模擬計算成果
通過數(shù)值模擬計算，優(yōu)化設計方案各工況平面流速分布形態(tài)如圖10~圖12所示。從圖中可以看出：經過優(yōu)化設計后，各工況水流分布較均勻，形態(tài)良好，較原設計方案有明顯的改善；其中，工況I泵站進水渠及出水口的局部回流區(qū)消失，泵站進水渠左右岸流速相當，出水口水渠右側流速略小于左側，工況Ⅱ水流在泵站攔污閘前形成較明顯的側向流速，在閘排時清除攔污柵前的障礙物將發(fā)揮明顯作用，工況Ⅲ泵站出水口水流仍略偏向左岸，但左岸最大流速僅為原設計方案的50%，局部回流現(xiàn)象也有明顯減弱。
4.3優(yōu)化設計方案數(shù)值模擬計算結淪
從優(yōu)化設計方案各工況數(shù)值模擬計算成果來看，優(yōu)化設計方案各工況水流分布較均勻，形態(tài)良好，較原設計方案有明顯的改善，可以較好地保障排澇工程的排澇能力，改善排澇系統(tǒng)的消能防沖安全；同時，調整攔污閘至泵站進水渠進口處以后，在閘排工況下，可以利用水流的側向流動，排出攔污柵前的障礙物，改良閘泵系統(tǒng)后期的運行管理。因此，將優(yōu)化設計方案作為該次福清東橋防洪排澇工程排澇系統(tǒng)的推薦方案。
5 結 語
東橋防洪排澇工程排澇系統(tǒng)的設計建立在傳統(tǒng)水工設計與數(shù)值模擬計算相結合的基礎上，通過數(shù)值計算模型對原設計方案進行驗證分析，并針對原設計方案存在的問題提出優(yōu)化方案并進一步試驗論證，最終確定優(yōu)化設計方案為推薦方案，較好地解決了工程設計中可能隱藏的問題，實現(xiàn)了工程的最優(yōu)設計，其模式對工程設計具有重大的意義。該工程于2008年建成投入使用至今運行良好，期間在2008年“鳳凰”、2010年“南川”、2014年“麥德姆”和“鳳凰”、2015年“杜鵑”等臺風帶給福清城區(qū)強降雨的過程中，能較好地發(fā)揮排澇功能，有效防止了片區(qū)洪澇災害的發(fā)生，取得了良好的社會、經濟效益。
