排水口工程对京杭运河通航条件的影响研究

    徐建昌

    

    

    

    摘 要：排水口工程因其持续向航道中注入水流而产生横流，是一种特殊的临河工程，工程建设的科学合理对保障航道及通航安全至关重要。结合京杭运河苏北段扬州市汤汪污水处理厂扩大排水口改造三期工程，对排水口工程涉航道选址、平面布置，利用MIKIE21数值模拟软件建立数模对航道通航条件等进行分析研究，提出排水口类工程建设相关建议。

    关键词：京杭运河;排水口;航道条件

    中图分类号：U697.2? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）07-0071-04

    京杭运河苏北段沟通江、淮、沂、泗水系，全长404公里，已全部建成国家Ⅱ级航道，是北煤南运大动脉，南水北调主通道，集航运、防洪、灌溉、南水北调、生产生活用水等多功能于一体，被誉为黄金水道。京杭运河苏北段全程水位落差31米，共设有11个航运梯级，用于改善航道水流条件。纵跨徐州、宿迁、淮安、扬州4市，沿线建设有众多码头、取排水口、桥梁及管道等临跨河设施，这些工程的建设无疑对促进地方经济发展、构建综合运输体系及保障生产生活用水發挥了巨大的作用，同时亦会对京杭运河航道通航条件带来诸多影响。《航道法》实施后，航道通航条件影响评价制度的设立使得航道管理部门可以在工程建设前期尽早介入，对临跨河设施的通航技术参数审核有了较好的依据和保障。

    在所有的临河设施中，排水口工程因持续向航道中注入水流产生较大横流，是一种特殊的临河工程，对航道水流条件影响最大，若排水口布置在水面以上，对航道影响更为明显。《内河通航标准》（GB50139-2014）对排水口工程选址及布置共提出三点要求：①取排水口设施宜布置在上下游既有临河建筑物外缘线以内。②在航道和可能通航的水域内设置淹没在水下的取排水设施、船台滑道等水下临河建筑物，其顶部设置设置深度应按有关规定执行。③取排水设施的设置和作业不得造成不利的河床变化和碍航的水流。《内河通航标准》中未禁止在航道水面以上设置排水口，亦未对水面以上设置排水口提出具体布置要求。从实践来看，在航道两岸设置高出水面的排水泄水设施并不鲜见，如城市中航道驳岸上的市政排水口、长江护坡上排涝泄水管道。

    目前国内对排水口工程对航道通航条件影响的研究较少，少数的相关研究主要集中在沿江地区取排水口的水流条件等方面。京杭运河属于限制性航道，航道断面系数相对小，两岸以人工护岸为主，边坡较陡，这些与长江等天然河流属性有较大不同。

    本文以京杭运河苏北段与长江口交汇处的扬州市汤汪污水处理厂扩大排水口改造三期工程为例，通过评价其对航道通航条件的影响，各类影响因素的分析，提出排水口类工程建设涉航道的相关建议，以期能为类似工程的建设提供一定的借鉴作用。

    1工程概况

    拟建汤汪污水处理厂扩大排水口三期工程位于京杭运河苏北段最后一个梯级施桥船闸下游。施桥船闸共布置有3线船闸（见图1），其中一号船闸位于航道中心位置，建成于1961年;二号船闸位于航道最左侧，建成于1988年;三号船闸紧邻一号船闸，位于航道最右侧，建成于2011年。3座船闸平行布置，一号船闸和二号船闸中心距为150m，三号船闸和一号船闸中心距为100m。汤汪污水处理厂排水口工程建成于2004年，工程建设时，施桥船闸仅有一号船闸和二号船闸，尾水排放口距离邻近的一号船闸中心线约110m。三号船闸在排水口上游建设后，排水口上下游500m范围内工厂码头全部实施搬迁，以便设置三号船闸引航道，且保留下来的排水口其前沿原航道边线被拉直，排水口紧邻三号船闸布置，在其下游引航道区域范围内。

    现状排水口紧邻施桥船闸下游布置，位于航道右岸侧，上游紧邻某内港池码头，距施桥三号船闸闸室约200m（见图2）。

    工程位置设计最高通航水位（DHNWL）为6.83m（1985国家高程标准，下同），设计最低通航水位（DLNWL）为0.23m。

    现状汤汪污水处理厂已连续多年处于满负荷运行状态，三期工程建设迫在眉睫，且现有排水口排放能力已无法满足三期工程尾水排放需要。本工程拟利用现状排水口增大排水流量至26万m?/d，相比现状排水流量18万m?/d增加了8万m?/d。

    现状排水口为空箱结构，内接DN1600排水管道，排水口横断面尺度为10.8m×5m，排水坎顶标高为2.50m，排水管道中心标高为4.50m。从过去一年施桥船闸下游水位变化曲线图（见图3）可知，航道水位超过排水坎顶标高2.50m的天数有150天，水位超过排水管道中心标高4.50m的天数仅有1天。一年中有超过7个月的时间航道水位均在排水口排水坎顶标高以下，排水口排水长期呈瀑布式入流形态（见图4）。

    2工程对航道的影响分析

    为分析排水口工程流量增加后对航道的影响，主要从工程选址、平面布置、对水流条件的影响、对船舶通航的影响等几个方面进行分析。

    2.1工程选址

    扬州市发改委批复汤汪污水处理厂扩大排水口项目为改造工程，拟利用现状尾水排水口改造实施。上游紧邻施桥船闸三号船闸闸室，下游紧邻三号船闸调度进闸区域。从2004年建成时的河势条件、航道条件及效果评价来看，其选址位置河床稳定，水域宽阔，水深和水流条件良好，排水口工程的选址基本符合《内河通航标准》的相关要求。

    2.2 平面布置

    现状排水口采用箱式排水结构，排水坎顶标高为2.50m，位于DHNWL和DLNWL之间，排水口前沿线与航道边线齐平，当航道水位低于2.50m时，呈瀑布式入流形态。当航道水位较高时，呈淹没漫溢出流状态。《内河通航标准》对排水口提出“在航道和可能通航的水域内设置淹没在水下的取排水设施、船台滑道等水下临河建筑物，其顶部设置深度……”，规范未禁止在航道水面以上设置排水口，亦未对水面以上设置排水口提出具体布置要求，从这个角度来说，现状工程平面布置未违背规范中相关要求。但客观上，当航道水位较低时，排水口呈瀑布式入流形态会对准备进入施桥三号船闸的待闸船舶带来较大影响，在夜晚等视线不良时，安全隐患尤大。据调研，三号船闸自2011年建成后，由于排水口瀑布式入流形态对待闸船舶特别是船队带来了许多威胁，船队在经过排水口位置时受横流影响偏离待闸区，造成进闸困难，甚至会对一号船闸进出闸船舶造成干扰。

    2.3 对水流条件的影响

    为研究排水口工程流量增加后对航道水流条件的影响，以工程航段地形图为基础，采用垂向平均的二维水动力数学模型对工程附近水域进行模拟计算。通过MIKE21中SOURCES工具模拟排水口管径为DN1600时的排水状态，对流量增大后DHNWL、DLNWL分别进行计算。模型上边界为固定边界，下边界为水位边界。根据数学模型计算结果，对扩大排水口改造工程流量增大后工程河段流速及流向进行了比较分析，如图5、图6所示。

    图5? 流量增大后流场图- DHNWL

    图6? 流量增大后流场图- DLNWL

    由图5和图6可知，排水口流量增大后，在DHNWL及DLNWL工况下均形成了略指向航道下游的横流及回流。在DHNWL时，最大横流值在0.19-0.21m/s左右，在DLNWL时，最大横流值在0.32-0.36m/s左右;DHNWL时回流流速值小于0.10m/s，DLNWL时回流流速值小于0.16m/s。其中DLNWL时排水引起的最大横流值超过了《内河通航标准》及《船闸总体设计规范》中引航道内横向流速不超过0.3m/s的要求。

    2.4 横流对船舶通航的影响

    排水口工程紧邻施桥三号船闸布置，位于施桥三号船闸下游引航道右侧岸边，排水口前沿线与航道护岸前沿线齐平。从数模分析结果可知，排水口流量增大后，在DLNWL時，排水所引起的横流值超出规范要求，在DHNWL时，排水所引起的横流值及回流值能满足《内河通航标准》（GB50139-2014）及《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）中引航道内横向流速不超过0.3m/s及回流流速不超过0.4m/s的要求。

    从现场调研可知，改造工程下游紧邻三号船闸进闸待闸区，直线进闸的船舶从静止待闸状态启动时，初始航速较小，现状排水口消力池底板顶高程位于DLNWL以上，当航道水位较低时，为瀑布式排放入流，易受该排水口较大横流影响而偏离航向，会给进闸船舶带来不利影响。

    3 问题及对策

    3.1存在问题

    如前所述，扩大排水口改造工程选址受限，紧邻施桥三号船闸下游待闸区布置;且其排水口高程位于DLNWL以上，排水口前沿线与航道边线齐平，航道水位较低时，呈瀑布式入流形态;排水口流量增大后，DLNWL时排水引起的横流值亦超出了规范中的数值要求，会对航道条件及通航安全带来不利影响。

    3.2解决措施

    为解决存在的问题，本工程拟利用京杭运河施桥船闸至长江口门段航道整治工程实施的契机，对排水口工程在原址进行技术改造。

    图7? 排水口改造工程平立面图

    技术改造主要包括消力池改造及排水管更换两个方面。

    消力池改造方面：根据改造方案（见图7），排水口采用下挖式底流消能，消力池斜坡段长17m，净宽由3m逐渐扩散至8m，扩散角8.37°，消力池长10m，消力池净宽8m，池深0.5m，底板厚0.6m，消力池底板高程-1.90m，尾坎顶高程-1.40m。改造工程实施后，排水口底板及消力坎均位于DLNWL以下，消力池长度由现状的8.5m增加至27m，排水方式更为科学合理。

    排水管更换：将现有排水管道由DN1600更换为DN1800。

    3.3效果分析

    根据改造后的方案，采用垂向平均的二维水动力数学模型对工程附近水域进行模拟计算，通过MIKE21中SOURCES工具模拟排水口管径为DN1800时的排水状态，对排水口技术改造后在DHNWL、DLNWL两种极端状态下分别进行计算，模型计算结果如图8、图9所示。

    图8 改造后流场图- DHNWL

    图9 改造后流场图- DLNWL

    由图8和图9可知，改造后DHNWL及DLNWL时，流场呈喷射状，流向与航道边线几乎垂直，横流范围较改造前（图6和图7）明显减小，最大影响范围在一号船闸和三号船闸之间，水流未顶冲至一号船闸与二号船闸之间的隔堤。DHNWL时排水口最大流速小于0.10m/s，DLNWL时排水口最大流速小于0.20m/s。

    从数模分析结果可知，在对排水口头部进行技术改造后，得益于采取了针对性的措施，尽管排水流量增加，但排水口工程引起的横流值及范围均有所减小;在DHNWL时，排水口排水引起的横流值及范围均小于DLNWL;在DHNWL时最大横流值约为0.1m/s，在DLNWL时最大横流值约为0.20m/s，各工况下横流值均小于0.3m/s，满足规范相关要求。扩大排水口改造工程引起工程区域附近的水位壅高幅度很小，仅发生在消力池范围内，对航道通航水深基本没有影响。

    4相关建议

    以汤汪污水处理厂扩大排水口改造工程为例，排水口工程的建设对今后在京杭运河上的类似工程改造提供了可借鉴的经验。

    4.1选址方面

    在满足《内河通航标准》中要求外，排水口的选址应尽可能远离船闸、引航道、锚地等船舶流量密度大、对横流特别敏感的区域，以减小横流对船舶航行的影响。

    4.2平面布置方面

    排水口布置应远离可通航水域，可采用挖入式平面布置或者布置在航道支汊中，避免水流以瀑布入流形态直接排入航道可通航水域中。

    在实践中当发生排水流量较大造成水流条件不满足规范流速要求时，可通过加大排水管直径的方法减小流速，管道直径型号可通过数值模拟计算确定。

    4.3排水口设施高程确定方面

    从汤汪污水处理厂扩大排水口工程来看，除有特殊功能需要，排水口设施顶标高宜明确设置在DLNWL以下，以减少自由出流水流及产生的横流对航道水流流态及船舶通航带来的不利影响。建议规范中对排水设施顶部设置深度做进一步明确，若允许在水面以上设置排水口设施，则宜对布置方式提出相关要求。

    5? 结语

    排水口工程是一种特殊的临河工程，不同于取水口工程为保证取水效果必须将取水头部布置在DLNWL以下，建设单位为减小排水动力费用倾向于尽可能让排水口处于自由出流而非淹没出流状态。因排水量大小而异，排水工程会使航道中产生一定横流和回流，较大的横流和回流又会对船舶通航带来安全影响。

    水运复兴，航道先行。航道与排水口等临河设施是相互依存的，未来在航道中建设排水口类工程时，应具体分析工程需要，结合文中选址、平面布置、排水口设施高程确定等诸多方面因素综合考虑工程建设对航道的影响，提出科学、合理的技术方案，从而形成共赢局面，促进京杭运河航道事业的发展。

    参考文献：

    [1]? GB50139-2014，内河通航标准[S].

    [2]? 许乐华，徐亚玲.临河（湖、海）工程航道通航条件影响评价关键要素研究[J].水道港口，2017，38（4）：380-383.

    [3]? 杨睿.扬州市汤汪污水处理厂三期工程初步设计[R].天津：中国市政工程华北设计研究总院有限公司，2017.