船閘施工期二維平面流場特性研究

張善亮，侯　迪，余鴻慧，王健平

(1．中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江　杭州　310014；(2．國網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江　桐廬　311504)

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船閘施工期二維平面流場特性研究

張善亮1，侯迪1，余鴻慧2，王健平2

(1．中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州310014；(2．國網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江桐廬311504)

摘要：采用二維數(shù)值模擬方法對船閘施工期流場進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)實(shí)測的洪水?dāng)?shù)據(jù)，對模型進(jìn)行驗(yàn)證及參數(shù)修正；分析船閘施工期圍堰前后河道流場變化。數(shù)值模擬結(jié)果為船閘施工圍堰方案合理設(shè)置提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：船閘施工圍堰；二維模型；混合網(wǎng)格

1問題的提出

船閘建造過程需修建圍堰，一定程度上改變了水域的水流特性，從而引起工程河段水動力要素發(fā)生變化。對于大壩安全、下游防護(hù)對象防洪安全而言，河道中流速、流量、水深及水位分布變化具有重要的意義，需對壩址下游航道進(jìn)行二維水動力模擬，分析流速、流態(tài)等水力情勢的變化。因此，采用二維水動力模型研究船閘施工期圍堰對水流流態(tài)的變化具有十分重要的意義。

本文利用MIKE21軟件水動力模型，以富春江船閘擴(kuò)建改造工程施工期圍堰為例，分析施工期圍堰對富春江電站壩下水位的影響，進(jìn)而對工程補(bǔ)償措施提出建議，可為類似工程防洪評價研究提供參考。

2基本情況

富春江船閘擴(kuò)建改造工程是復(fù)興錢塘江航運(yùn)、打通富春江船閘礙航“瓶頸”、建設(shè)“港航強(qiáng)省”的重要舉措。該工程施工期修建的圍堰包括縱向圍堰和橫向圍堰。縱向圍堰上接老船閘左側(cè)，下接唐家洲洲頭，平行于河岸布置；橫向圍堰連接唐家洲中部與富春江右岸沿江道路，垂直于河岸布置。施工期圍堰為過水圍堰，縱向圍堰長728 m，頂高程為9.50 m，橫向圍堰長121 m，頂高程為8.70 m，洪水期水位超出圍堰堰頂高程，洪水進(jìn)入基坑，施工區(qū)域可參與行洪。

3水動力模型的建立

本次壩址下游航道河勢影響分析計算采用MIKE21(DHI)水動力模擬軟件平面二維數(shù)值模型。 MIKE21模型是丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的二維數(shù)學(xué)模擬軟件，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外水動力模擬當(dāng)中，取得了較好的效果，是目前國際上較為先進(jìn)的模型之一。MIKE21是二維數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)，應(yīng)用在河口、海灣以及海洋近岸區(qū)域的水流及水環(huán)境的模擬，可以用來模擬潮汐動力模擬、風(fēng)/波生流、二次環(huán)流、港工、潰壩、海嘯等方面的水流現(xiàn)象，在模擬二維非恒定流的同時，可考慮干濕變化、密度變化、水下地形、潮汐變化和氣象條件等影響因素。與一維數(shù)模只能反映河道斷面平均量不同，二維數(shù)模能計算局部河段平面水流流場的分布，可以研究涉水工程建設(shè)前后河道流速及流場變化情況。MIKE系列軟件是一個經(jīng)過大量工程實(shí)踐驗(yàn)證的模型工具[1-4]。

3.1水動力模型

采用平面二維數(shù)學(xué)模型來研究壩址下游河道流速分布及變化。模型包括1個連續(xù)性方程和2個動量方程[5]：

式中：ζ為水位(m)，即水面到某一基準(zhǔn)面的距離；p、q分別為x、y方向上的垂線平均流量分量(m2/s)；h為水深(m)；g為重力加速度(m/s2)；Ω為柯氏力參數(shù)(s-1)；ρw為水密度(kg/m3)；C′為謝才系數(shù)；τxx，τxy，τyy分別為剪切應(yīng)力分量(kg·m-1·s-2)；x，y為直角坐標(biāo)(m)；t為時間(s)。

上述方程組的初始條件：

z(x,y)|t=0=z0(x,y)

p(x,y)|t=0=p0(x,y)

q(x,y)|t=0=q0(x,y)

邊界條件：

水邊界：z(x,y，t)=z*(x,y,t)或q(x,y，t)=q*(x,y,t)“*” 表示已知值；

陸邊界：Qm=0法線方向流量為零。

有了上述定解條件，就可用一定的離散格式求出方程的解。計算區(qū)域采用正交曲線網(wǎng)格，控制方程離散時，變量在網(wǎng)格上采用交錯布置，水位定義在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，單寬流量定義在各自方向的相鄰網(wǎng)格的中部，采用交替方向隱格式(ADI)求解方程，方程矩陣采用Double Sweep算法求解，該格式具有二階精度。

3.2研究范圍和邊界條件的確定

本次二維模擬的范圍為壩址富春江壩址上游1 km至桐廬分水江口的河道，計算范圍河道總長度約12 km，計算范圍內(nèi)包括4座橋梁(杭新景高速公路富春江大橋、渡濟(jì)大橋、富春江大橋以及富春江二橋)及富春江大壩。計算采用的地形資料由1∶1 000地形圖及1∶500地形圖拼接而成。

二維數(shù)值模型上邊界采用壩址洪水過程，下邊界采用桐廬水文站水位過程。

3.3模型概化

本模型采用三角形和矩形混合網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行劃分。計算區(qū)域內(nèi)河道不規(guī)則，采用三角網(wǎng)格劃分；橫縱圍堰、大壩溢洪道為規(guī)則矩形，故采用矩形網(wǎng)格劃分。橋址、溢洪道附近網(wǎng)格局部加密，三角網(wǎng)格單元尺寸為1.0～2.0 m，矩形網(wǎng)格x方向網(wǎng)格步長為1.5 m，y方網(wǎng)格步長為2.5 m。模型在處理圍堰時采用網(wǎng)格干濕判別法來確定是否漫堤。當(dāng)計算區(qū)域水深小于0.005 m時，該計算區(qū)域記為“干”，即圍堰隔水；當(dāng)水深大于0.100 m時，該計算區(qū)域記為“濕”，即圍堰漫水。

3.4模型率定和驗(yàn)證

根據(jù)流量為1 530，2 300，8 970，11 400 m3/s對應(yīng)壩下實(shí)測水位，對二維模型進(jìn)行率定，通過率定確定糙率。由表1可知，二維模擬水位和實(shí)測水位基本一致，本次模擬水位與洪調(diào)水位相差0.01～0.05 m，可認(rèn)為本次模型概化及模型選擇基本合理。

3.5計算工況

模型分別計算2種不同地形工況：A．船閘圍堰施工前工況，即原船閘不動，未實(shí)施船閘擴(kuò)建改造工程；B．船閘施工圍堰建成工況見圖3。

4結(jié)果與討論

4.1水位分析

采用二維模型計算發(fā)電流量級別Q=1 530 m3/s和Q=2 300 m3/s，由于圍堰造成的壩下水位壅高分別在0.48，0.53 m，造成水位壅高的原因是由于圍堰縮窄了過水?dāng)嗝婷娣e，小流量水位差分布見圖4。對于洪水Q=8 970 m3/s和Q=11 400 m3/s，由于圍堰造成的壩下水位壅高值為0.33，0.29 m，主要由于圍堰能漫堤分洪，與圍堰建成前相比，對行洪斷面影響較小，大流量水位差分布見圖5。

4.2流速分析

工況A流速最大的區(qū)域?yàn)閴蜗?00～3 000 m范圍內(nèi)左側(cè)河道，在Q=2 300 m3/s時，右側(cè)航道也有流速分布。工況B，自壩下100 m至壩下3 000 m河道內(nèi)流速均較大。這主要是因?yàn)閲吖こ淌撕拥?，造成壩下流速增加，同時由于圍堰工程的阻水作用，進(jìn)入左側(cè)主河道內(nèi)的洪水流量增加，左側(cè)主河道流速也相應(yīng)增加，在Q=2 300 m3/s時，右側(cè)航道內(nèi)無流速，流速分布見圖6；在Q=8 970 m3/s時洪水均可以漫過施工圍堰，施工圍堰所在區(qū)域流速也較大，流速分布見圖7。

4.3流態(tài)分析

流量2 300 m3/s下流場見圖8，流量8 970 m3/s下流場見圖9。從圖8和圖9中可以看出，工況A，水流自溢洪道出流后，水流較順直，自老船閘末端漫過舊導(dǎo)航墻，水流向右側(cè)航道方向偏轉(zhuǎn)，航道內(nèi)的流速較大，流態(tài)穩(wěn)定。工況B，水流自溢洪道出流后受圍堰的阻擋，水流向左側(cè)偏轉(zhuǎn)。

通過以上分析可以得出，工況B河道水流流態(tài)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為壩下溢洪道左側(cè)水流向左偏轉(zhuǎn)，圍堰所在區(qū)域水流流速增加。但與工況A相比總體來看，圍堰工程后整個河道內(nèi)水流流態(tài)平順，沒有不利流態(tài)產(chǎn)生。

5結(jié)語

(1)水庫壩下河段,水流特性十分復(fù)雜,為滿足水庫正常運(yùn)行，研究圍堰施工給水庫運(yùn)行所帶來的影響十分必要。本文利用MIKE21水動力模型,以富春江船閘擴(kuò)建改造工程施工期圍堰為例,研究施工圍堰對其所在河流防洪安全的影響,分析了圍堰對水庫壩下水位的影響。

(2)該方法具有較強(qiáng)的通用性,為船閘施工圍堰類似工程問題的研究提供了一條有效的分析途徑。

參考文獻(xiàn)：

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[4]張向東，張善亮.富春江船閘擴(kuò)建改造工程庫區(qū)引航道通航安全數(shù)值模擬試驗(yàn)研究剖析[J].交通科技，2014(2)：162-165.

[5]Danish Hydraulic Inst itute( DHI) .MIKE21 & MIKE3 FLOW MODEL FUM[R].Horsholm Denmark :Hydrodynamic and Transport Module Scientific Document( DHI),2012:14-15.

(責(zé)任編輯姚小槐)

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：張善亮(1981-)，男，高級工程師，碩士，主要從事河流動力學(xué)及水利工程規(guī)劃工作。

中圖分類號：U641.2+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-701X(2016)02-0068-04

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.019