泄水閘開啟方式對通航水流條件的影響

伍志元,蔣昌波,2,陳 杰,2,鄧 斌,2,楊 武（.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南長沙 40004；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙 40004）

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泄水閘開啟方式對通航水流條件的影響

伍志元1,蔣昌波1,2,陳 杰1,2,鄧 斌1,2,楊 武1
（1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南長沙 410004；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙 410004）

摘要:為研究閘門開啟方式對樞紐下游引航道口門區(qū)水流特征及通航水流條件的影響,以北江白石窯樞紐泄水閘為例,針對不同閘門開啟方式對下游引航道口門區(qū)通航水流條件的影響開展三維數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明:在較小流量情況下,閘門開啟方式對下游引航道口門區(qū)通航水流條件影響較小;當(dāng)流量較大時,閘門開啟方式對下游引航道口門區(qū)通航水流條件影響較大。對于白石窯樞紐泄水閘,單開左岸泄水閘,或集中開啟左岸泄水閘并間隔開啟右岸泄水閘,下游引航道口門一線船閘航道右側(cè)將不能滿足通航水流條件要求。為保證船舶航行安全,建議該工程在下泄洪水時盡可能開啟右岸泄水閘,或均勻開啟全部泄水閘。

關(guān)鍵詞:通航條件;三維數(shù)值模擬;泄水閘;口門區(qū);白石窯樞紐

通航問題在水利樞紐建設(shè)中占有特別重要的地位,引航道是否通暢是樞紐建設(shè)成敗的一個重要因素[1],引航道口門區(qū)水流特征是水利樞紐工程進(jìn)行平面布置規(guī)劃論證及優(yōu)化研究必須考慮的重要因素。GBJ50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[2]對水流在引航道口門區(qū)3個方向上的流速都有相應(yīng)規(guī)定,對Ⅰ～Ⅳ級船閘而言,口門區(qū)縱向流速不大于2.0m/s,橫向流速不大于0.3m/s,回流流速不大于0.4m/s?，F(xiàn)階段,樞紐引航道及其連接段的通航水流特征分析大多采用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行,并據(jù)此論證平面布置方案[3-4]。諸多學(xué)者在這方面開展了大量工作,取得了能夠滿足工程實(shí)際需求的成果,為三峽樞紐[5]、青田樞紐[6]和湘江株洲樞紐[7]等工程的建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。但開展物理模型試驗(yàn)需耗費(fèi)大量人力、物力和財力,時間周期長,且受到比尺效應(yīng)的影響,采用數(shù)值模擬方法開展相關(guān)研究是解決這些困擾的可行手段[8]。已有學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對口門區(qū)水流特征進(jìn)行探討,但大多基于平面二維模型,計算得到的流速為水深平均流速[9-12]?？陂T區(qū)水流結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,其三維特性顯著；《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[2]對于口門區(qū)通航水流條件的規(guī)定均限定為表層流速,而基于平面二維模型計算得到的流速為水深平均流速,并不能準(zhǔn)確反映口門區(qū)流速垂向分布特征[8],亦無法為通航水流條件評定提供科學(xué)依據(jù)。發(fā)展適用于復(fù)雜條件下的引航道口門區(qū)三維水流數(shù)學(xué)模型,已成為水利樞紐通航水流條件計算研究的重要趨勢[8,13]。

水利樞紐中泄水閘的不同開啟方式會改變引航道口門區(qū)的水流特征,從而直接影響船舶進(jìn)出引航道[14]。然而,目前關(guān)于泄水閘閘門開啟方式對引航道口門區(qū)通航水流條件的影響研究相對較少,采用三維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究尚不多見。本文基于Boussinesq假定,采用雷諾平均的N-S方程建立引航道口門區(qū)三維水流數(shù)學(xué)模型,以白石窯樞紐為工程案例,對樞紐泄水閘不同閘門開啟方式對通航水流條件的影響進(jìn)行研究。

1 三維數(shù)學(xué)模型計算方法

1.1 控制方程

對于不可壓縮流體,基于Boussinesq假定的雷諾平均N-S方程,可得到口門區(qū)三維水流方程組:連續(xù)性方程

x方向動量方程

y方向動量方程

式中:x,y,z為笛卡兒坐標(biāo)；u,v,w分別為水流流速在x,y,z方向上的3個分量；t為時間；f為科氏力參數(shù)；η為水位；pa為大氣壓強(qiáng)；ρ0為水的密度；Fu、Fv為水平應(yīng)力項(xiàng)；γt為垂向紊動黏度。

紊動模型垂向采用k-ε模型,垂向紊動黏度根據(jù)因子k和因子ε確定[15]:

式中cμ為黏結(jié)系數(shù)。

水平紊動黏度采用Smagorinsky[16]提出的模型進(jìn)行計算:

其中

式中:cs為常數(shù)；l為特征長度；Sij為變形率。

1.2 數(shù)值方法

三維模型網(wǎng)格采用分層處理技術(shù),平面上采用三角形網(wǎng)格,垂直方向采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,采用有限體積法（FVM）對方程進(jìn)行空間離散。根據(jù)Roe格式[17]的近似黎曼（approximate Riemann）求解方法計算垂向界面的對流流量,采用線性梯度重構(gòu)方法獲取二階精度,水平界面的對流流量使用一階迎風(fēng)格式求解,其中平均梯度采用Jawahar等[18]的方法計算,采用二階TVD（total variation diminishing）緩坡限制器可有效避免數(shù)值振蕩,具體數(shù)值方法和動邊界處理技術(shù)見文獻(xiàn)[8]。

2 計算結(jié)果與分析

圖1 白石窯樞紐口門區(qū)三維水流數(shù)學(xué)模型

2.1 白石窯樞紐口門區(qū)三維水流數(shù)學(xué)模型

基于上述方程,建立了白石窯樞紐口門區(qū)三維水流數(shù)學(xué)模型（圖1）,模型入口為白石窯樞紐,出口位于樞紐下游約2.0 km處。計算模型在水平方向采用三角形網(wǎng)格,垂直方向采用σ坐標(biāo)進(jìn)行分層處理,共分為10層,網(wǎng)格最大長度約為25m,對樞紐泄水閘、電站、引航道和丁壩附近進(jìn)行了網(wǎng)格加密,網(wǎng)格最小長度約為2.0m。本文計算模型包括三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)13823個,三角形單元26770個。圖1給出了白石窯樞紐下游引航道口門區(qū)三維水流數(shù)學(xué)模型的河道計算范圍地形和計算網(wǎng)格。

數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證包括水面線驗(yàn)證和流速驗(yàn)證,詳見文獻(xiàn)[8]。計算采用的地形資料是由廣東省航道局提供的地形測圖,在枯水Q=500m3/s、中水Q=1000m3/s和洪水Q=4990m3/s這3級流量下,對三維數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行水面線驗(yàn)證和流速驗(yàn)證。結(jié)果表明數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)測水面線、流速保持一致,所建立的數(shù)學(xué)模型能夠達(dá)到計算精度要求,可用于通航水流條件分析。

2.2 計算工況的確定

白石窯樞紐二線船閘平面布置采用相關(guān)主管部門和專家提出的“保留老船閘、新建二線船閘”的補(bǔ)充方案。泄水閘布置于大江河床,共計22孔。泄水閘前沿總長279m,分兩區(qū)布置,如圖1所示,左邊13孔,編號為1～13號,右邊9孔,編號為14～22 號,以中隔墻分開。泄水閘屬于開敞式寬頂堰,地基為堅硬巖石,閘頂橋面標(biāo)高44.32m,孔口凈寬10m,中墩寬2.5m,堰頂高程25.32m。白石窯樞紐上游來流大于2000m3/s時,開啟泄水閘下泄洪水。

根據(jù)交通部西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所進(jìn)行的白石窯水利樞紐壩下整治后通航建筑物模試驗(yàn)的研究成果,分別考慮2級流量8個工況（表1）。模型進(jìn)口采用流量邊界條件,在電站機(jī)組和22孔泄水閘處分別設(shè)置進(jìn)口流量邊界條件,各閘下泄流量根據(jù)閘門開度通過堰上閘孔出流公式推求得到。

2.3 口門區(qū)水流條件分析

在白石窯樞紐下游引航道口門區(qū)附近布置6個斷面,共36個測點(diǎn),如圖2所示,測量樞紐泄水閘下泄時的口門區(qū)表面流速,得到口門區(qū)附近縱向流速、橫向流速、回流流速,探究泄水閘閘門不同開啟方式對口門區(qū)通航條件的影響規(guī)律。

表1 白石窯樞紐下游計算工況

圖2 白石窯樞紐下游表層流速測點(diǎn)布置示意圖

圖3給出了流量Q=6740m3/s條件下,白石窯樞紐泄水閘按照工況1、4、5下泄時樞紐下游表層流速分布云圖。當(dāng)泄水閘按照工況1開啟時,下游引航道流場如圖3（a）所示,下游引航道口門區(qū)的31號測點(diǎn)最大縱向流速為2.027m/s,略大于《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的2.0m/s,但該區(qū)范圍很小,其余均小于2.0m/s；橫向流速最大值為0.282m/s,小于《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的0.3m/s；回流速度最大值為0.344m/s,小于《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的0.4m/s。所以,該工況下游引航道口門區(qū)通航水流條件總體符合要求。

當(dāng)泄水閘按照工況4進(jìn)行開啟時下游引航道流場如圖3（b）所示。下游引航道口門區(qū)縱向流速范圍是0.0046～1.986m/s,小于2.0m/s；橫向流速最大值為0.280m/s,小于0.3m/s；回流速度最大值為0.418m/s,略大于0.4m/s,但范圍很小。所以,該工況下游引航道口門區(qū)通航水流條件總體符合規(guī)定要求。

當(dāng)泄水閘按照工況5進(jìn)行開啟時,下游引航道流場如圖3（c）所示,下游引航道口門區(qū)橫向流速最大值為0.300m/s；回流速度最大值為0.240m/s,小于0.4m/s；其中25號、31號、32號、33號測點(diǎn)縱向流速大于2.0m/s,最大縱向流速為2.431m/s,局部區(qū)域縱向流速不滿足要求。所以,工況5下游引航道口門區(qū)通航水流條件不符合規(guī)定要求。

圖3 白石窯樞紐下游表層流速分布云圖（Q=6740m3/s）

圖4給出了流量Q=4990m3/s條件下,白石窯樞紐泄水閘按照工況6、7、8下泄時樞紐下游表層流速分布云圖。當(dāng)泄水閘按照工況6進(jìn)行開啟時,下游引航道流場如圖4（a）所示。下游引航道口門區(qū)最大縱向流速為1.843m/s,小于2.0m/s；最大橫向流速為0.237m/s,小于0.3m/s；最大回流流速為0.373m/s,小于0.4m/s。因此,工況6下游引航道口門區(qū)能滿足通航水流條件要求。

當(dāng)泄水閘按照工況7進(jìn)行開啟時,電站滿發(fā), 14～22號閘各開6m,13號閘開5m,12號閘開4.7m,下游引航道流場如圖4（b）所示。下游引航道口門區(qū)最大縱向流速為1.838m/s,小于2.0m/s；最大橫向流速為0.247m/s,小于0.3m/s；最大回流流速為0.157m/s,小于0.4m/s。因此,工況7下游引航道口門區(qū)也能滿足通航水流條件要求。

當(dāng)泄水閘按照工況8進(jìn)行開啟時,電站滿發(fā), 1～13號閘各開4.7m,下游引航道流場如圖4（c）所示。下游引航道口門區(qū)最大縱向流速為1.773m/s,小于2.0m/s；最大橫向流速為0.181m/s,小于0.3m/s；最大回流流速為0.070m/s,小于0.4m/s。因此,工況8下游引航道口門區(qū)也能滿足通航水流條件要求。

圖4 白石窯樞紐下游表層流速分布云圖（Q=4990m3/s）

根據(jù)調(diào)度要求,當(dāng)白石窯樞紐上游來流大于2000m3/s時,水庫開啟泄水閘開始下泄。對比工況6～8下游流態(tài)和口門區(qū)流速結(jié)果,全閘敞泄、單開左岸泄水閘或單開右岸泄水閘,樞紐下泄總流量為4990m3/s,此時下游引航道口門區(qū)均能滿足通航對水流條件的要求。因此,當(dāng)流量較小時,不同的閘門開啟方式對下游引航道口門區(qū)水流條件影響較小。對比工況1～5下游流態(tài)和口門區(qū)流速結(jié)果,流量為6740m3/s時,全閘敞泄、單開右岸泄水閘或者集中開啟右岸泄水閘并間隔開啟左岸泄水閘時,該區(qū)域內(nèi)通航水流條件良好。單開左岸泄水閘或者集中開啟左岸泄水閘并間隔開啟右岸泄水閘時,下游引航道口門一線船閘航道右側(cè)達(dá)不到通航對水流條件的要求。

因而,當(dāng)流量較大時,不同的閘門開啟方式對下游引航道口門區(qū)水流條件影響較大,為保證船舶航行安全,建議白石窯樞紐洪水下泄時應(yīng)盡可能開啟右岸泄水閘,或者均勻開啟全部泄水閘。

3 結(jié) 語

基于不可壓縮RANS方程,采用三維水流數(shù)學(xué)模型探討不同閘門開啟方式對樞紐下游引航道口門區(qū)通航水流條件的影響。模型平面方向采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,垂向采用σ分層坐標(biāo),將模型應(yīng)用于白石窯樞紐下游引航道口門區(qū)水流特征研究。通過下游流態(tài)和口門區(qū)流速對比,得出流量較小時不同的閘門開啟方式對下游引航道口門區(qū)水流條件影響較??；流量較大時,不同的閘門開啟方式對下游引航道口門區(qū)水流條件影響較大。單開左岸泄水閘,或者集中開啟左岸泄水閘并間隔開啟右岸泄水閘時,下游引航道口門一線船閘航道右側(cè)不滿足通航水流條件要求。為保證船舶航行安全,建議白石窯樞紐進(jìn)行洪水下泄時盡可能開啟右岸泄水閘或者均勻開啟全部泄水閘。該三維數(shù)學(xué)模型可用于白石窯樞紐引航道水流條件計算分析,也可為今后其他水利樞紐調(diào)度方案優(yōu)化、船舶航行安全分析等提供參考。

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中圖分類號:TV61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1006- 7647（2016）03- 0073- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.015

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金（51239001）；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（14C0024）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2015B348）

作者簡介:伍志元（1989—）,男,博士研究生,主要從事河流、海岸動力過程及其模擬技術(shù)研究。E-mail:wuzhiyuan89@ yeah.net

通信作者:蔣昌波（1970—）,男,教授,主要從事河流、海岸動力過程及其模擬技術(shù)研究。E-mail:jcb36@ vip.163.com

收稿日期:（2015 04- 08 編輯:駱超）

Influence of sluicegate openingmode on navigation flow condition

WU Zhiyuan1, JIANG Changbo1,2, CHEN Jie1, 2,DENG Bin1,2, YANG Wu1（1.School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China；2.Key Laboratory of Water and Sediment Sciences & Flood Hazard Prevention of Hunan Province, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China）

Abstract:The sluicegates of the Baishiyao Hydro-Junction in the Beijiang River were selected to study the influence of the sluicegate openingmode on flow features and navigation flow conditions in the entrance area of an approaching channel downstream of the hydro-junction.Three-dimensional（3D）numerical simulation was conducted on the influence of different sluicegate openingmodes on the navigation flow conditions in the entrance area of the downstream approaching channel.The results show that the influence of sluicegate openingmodes on the navigation conditions is small when the flow is low, and the influence of sluicegate openingmodes on the navigation conditions is large when the flow is high.For the sluicegates of the Baishiyao Hydro-Junction, a single opening of the left sluicegate or intensive opening of the left sluicegate with opening at intervals of the right sluicegate will prevent the navigation flow conditions of the right side of the first-line ship lock frommeeting the requirements in the entrance area of the downstream approaching channel.To ensure the safety of navigation, it is suggested that the right sluicegate of the Baishiyao Hydro-Junction be opened or else all the sluicegates be opened during flood drainage.

Key words:navigation condition；3D numerical simulation；sluicegate；entrance area；Baishiyao Hydro-Junction