成子河船閘引航道與泄洪河道交匯區(qū)域通航水流條件與改善措施研究

丁 堅(jiān)，吳 騰，邵雨辰，王 霄，郭 淮，曹昌志

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京210098；3.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，淮安223005）

成子河船閘引航道與泄洪河道交匯區(qū)域通航水流條件與改善措施研究

丁 堅(jiān)1，吳 騰1，邵雨辰2，王 霄3，郭 淮3，曹昌志2

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京210098；3.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，淮安223005）

引航道與泄洪河道交匯區(qū)由于水流流向與航行進(jìn)出閘方向角度較大，常產(chǎn)生較大橫向流速，影響船舶安全進(jìn)出閘。文章建立成子河船閘引航道與泄洪河道交匯區(qū)平面二維數(shù)學(xué)模型，模擬研究該區(qū)域通航水流條件及其改善措施。研究結(jié)果表明：無工程措施條件下，廢黃河下泄流量為10 a一遇洪水時(shí)，成子河引航道與泄洪河道交匯區(qū)表面最大橫向流速大于0.3 m/s，不能滿足通航要求。當(dāng)廢黃河與引航道交匯區(qū)的上游設(shè)置導(dǎo)流墻時(shí)，導(dǎo)流墻將來流分為左右兩股水流，向下游的主流流向逐漸與下游引航道平行，交匯區(qū)的水流受導(dǎo)流墻阻擋流速減小迅速，能滿足通航要求。

船閘；引航道；數(shù)學(xué)模型；導(dǎo)流墻；泄洪道；交匯區(qū)

本文研究區(qū)域位于成子河船閘下游引航道，船閘建成之后，將溝通京杭運(yùn)河與洪澤湖航道，為京杭大運(yùn)河增加一條分流航道（圖1）。船閘上閘首距離上游京杭運(yùn)河約1 061 m，下閘首距離下游成子河航道與廢黃河交匯處約487 m。由于廢黃河與成子河船閘下引航道幾乎正交，影響船舶進(jìn)出船閘，設(shè)計(jì)中擬將廢黃河截?cái)?，并在西條堆河與成子河交匯處設(shè)置地涵，采用倒虹吸形式跨過成子河。同時(shí)，由于廢黃河與成子河引航道近似于正交，交匯區(qū)域位于成子河船閘引航道口門處，洪水期廢黃河下泄流量較大，水流頂沖下引航道，成子河船閘口門處易產(chǎn)生較大橫向水流，不利于船舶通航。本文通過數(shù)學(xué)模型模擬研究引航道交匯區(qū)域水流流態(tài)以及改善措施的效果［1-8］。

圖1 成子河船閘地理位置圖Fig.1Geographic location of Chengzi river ship lock

1 數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證

1.1控制方程

1.1.1一維數(shù)學(xué)模型控制方程

1.1.2平面二維數(shù)學(xué)模型控制方程

水流運(yùn)動(dòng)方程

1.2方程定解條件

為了使平面二維水流運(yùn)動(dòng)的基本方程在計(jì)算域Ω內(nèi)有適定解，必須滿足定解條件，即在計(jì)算域上給出初始條件和邊界條件。

1.3模型計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

一維數(shù)學(xué)模型的范圍為船閘下游至洪澤湖湖口，斷面間隔約200 m。二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格如圖2、圖3所示，圖2中計(jì)算區(qū)域劃分為7 962個(gè)網(wǎng)格，滿足計(jì)算精度要求。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格Fig.2Computational grid

圖3 原始地形Fig.3Initial form

1.4模型參數(shù)設(shè)置及驗(yàn)證

由于研究區(qū)域?qū)崪y(cè)資料缺乏，本次研究采用2011年江蘇省水利工程科技咨詢有限公司的《成子河船閘工程水文分析報(bào)告》中的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。由于由成子河閘下至湖口縱向距離較長(zhǎng)，采用全二維計(jì)算量過大，故采用一維數(shù)學(xué)模型確定模型的糙率以及二維模型的下游邊界水位；采用二維計(jì)算重點(diǎn)研究區(qū)域的流場(chǎng)。結(jié)果表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近，模型能反映實(shí)際水流變化。

2 計(jì)算工況

本次數(shù)模工程措施的研究選取最不利的水文條件［1-2］：廢黃河20 a一遇分洪流量為308 m3/s，閘下最低洪水位為14.09 m；10 a一遇的分洪流量為206 m3/s，閘下最低洪水位為13.37 m。在此基礎(chǔ)上，采用一維水面線計(jì)算推求數(shù)模邊界處的水位。然后采用二維模型計(jì)算不同工況下口門處的流速（表1～表3）。

表2 二維數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證結(jié)果Tab.2Results of two?dimensional mathematical model validation

表3 數(shù)模計(jì)算工況Tab.3Mathematical model for calculating condition

圖4 導(dǎo)流墻優(yōu)化方案一Fig.4Optimization plan 1 of diversion wall

圖5 導(dǎo)流墻優(yōu)化布置方案二Fig.5Optimization plan 2 of diversion wall

3 無導(dǎo)流墻時(shí)交匯區(qū)流態(tài)

工況1條件下，成子河船閘下閘首關(guān)閉，計(jì)算區(qū)域下游的水位考慮最不利通航條件。由于船閘下閘首關(guān)閉，水流在口門處產(chǎn)生壅水，水流逐漸偏向右側(cè)流動(dòng)。水流CS4～CS6斷面間開始分流，該處靠近廢黃河一側(cè)水流基本直接頂沖過來，航道內(nèi)的橫向水流也較大［4-6］。斷面6附近的橫向最大流速均超過0.3 m/s，該區(qū)域不能滿足通航要求。工況2條件下，CS6斷面的橫向流速也出現(xiàn)大于0.3 m/s的流速點(diǎn)（圖4～圖5）。

4 交匯區(qū)通航水流條件改善措施

4.1導(dǎo)航墻優(yōu)化方案一

由表4～表5可知，工況1～工況2條件下，引航道6#斷面間的水流條件較差，為重點(diǎn)整治區(qū)，故可以考慮在導(dǎo)流墻設(shè)計(jì)方案，以一定角度，使水流挑向下游，導(dǎo)流墻布置方案如圖4所示。工況3條件下，從廢黃河來流受導(dǎo)流墻阻擋，主流流向下游，水流流向逐漸與下游引航道平行，左側(cè)水流繞過導(dǎo)流墻后流向下游，導(dǎo)流墻后的航道內(nèi)水流受導(dǎo)流墻阻擋橫向流速減小迅速，能滿足通航要求。導(dǎo)流墻背面出現(xiàn)明顯的回流，當(dāng)廢黃河來流含沙量較大時(shí)，該處易發(fā)生泥沙淤積，可能影響航道的正常運(yùn)行，需定期觀測(cè)以維護(hù)航道的暢通。工況4與工況3類似，該導(dǎo)流墻對(duì)廢黃河來流橫流流速改變明顯，能滿足通航需求（圖6～圖7）。

表4 廢黃河20 a一遇分洪流量時(shí)導(dǎo)流墻優(yōu)化方案一測(cè)流斷面流速Tab.4Cross?section velocity of optimization plan 1 during 5％ frequency flood diversion discharge from the old Yellow River m/s

表5 廢黃河10 a一遇分洪流量時(shí)導(dǎo)流墻優(yōu)化方案一測(cè)流斷面流速Tab.5Cross?section velocity of optimization plan 1 during 10％ frequency flood diversion discharge from the old Yellow River m/s

圖6 工況3交匯區(qū)流場(chǎng)圖Fig.6Graph of flow field in intersection zone on condition 3

圖7 工況4交匯區(qū)流場(chǎng)圖Fig.7Graph of flow field in intersection zone on condition 4

4.2導(dǎo)航墻優(yōu)化方案二

由優(yōu)化布置方案一可知，在導(dǎo)流墻靠近下閘首一側(cè)存在回流區(qū)，當(dāng)廢黃河來沙較大時(shí)該回流區(qū)可能會(huì)產(chǎn)生泥沙淤積，形成三角洲，因此，考慮在交匯區(qū)域布置三角導(dǎo)堤，即優(yōu)化方案一發(fā)生淤積時(shí)該區(qū)域的流態(tài)，如圖5所示。工況5條件下，從廢黃河來流受導(dǎo)流墻阻擋，主流流向下游，水流流向逐漸與下游引航道平行，左側(cè)水流較為平順，導(dǎo)流墻下游的航道內(nèi)水流受導(dǎo)流墻阻擋流速減小迅速，能滿足通航要求（表6～表7）。工況6與工況5類似，該導(dǎo)流墻對(duì)廢黃河來流橫流流速改變明顯，引航道內(nèi)的橫流條件得到了改善，能滿足通航需求（圖8～圖9）。

表6 廢黃河20 a一遇分洪流量時(shí)優(yōu)化方案二測(cè)流斷面流速Tab.6Cross?section velocity of optimization plan 2 during 5％ frequency flood diversion discharge from the old Yellow River m/s

表7 廢黃河10 a一遇分洪流量時(shí)優(yōu)化方案二測(cè)流斷面流速Tab.7Cross?section velocity of optimization plan 2 during 10％ frequency flood diversion discharge from the old Yellow River m/s

圖8 工況5交匯區(qū)流場(chǎng)圖Fig.8Graph of flow field in intersection zone on condition 5

圖9 工況6交匯區(qū)流場(chǎng)圖Fig.9Graph of flow field in intersection zone on condition 6

5 結(jié)語

研究表明，在廢黃河出口布置一道導(dǎo)流墻，能夠有效改善交匯區(qū)的流態(tài)和航道內(nèi)的通航水流條件。導(dǎo)流墻按優(yōu)化方案一布置時(shí)，導(dǎo)航墻起點(diǎn)位于廢黃河中心線偏北處，起始段切線基本與廢黃河中心線平行，通過圓弧和一段直線段使水流轉(zhuǎn)向，挑流段基本與下游導(dǎo)航中心線平行。導(dǎo)流墻將來流分為左右兩股水流，右側(cè)主流直接流向下游，左側(cè)水流繞過導(dǎo)流墻后流向下游，導(dǎo)流墻下游航道內(nèi)水流受導(dǎo)流墻阻擋橫向流速迅速減小，能滿足通航要求。導(dǎo)流墻按優(yōu)化方案二布置時(shí)，航道內(nèi)橫向水流亦能滿足規(guī)范要求，但相對(duì)于優(yōu)化布置方案一，在交匯區(qū)域修建三角洲工程量較大。優(yōu)化布置方案一本文為推薦方案［7-8］。

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Flow characteristics and channel security research of Chengzi river ship lock approach and flood discharge channel intersection area

DING Jian1,WU Teng1,SHAO Yu?chen2,WANG Xiao3,GUO Huai3,CAO Chang?zhi2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China;
2
.JSTI GROUP,Nanjing 210098,China;3.Huai′an Water Conservancy Surveying and Design Institute Co.Ltd.，Huai′an 223005,China）

The transverse velocity in the intersection area of approach channel and flood discharge channel is usually quite large,which will affect the safety of the ship out of the gate.Taking the Chengzi river ship lock as the study object,2D?mathematical model of Chengzi river was built in this paper.Based on the model,the flow pattern in the intersection area of approach channel and flood discharge channel and its improvement measures were simu?lated.The result indicates that the transverse velocity in the intersection area is larger than 0.3 m/s without any engi?neering measures.The flow condition can not meet the requirements of navigation.In order to decrease the trans?verse velocity,a guide wall was set in the upstream intersection area in this paper.By the engineering measure,the transverse velocity is reduced to lower than 0.3 m/s,which meets the requirements of navigation.

lock;approach channel;mathematical model;diversion wall;flood discharge channel;intersection area

U 617；O 242.1

A

1005-8443（2016）02-0166-04

2015-03-30；

2015-06-04

丁堅(jiān)(1960-)，男，江蘇省南京人，高級(jí)工程師，主要從事港口與航道工程專業(yè)研究。

Biography：DING Jian（1960-），male，senior engineer.