大落差支流口入?yún)R運河治理優(yōu)化的數(shù)值模擬研究

黃毓斌 覃海林 趙紅芳

摘要：大落差支流匯入主航道時對干流航道的影響較大，需采取相應的治理措施。文章以平陸運河典型支流入?yún)R為例，基于VOF法的RNG k-ε雙方程紊流數(shù)學模型對運河水流特性及交匯口通航水流流態(tài)進行二維和三維數(shù)值模擬，對大落差支流口的通航水流條件進行分析評價，并根據(jù)原支流口平面布置方案的流速分布情況以及水流特性，對方案進行調(diào)整優(yōu)化。結(jié)果表明：在原方案20年一遇流量通航控制工況條件下，匯流口橫向流速值超標；在考慮航道需求和增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案情況下航道通航效果良好，匯流口區(qū)域橫向流速滿足要求，最大橫向流速分別為0.27 m/s和0.26 m/s，可作為優(yōu)化方案。研究成果可為類似工程的優(yōu)化治理提供參考。

關(guān)鍵詞：支流；大落差；運河；通航水流條件；數(shù)值模擬

中圖分類號：U617.2? ?文獻標識碼：A

0 引言

“十四五”以來，我國內(nèi)河航運進入高速發(fā)展期，在航道縱斷面設(shè)計時，應考慮在最低通航水位下使各個梯級的航道能夠充分銜接，達到設(shè)計通航標準。特別是當較大落差的支流匯入主航道時，由于大落差的存在使得水流沖刷力強，對干流航道造成影響，因此需采取相應的治理措施［1］。治理此類問題不僅可以保證航道的通暢，還可以防止因落差過大引發(fā)的洪水、塌方等自然災害，對于保護人民生命財產(chǎn)安全具有重大意義。

目前，針對上述問題的研究方法主要有物理模型試驗和CFD數(shù)值模擬技術(shù)［2］。物理模型試驗中存在工作量大［3］、試驗周期長，試驗成本高、流場內(nèi)部流態(tài)分析困難、難以滿足工程需求等缺點，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法的快速發(fā)展彌補了物理模型試驗的諸多不足。沈立群等［4］以漢江碾盤山水電樞紐通航水流條件為例，建立樞紐工程區(qū)域物理模型，提出延長隔流堤來滿足航道通航水流條件要求的引航道優(yōu)化方案。王鐵力等［5］結(jié)合淮柴閘樞紐工程設(shè)計，基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)建立水流三維數(shù)學模型，分析了該樞紐水流流動特性，得出滿足通航安全的允許流速。張輝等［6］利用率定后的數(shù)學模型對引江濟淮工程韓橋跌水工程通航水流條件進行綜合評價，并提出滿足江淮溝通段臨河建筑物支流洪水入渠控制條件的優(yōu)化方案。東培華等［7］通過建立平面二維水流數(shù)學模型，計算分析不同代表流量條件下尹公洲水道內(nèi)水動力特征，為尹公洲水道通航能力提升研究提供技術(shù)支撐。邵雨辰等［8］運用MIKE水動力模塊建立數(shù)值模型，對蕪申運河三里埂提出相應的工程措施，使航道內(nèi)水流條件滿足設(shè)計要求。雖然諸多學者對航道通航水流條件進行了研究，并提出了許多改善銜接段通航水流條件的舉措，卻罕有大落差支流入?yún)R運河治理優(yōu)化的數(shù)值模擬研究。

平陸運河工程作為西部陸海新通道的重要組成和新開辟的江海聯(lián)運戰(zhàn)略大通道，支流匯入口河段航道的正常通航是整個工程功能效益能否正常發(fā)揮的重要保障。而平陸運河梯級樞紐基坑開挖尺度大，運河河底與沿線支流口的河床高差一般達5～10 m。因此，支流匯入口布置對干流航道的影響是保障運河正常通航亟待研究的重要問題。根據(jù)《運河通航標準》（JTS 180-2-2011）6.2.3節(jié)規(guī)定［9］，支流匯入口對應的運河航道內(nèi)橫向流速應≤0.3 m/s。為保證人工運河工程的通航安全，需對支流口銜接方式進行合理布置，并對支流口的通航水流條件進行分析評價，提出支流口治理的推薦方案。

本文以平陸運河典型支流沙埠江為例，對原方案通航水流條件進行數(shù)值模擬。采用基于VOF法［10］的RNG k-ε（湍流動能-湍流動能耗散率）［11］雙方程紊流數(shù)學模型，對考慮航道需求下的沙埠江支流匯入口通航水流條件進行數(shù)值模擬，并提出增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)且滿足沙埠江支流匯入運河控制條件的優(yōu)化方案，可為類似的大落差運河工程的設(shè)計及安全運行提供技術(shù)支撐，具有重要的理論價值與工程應用現(xiàn)實意義。

1 典型支流概況

平陸運河工程涉及水系眾多，主要有郁江支流沙坪河、欽江流域及其支流沙埠江、舊州江等，全長約140 km。沙埠江支流原本是欽江左岸的一條支流，平陸運河修建后，原沙埠江支流先匯入欽江，再由欽江匯入運河，沙埠江流域內(nèi)包含廣平河、楊屋河、欽江及運河水流的相互運動，入?yún)R關(guān)系比較復雜。沙埠江支流口河段枯水河寬在3～4 m，流量為2.0～3.0 m3/s，一般洪水河寬可達5～10 m，原欽江河床與運河河底的高差約為9.3 m。

2 模擬計算結(jié)果與分析

2.1 原方案

2.1.1 原方案布置

為減少運河修建后廣平河支流對運河通航水流條件的影響，對支流匯入運河口段（即原欽江匯入運河）進行了銜接布置?，F(xiàn)狀情況下，由沙埠江至欽江匯入運河口段河床底高程約為11.0 m，在河口段進行放坡銜接，即由原欽江河底11.0 m放坡至運河河底1.7 m高程，放坡長度約為424 m，寬度約為30 m；放坡后，距離河口距離約261 m。

2.1.2 計算工況及相關(guān)參數(shù)

根據(jù)平陸運河干流與支流入?yún)R關(guān)系分析，從最不利角度出發(fā)，模擬計算工況選取沙埠江支流20年一遇洪水流量遭遇運河干流5年一遇的流量組合，其中支流流量Q=471 m3/s，尾水位為14.41 m，干流底高程為1.7 m。糙率取值0.025。

鑒于該研究河段內(nèi)欽江與運河有多次交叉，原欽江被截彎取直，保留了多個截彎取直河段，水流流動、往復運動非常復雜，且各支流與運河銜接的坡度相對較緩，因此采用二維數(shù)學模型進行模擬求解。由于各支流、欽江與運河呈繩套關(guān)系，為保證進出口河段平順、單一且沒有匯流干擾等影響，模型選取了較大范圍進行模擬。在整個模擬范圍內(nèi)，運河干流長約9.1 km，原欽江長度約為16.5 km。其中，支流青塘河模擬計算范圍長約1.5 km，沙埠江計算范圍長約1.8 km，陳屋河計算范圍長約0.55 km，楊屋河計算范圍長約0.63 km，廣平河計算范圍長約1.5 km。為保證計算精度，模型網(wǎng)格尺度為15.0～20.0 m，總體網(wǎng)格數(shù)量約210 000個。

2.1.3 航道內(nèi)橫流計算結(jié)果

原方案模擬得到的運河航道內(nèi)的橫流云圖如圖1所示。由圖1可知，對于模擬范圍內(nèi)的支流口，≤0.3 m/s橫流標準的支流口包括舊村河、陳屋河和楊屋河；橫流＞0.3 m/s的支流口包括青塘河、沙埠江和廣平河。沙埠江超標橫流范圍相對較大，約為30.0 m×16.0 m（長×寬），沙埠江支流口附近運河干流航道內(nèi)的橫流在0～0.38 m/s，最大橫流約0.38 m/s，＞0.3 m/s的橫流限值。因此沙埠江支流匯入后，運河航道的通航水流條件不滿足要求。

2.2 考慮航道需求方案

2.2.1 考慮航道需求方案布置

分析沙埠江與欽江關(guān)系，原沙埠江匯入欽江故道后可能從右汊過流，右汊處于主汊位置，水流自右汊流入欽江后，從欽江匯入運河的角度更大，對運河的頂沖作用更為突出，可能會引起水流條件的惡化。因此，方案布置時將右汊進行堵塞，從最不利情況出發(fā)，使沙埠江從左汊匯入欽江后一并進行消能處理。

考慮航道需求，從原放坡點至支流河口266.8 m，原泥面12.0 m放坡至運河的底高程1.7 m，坡度為1∶4，長度約為51.2 m，寬度為30 m。其后，開挖消力池進行消能，開挖深度為2.5 m，開挖高程至-0.8 m，長度為80.0 m，再按照坡度1∶4放坡至運河底高程1.7 m，長度約為10 m。消力池建成后與運河相接，保持1.7 m河底高程銜接至支流匯入口，長度約為368.8 m。

2.2.2 三維模擬相關(guān)參數(shù)

根據(jù)干支流交匯關(guān)系，進出口盡量選取在單一的平順段。在模型模擬范圍內(nèi)運河河段長約1.53 km，其中支流口上游段長約790 m，下游段長約740 m。整個計算區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。由于模擬范圍較大，為盡量捕捉到流動細節(jié)，將網(wǎng)格總數(shù)設(shè)置為約413萬。按流動區(qū)域類型，分為3個網(wǎng)格塊進行模擬。在沙埠江支流口消能河段采用的X、Y方向上網(wǎng)格尺度為1.0 m，Z方向上網(wǎng)格尺度為0.5 m；在其他兩個網(wǎng)格塊中，X、Y方向上網(wǎng)格尺度為2.0 m，Z方向上網(wǎng)格尺度為1.0 m，最大相鄰網(wǎng)格變化比為2.0。

2.2.3 航道內(nèi)橫流計算結(jié)果

根據(jù)模擬計算分析，運河干流航道的主流絕大部分沿運河下游方向流動，在支流匯入口附近有一定的局部回流。根據(jù)模擬計算，運河干流的水深變化在11.0～12.50 m，支流進口水深約3.5 m，運河航道內(nèi)平均流速一般在1.0～2.10 m/s，支流進口局部流速約2.3 m/s，運河干流航道內(nèi)地橫流一般在0～0.27 m/s，運河干流航道最大流速約1.82 m/s，沒有超過0.3 m/s的橫流限值（表1），因此通航水流條件滿足要求。

2.3 增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案

2.3.1 生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案的布置

為同時兼顧通航水流條件、魚類棲息及生態(tài)涵養(yǎng)預留功能，在航道需求方案基礎(chǔ)上增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案為：從原沙埠江支流到運河之間增設(shè)約515 m長的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)砌筑7個拋石筑壩（壩頂寬3 m、高1 m、側(cè)向坡比1∶2），接著從原泥面12.0 m放坡至運河的底高程-0.8 m，坡度為1∶4，長度約為51.2 m，寬度為30 m。其后，開挖消力池進行消能，開挖深度為2.5 m，開挖高程至-0.8 m，長度為80.0 m；再按照坡度1∶4恢復至運河底高程1.7 m，長度約為10 m。消力池建成后與運河相接，保持1.7 m河底高程銜接至支流匯入口，長度約369 m。生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案的計算區(qū)域選取、網(wǎng)格劃分、邊界條件和初始條件與考慮航道需求方案均相同。

2.3.2 航道內(nèi)橫流計算結(jié)果

根據(jù)模擬計算分析，運河干流航道的主流絕大部分沿運河下游方向流動，在支流匯入口附近有一定局部回流。按增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案模擬，運河干流的水深變化在11.0～12.50 m，支流進口水深約3.6 m，運河航道內(nèi)平均流速一般在1.0～2.10 m/s，支流進口局部流速約2.3 m/s，運河干流航道內(nèi)橫流一般在0～0.26 m/s，沒有超過0.3 m/s的橫流限值。運河干流航道最大縱向流速約1.87 m/s，最大橫流約0.26 m/s（表1）。因此，增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案情況下航道通航水流條件滿足要求。

3 結(jié)語

（1）基于平面二維水動力學數(shù)學模型對典型大落差支流入?yún)R干流進行了模擬計算，結(jié)果表明原方案情況下運河航道內(nèi)最大流速約2.55 m/s，最大橫流約0.38 m/s，超標橫流范圍約10.0 m×5.0 m（長×寬）。

（2）根據(jù)原布置方案流速分布以及水流特性，對原設(shè)計方案進行調(diào)整優(yōu)化。采用三維水動力數(shù)學模型對支流口優(yōu)化方案開展了較為精細的模擬計算，結(jié)果表明，運河航道內(nèi)最大流速約1.82 m/s，最大橫流約0.27 m/s，沒有超過0.3 m/s的橫流限值。

（3）為同時兼顧通航水流條件、魚類棲息及生態(tài)涵養(yǎng)預留功能，在原航道需求方案上增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)模擬，得出運河干流航道最大縱向流速約1.87 m/s，最大橫流約0.26 m/s。因此，在考慮航道需求方案和增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案情況下航道通航水流條件均滿足要求。本研究可為類似的大落差支流入?yún)R運河工程的優(yōu)化布置及治理提供參考和借鑒。

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作者簡介：黃毓斌（1986—），工程師，主要從事水運工程建設(shè)方面的工作。