基于流場數(shù)值模擬的導(dǎo)流堤加固方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔡麗婧

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

導(dǎo)流堤是用來引導(dǎo)水流或約束水流的建筑物，對(duì)改善水流流態(tài)，提高泄流能力和保護(hù)主要建筑物安全有著重要的作用。導(dǎo)流堤的設(shè)計(jì)過程中，水流流態(tài)和流速的分布是首要了解的問題。針對(duì)流場特性前人做了很多的研究［1-3］，Hansonw最早用二維數(shù)學(xué)模型研究了河口、海岸潮流泥沙運(yùn)動(dòng)；美國Leederts首次應(yīng)用交替方向隱式差分格式模擬二維潮汐潮流，并很快得到推廣。為此，本文以某沿海水利樞紐導(dǎo)流堤為研究對(duì)象，利用平面二維數(shù)學(xué)模型研究了不同導(dǎo)流堤的水流特性，初步優(yōu)選導(dǎo)流堤長度，提出推薦方案，為工程布置的合理性提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

某沿海水利樞紐由一座節(jié)制閘和一座船閘組成，船閘外河側(cè)導(dǎo)流堤為斜坡堤式結(jié)構(gòu)，坡面護(hù)砌材料為干砌塊石，僅在頂部及底部各設(shè)有一道導(dǎo)梁（格?。?］。外河導(dǎo)流堤原長度240m，在節(jié)制閘引、排水過程中面流速的變化時(shí)常會(huì)影響船只的正常通行。為排除隱患，利用二維數(shù)學(xué)模型對(duì)船閘、節(jié)制閘上、下游的二維流場進(jìn)行分析，推求外河導(dǎo)流堤長度變化對(duì)面流速的影響，從而確定合理的導(dǎo)流堤加固方案。

2 計(jì)算原理

計(jì)算以有限元法求解，根據(jù)水深平均理論而得出水深平均二維水流，采用直角坐標(biāo)系下的平面二維淺水方程［5］。

連續(xù)方程式：

運(yùn)動(dòng)方程式：

式中 x、y為水平和縱向坐標(biāo)軸；u、v為x、y軸向流速；t為時(shí)間變量；g為重力加速度；h為水深；α0為河床泥面高程；ρ為水流密度；f為柯氏力參數(shù)（f=2ωsinφ，ω為地球旋轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度）；εxx，εxy，εyx，εyy為紊動(dòng)粘滯系數(shù)；c為謝才系數(shù)，可采用曼寧公式確定。

2.1 邊界條件

數(shù)學(xué)模型通常使用開邊界（水邊）和閉邊界（岸邊）兩種邊界條件［6-7］。

對(duì)于開邊界，采用潮位過程進(jìn)行控制。

對(duì)于閉邊界則根據(jù)不可入原理，取法向流速為0，即

2.2 初始條件

計(jì)算開始時(shí)，整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的水位、流速值就是計(jì)算的初始條件，即

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 計(jì)算范圍

以某沿海水閘導(dǎo)流堤為研究對(duì)象，根據(jù)附近河道橫斷面及河道兩岸地區(qū)1∶1000地形圖，數(shù)學(xué)模型計(jì)算選取區(qū)域?yàn)椋汗?jié)制閘上游550m處至下游1200m處。模型范圍約16.74萬m2。岸邊高程4m，以1∶3的坡度推算河底寬度。

3.2 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算網(wǎng)格由四邊形八節(jié)點(diǎn)單元和三角形六結(jié)點(diǎn)單元混合構(gòu)成，分為規(guī)則單元和不規(guī)則單元兩種。一般水域采用四邊形，單元邊長3～7m，以保證計(jì)算精度。翼墻段用三角形單元以免產(chǎn)生異面單元。在概化河岸線和閘墩時(shí)，采用不規(guī)則單元，以便準(zhǔn)確地反映出岸線和建筑物的外形輪廓，并對(duì)工程區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)21757～21765，單元總數(shù)7438～7442，如圖1。因加長方案不同，各模型導(dǎo)流堤附近網(wǎng)格略有不同。

圖1 模型計(jì)算網(wǎng)格

3.3 邊界條件

上邊界為水位邊界，取內(nèi)河除澇高水位4.2m；下游邊界為吳淞潮位，選用1963年9月11日0時(shí)至9月13日23時(shí)的動(dòng)態(tài)水位邊界條件，潮位過程線如圖2。

圖2 潮位過程線

3.4 參數(shù)及模型驗(yàn)證

由于缺少資料，模型率定采用其他類似工程的計(jì)算參數(shù)對(duì)本工程模型中的參數(shù) （主要為渦動(dòng)粘滯系數(shù)E、Manning系數(shù)）進(jìn)行調(diào)整，本工程區(qū)域模型中渦動(dòng)粘滯系數(shù)E為4000～10000Pa.s，河道Manning系數(shù)為0.020～0.028，水閘位置考慮消能影響Manning系數(shù)取0.033～0.035。

在模型計(jì)算中，為真實(shí)反映實(shí)際河道內(nèi)流場情況，邊灘單元采用線性計(jì)入法，模擬邊灘干濕變化，即當(dāng)單元的平均高程低于某一設(shè)定的水位時(shí)，整個(gè)單元為濕單元，參加計(jì)算；當(dāng)單元平均高程高于某一設(shè)定的水位時(shí)，整個(gè)單元為干單元，不參加計(jì)算；當(dāng)單元高程介于這兩個(gè)設(shè)定潮位之間時(shí)，按線性比例調(diào)整單元參與計(jì)算面積。

4 計(jì)算工況及結(jié)果分析

4.1 計(jì)算工況

為進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)擬定兩種方案對(duì)外河導(dǎo)流堤加長。

4.1.1 方案1

采用與現(xiàn)有導(dǎo)流堤相同的斜坡式結(jié)構(gòu)加長導(dǎo)流堤。

4.1.2 方案2

采用板樁式結(jié)構(gòu)加長導(dǎo)流堤。

針對(duì)兩個(gè)方案假定5種設(shè)計(jì)工況：工況1未加長導(dǎo)流堤；工況2斜坡式結(jié)構(gòu)加長導(dǎo)流堤25m；工況3斜坡式結(jié)構(gòu)加長導(dǎo)流堤30m；工況4板樁式結(jié)構(gòu)加長導(dǎo)流堤30m；工況5板樁式結(jié)構(gòu)加長導(dǎo)流堤40m。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，V級(jí)船閘引航道口門區(qū)的水流表面最大流速限制如下：平行于航線的縱向流速為1.5m/s，平行于航線的橫向流速為0.25m/s，回流流速為0.4m/s。

通過數(shù)模計(jì)算，工況1顯示船閘引航道口門區(qū)縱向流速、回流流速及內(nèi)河導(dǎo)流堤的橫向流速基本滿足要求，但外河導(dǎo)流堤附近橫向流速遠(yuǎn)大于0.25m/s，嚴(yán)重威脅通航安全。

采用斜坡式結(jié)構(gòu)加長導(dǎo)流堤25m時(shí)（工況2），對(duì)河道整體的流場改變不大，但使導(dǎo)流堤附近漩渦減小，流速降低。但船閘引航道口門仍有部分點(diǎn)某些時(shí)段橫向流速略大于0.25m/s。當(dāng)加長斜坡式導(dǎo)流堤至30m（工況3），船閘引航道口門區(qū)內(nèi)點(diǎn)的橫向流速均小于0.25m/s。

當(dāng)以板樁式結(jié)構(gòu)加長導(dǎo)流堤30m時(shí)（工況4），對(duì)河道整體的流場改變不大，但可使導(dǎo)流堤附近漩渦減小，流速降低。導(dǎo)流堤附近水域的流態(tài)沒有方案1平順，這主要是因?yàn)橛捎趯?dǎo)流堤形式改變，導(dǎo)流堤橫向收縮，水流也略微收縮。導(dǎo)流堤橫向?qū)挾鹊目s減量相較河道寬很小，故不會(huì)產(chǎn)生大的漩渦。船閘引航道口門仍有部分點(diǎn)某些時(shí)段橫向流速略大于0.25m/s，當(dāng)加長板樁式導(dǎo)流堤至40m（工況5），船閘引航道口門區(qū)內(nèi)點(diǎn)的橫向流速均小于0.25m/s。

總之，導(dǎo)流堤未加長時(shí)，船閘外河引航道口門區(qū)附近橫向流速有多個(gè)時(shí)段大于規(guī)定值0.25m/s，若采用斜坡式結(jié)構(gòu)加長25m或者板樁式結(jié)構(gòu)加長30m，可使導(dǎo)流堤附近漩渦減小，流速降低，但船閘引航道口門仍有部分點(diǎn)某些時(shí)段橫向流速略大于0.25m/s；若采用斜坡式結(jié)構(gòu)加長30m或者板樁式結(jié)構(gòu)加長40m，則可使船閘引航道口門區(qū)內(nèi)點(diǎn)的橫向流速均降至0.25m/s以下。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為保證行船安全，導(dǎo)流堤必須加長以減小船閘引航道口門區(qū)橫向流速，滿足通航要求。數(shù)模計(jì)算結(jié)論推薦兩種導(dǎo)流堤加長方案：方案1采用斜坡式導(dǎo)流堤，順原導(dǎo)流堤方向往下游加長30m；方案2采用板樁結(jié)構(gòu)導(dǎo)流堤，順原導(dǎo)流堤方向往下游加長40m。

5 導(dǎo)流堤加長設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)模計(jì)算的結(jié)果，外河導(dǎo)流堤加長考慮乘潮施工，對(duì)斜坡式和板樁式結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選。

方案1采用斜坡式導(dǎo)流堤，頂寬與原導(dǎo)流堤相同，兩側(cè)斜坡坡度為1︰3，坡面護(hù)砌材料為漿砌塊石。接長段除在坡腳處設(shè)置了導(dǎo)梁及小方樁外，船閘側(cè)斜坡中部為減輕船只撞擊帶來的不利影響，又增加了一級(jí)導(dǎo)梁加小方樁。

方案2考慮趁低潮施工，采用板樁式結(jié)構(gòu)，利用中間板樁墻分隔兩側(cè)水流，使流速得到改善。另外考慮船舶撞擊力的影響，在板樁的兩側(cè)對(duì)稱布置兩排預(yù)制鋼筋混凝土方樁，方樁樁頂為承臺(tái)結(jié)構(gòu)。

綜合比較兩種方案均能起到理順?biāo)鞯哪康?，即減輕節(jié)制閘引、排水時(shí)對(duì)船只的不利影響，且根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，方案1只需加長30m即可滿足要求，方案2比方案1稍長，但也只有40m，對(duì)通航水面寬度不會(huì)造成大的影響，船只仍可以安全進(jìn)出外引航道。兩種方案施工方法不同，方案2為乘低潮施工，不需設(shè)置圍堰；方案1需在下游側(cè)設(shè)置攔河圍堰。經(jīng)初步估算，方案2在投資方面具有較大優(yōu)勢，本階段推薦采用方案2，即板樁式結(jié)構(gòu)，加長長度為40m。

6 結(jié)語

采用二維數(shù)值模擬的手段，模擬了船閘引航道口的水流特性。通過對(duì)比分析該水利樞紐的導(dǎo)流堤加固方案可知，局部加長導(dǎo)流堤對(duì)通航水面寬度不會(huì)造成大的影響，卻可有效地降低流場流速，起到理順?biāo)鞯哪康?，減輕節(jié)制閘引、排水時(shí)水流流態(tài)對(duì)船只的不利影響，保證了行船安全。該工程實(shí)施后運(yùn)行效果良好，為今后類似工程設(shè)計(jì)提供了一定借鑒。

［1］浙江省水利河口研究院.浙江省曹娥江大閘樞紐工程水力學(xué)試驗(yàn)研究總報(bào)告［R］.2004.

［2］汪德.計(jì)算水力學(xué)（ 理論與應(yīng)用）［M］.南京：河海大學(xué)出版社，1990.

［3］譚維炎.計(jì)算淺水動(dòng)力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.

［4］上海勘測設(shè)計(jì)研究院.蘊(yùn)東水利樞紐除險(xiǎn)加固工程可行性研究（含初步設(shè)計(jì)）報(bào)告［R］.2006.

［5］張金委，王斌.仙居縣城防工程堤線布置優(yōu)化數(shù)值模擬［J］.浙江水利科技，2014（1）.

［6］包中進(jìn)，張才夫.開潭水利樞紐河道行洪影響分析［J］.水利水電科技進(jìn)展，2008（2）.

［7］包中進(jìn)，周杰.曹娥江大閘導(dǎo)流堤方案水力學(xué)數(shù)值模擬［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2004（12）.