地面沉降對西河閘流態(tài)的影響

于 翚，劉思清

（海河水利委員會科技咨詢中心，天津 300170）

天津素有九河下梢之稱，密布海河流域排洪河道，主要有海河干流、獨(dú)流減河、西河、北運(yùn)河、永定新河、潮白新河、薊運(yùn)河等。從控導(dǎo)洪水、蓄淡防潮等不同興利除害角度出發(fā)，這些河道的上下游先后建有多座控制性水閘，如海河閘、西河閘、獨(dú)流減河進(jìn)洪閘、工農(nóng)兵擋潮閘、屈家店閘等。多年來，這些水閘在泄洪、擋水、擋潮、蓄水方面都發(fā)揮了重要作用。然而，由于近三四十年的北方干旱，天津?yàn)I海區(qū)嚴(yán)重超采地下水，造成這一區(qū)域的地面劇烈沉降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002—2010年，天津南部地區(qū)的河流上游區(qū)地面累計(jì)沉降量約為0.4 m、河流下游區(qū)累計(jì)沉降量約為0.3 m，北部地區(qū)的河流上游區(qū)地面累計(jì)沉降量約為0.2 m、河流下游區(qū)累計(jì)沉降量約為0.1 m。以上不同區(qū)域相對標(biāo)準(zhǔn)海平面的不均勻沉降，使泄洪河道形成倒坡，一方面，在河道擋水工況下，相同的設(shè)計(jì)水位使水閘上游擋水水深加大，閘體擋水所承受的水壓荷載增加，對閘體穩(wěn)定安全十分不利；另一方面，在水閘泄洪工況下，因地面沉降形成的閘前水深加大將使閘下水流的流態(tài)發(fā)生變化、流速分布發(fā)生改變、水躍位置也發(fā)生變化，從而易于發(fā)生局部沖刷甚至形成水毀現(xiàn)象。筆者以西河閘為代表，研究地面沉降對該閘不同工況產(chǎn)生的流態(tài)影響，以為水閘安全運(yùn)行提供參考。

1 典型水閘概況

西河閘[1-2]位于天津市西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)北，上距大清河、子牙河匯流點(diǎn)15 km，下距北運(yùn)河與子牙河的匯流點(diǎn)16.5 km，以防洪為主，兼有蓄水、航運(yùn)、灌溉等功能，是大清河系洪水進(jìn)入海河干流的最后一道屏障，是天津市防洪的西大門。該閘建于1958年，于2003年以原有閘底板為基礎(chǔ)，開展了閘體的除險加固。

按防洪調(diào)度方案，大清河發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水，通過西河閘向海河干流宣泄400 m3/s，閘上設(shè)計(jì)洪水位6.413 m；當(dāng)不與永定河洪水遭遇時，可以通過西河閘向海河干流宣泄800 m3/s；遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水等特殊情況，西河閘可泄1 000 m3/s，其中海河干流承泄800 m3/s、新開河承泄200 m3/s。

根據(jù)西河閘周邊地區(qū)水準(zhǔn)點(diǎn)的復(fù)核測量，1965—2010年，該地區(qū)累計(jì)沉降量達(dá)1.811 m，其中2002年以前沉降1.451 m、以后時段沉降0.36 m。

2 計(jì)算方法及基本控制方程

2.1 計(jì)算方法

本次采用VOF（The Vo1ume of F1uid）法，研究地面沉降對西河閘流態(tài)影響。VOF 法是利用流體體積函數(shù)求解不可壓縮、黏性、瞬變和具有自由面流動的一種數(shù)值方法[3-4]，適用于2 種或多種互不穿透流體間界面的跟蹤計(jì)算。

2.2 基本控制方程

連續(xù)性方程為：

動量方程為：

K方程為：

ε方程為：

式中：Ui為i 方向的速度分量（m/s）；x 為方向；t 為時間（s）；P 為 壓 強(qiáng)（Pa）；ρ為 流 體 密 度（kg/m3）；，δij是Kronecker 符號；Fi為作用于單位質(zhì)量水體的體積力（N/m3）是單位質(zhì)量紊流動能（J）；G為剪切產(chǎn)生項(xiàng)，表達(dá)式；Uj為j方向的速度分量（m/s）；ε為紊流動能耗散率；v為運(yùn)動黏性系數(shù)；vt為紊流運(yùn)動黏性系數(shù)，它由紊流動能k及紊流動能耗散率ε確定；Cμ、C1ε、C2ε、σk和σε是模型通用常數(shù)，分別取0.09、1.44、1.92、1.0和1.3。

k-?方程是在數(shù)值計(jì)算過程中所設(shè)置的一種二方程湍流模型。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算工況

按照大清河洪水調(diào)度方案，基本設(shè)定了以下3種工況：

（1）設(shè)計(jì)洪水位情況下，控泄流量400 m3/s，閘上水位6.413 m，閘下水位3.473 m，6 孔開啟。此時的閘門開度應(yīng)為e=1.35 m。

（2）最高洪水位情況下，控泄流量800 m3/s，閘上水位6.913 m，閘下水位4.413 m，6 孔開啟。此時的閘門開度應(yīng)為e=2.6 m。

（3）最大泄量情況下，控泄流量1 000 m3/s，閘上水位6.413 m，閘下水位4.833 m，6 孔開啟。此時的閘門開度應(yīng)為e=3.8 m。

筆者從以上3 種工況中選擇控泄流量400 m3/s和控泄流量1 000 m3/s 進(jìn)行閘體沉降前后閘下水流流態(tài)的分析比較。

3.2 計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域包括閘室上游段、閘室段和閘室下游段。其中，閘室上游段包括長25.0 m 的鋪蓋、長10 m 干砌石護(hù)底、長8.0 m 防沖槽和長17 m 的上游河道；閘室段包括6孔閘門；閘室下游段包括長20 m的消力池、長19 m 鉛絲籠塊石海漫、長21 m 干砌石海漫、長10 m拋石防沖槽和長40 m的下游河道。西河閘計(jì)算區(qū)域，如圖1所示。

圖1 西河閘計(jì)算區(qū)域

3.3 邊界條件和網(wǎng)格劃分

以距閘室上游60 m的防沖槽為入流邊界，給定上游水位6.413 m；以距閘室下游110 m的下游拋石防沖槽為出流邊界，分別給定流量為400、1 000 m3/s；固壁邊界采用無滑移條件；液面為自由表面。

在網(wǎng)格劃分時，將閘室及其上下游段分為3 段進(jìn)行網(wǎng)格劃分。閘室上游約10 m 至閘室下游約30 m 處網(wǎng)格劃分得比較密集，網(wǎng)格均取0.5 m；遠(yuǎn)離閘室的上下游流態(tài)比較穩(wěn)定的區(qū)域（包括閘室上游10～100 m 區(qū)域、閘室下游30～150 m 區(qū)域）網(wǎng)格劃分得比較稀疏，網(wǎng)格均取1.2 m。在模型中，上游閘底板高程為11.6 m，下游閘底板高程為10.1 m，網(wǎng)格總數(shù)約為42.5萬。

4 模擬計(jì)算

4.1 順?biāo)鞣较虻牟煌盍鲬B(tài)變化

目前的西河閘與水閘初建時比較，隨著當(dāng)?shù)氐孛娴南鲁?，閘室沉降了1.811 m，也就是說，在其上游東淀滯洪區(qū)滯蓄水位相同的情況下，閘前水深增加了1.811 m。如，沉降前，閘底板高程上游-3.047 m、下游-4.547 m；沉降后，閘底板高程變?yōu)樯嫌?4.858 m、下游-6.358 m。在東淀遇50年一遇洪水、第六埠水位為6.44 m 時，西河閘閘上水位為6.413 m，閘前水深由原來的9.460 m 增加到11.271 m。除了使閘體受水壓荷載發(fā)生大的變化以外，下泄水流的流態(tài)也會受到一定的影響。以大清河洪水調(diào)度方案擬定的西河閘承泄洪水功能（400 m3/s，特殊情況1 000 m3/s）為例，利用模型進(jìn)行水流模擬計(jì)算，對同一泄量將順?biāo)鞣较虿煌畈课坏牧魉倮L制為沉降前和沉降后2個流場圖（如圖2-3所示），其中（a）圖為沉降前流場、（b）圖為沉降后的流場。

圖2 控泄400 m3/s沉降前后閘孔流場

圖3 控泄1 000 m3/s沉降前后閘孔流場

從圖2 可以看出，閘下接近水面的低流速區(qū)發(fā)生了大的變化，閘體沉降后（b圖）比沉降前（a圖）低流速區(qū)域明顯加大，而且向下游有所延伸。這樣的結(jié)果說明2 個問題，一是沉降后使閘下消力池內(nèi)的水流旋滾不夠充分，消能效果變差；二是中下層水流躍出了消力池，可能會引起下游河道的沖刷。圖3是水閘下泄1 000 m3/s的情況，以上流場變化問題更為明顯，沉降前閘下消力池內(nèi)表層基本不存在或很少有低值流速區(qū)，而閘體沉降后表層水流出現(xiàn)大面積低值區(qū)，這樣造成了中下層水流的流速加大，水躍現(xiàn)象躍出了消力池，而由下游河道來承擔(dān)高速水流的沖擊。1 000 m3/s工況下，沉降后消力池內(nèi)表面水流旋滾不充分，造成上層水體回流最大流速由沉降前的0.95 m/s降至沉降后的0.85 m/s，底層最大流速由沉降前的5.92 m/s增加至沉降后的6.9 m/s。

4.2 不同斷面的表層水流流態(tài)變化

西河閘的結(jié)構(gòu)為橫向6孔，在6 孔全部開啟時，流速分布為邊孔流速低、中孔流速高。閘室沉降前后，流速分布都是這樣的規(guī)律。但是，閘室沉降后，各個局部的表層流速發(fā)生了一些變化。水閘控泄分為400、1 000 m3/s 2種工況，順?biāo)鞣较蚓嚅l門不同距離的各斷面表層流速比較如圖4-5所示。圖中實(shí)線代表沉降前流速值，虛線代表沉降后流速值。

圖4 400 m3/s沉降前后沿橫斷面的表層流速分布比較

圖5 1 000 m3/s沉降前后沿橫斷面的表層流速分布比較

閘下游消力池段，沉降后因水深增加水躍旋滾變?nèi)?，消力池?nèi)上層水體沉降后的回流流速小于沉降前的回流流速。400 m3/s工況下，消力池中部4斷面沉降前后表層回流平均流速由1.39 m/s 降至0.97 m/s。1 000 m3/s工況下，消力池中部5斷面沉降前后表層回流流速由1.01 m/s降至0.94 m/s。

而消力池末端消力坎處，上層水體沉降后的回流流速大于沉降前的回流流速。400 m3/s 工況下，消力池末端消力坎前的5斷面沉降前后平均表層回流流速由0.85 m/s增至0.97 m/s。1 000 m3/s工況下，消力池末端消力坎前的6斷面沉降前后平均表層回流流速由0.62 m/s增至0.95 m/s。

以上情況說明水閘沉降后，高速水流向下游有所移動，消能作用有所消弱。

5 結(jié)論

西河閘在地面沉降后順?biāo)鞣较虻牟煌盍鲬B(tài)產(chǎn)生變化。閘下消力池內(nèi)的水流旋滾不夠充分，消能效果變差，中下層水流躍出了消力池，將會引起下游河道的沖刷。隨著下泄流量增加，流場變化更加明顯，隨著中下層水流的流速加大，水躍現(xiàn)象躍出了消力池，下游河道承擔(dān)了高速水流的沖擊。

[1]水利部天津水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.西河閘除險加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告002XC-A[R].天津：水利部天津水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2001.

[2]海河下游管理局西河閘管理處.西河閘工程現(xiàn)狀分析報(bào)告[R].天津：海河下游管理局西河閘管理處，2005.

[3]馬福喜，王金瑞. 三維水流數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，1998，（1）：39-44.

[4]許唯臨，廖華勝，楊永全，等.溪洛渡水墊塘流場的數(shù)值計(jì)算[J].四川聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，1998,2（5）：34-38.