彎道導(dǎo)流河水流流動特性分析

陸紀(jì)友，劉永剛

(江陰市長涇水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 江陰 214400)

1 工程背景

某地涵工程建于上世紀(jì)70年代，共5孔，每孔3 m×3 m，底板、邊墩與頂板采用混凝土結(jié)構(gòu)，中墩采用漿砌塊石結(jié)構(gòu)。由于年代久遠(yuǎn)，相關(guān)原始設(shè)計資料散失，混凝土、漿砌塊石標(biāo)號已不可考。該地涵工程結(jié)構(gòu)老化，已多次加固改建，仍不能滿足現(xiàn)狀運(yùn)行要求。在洼地整治工程中予以拆建，只保留改建的下洞首。拆建地涵結(jié)構(gòu)有上洞首、十二節(jié)洞身，連接原有的下洞首；地涵連接小閆河，徐洪河與地涵正交，拆建后地涵剖面圖見圖1。

圖1 拆建地涵剖面圖

2 導(dǎo)流河布置

根據(jù)地涵工程施工導(dǎo)截流設(shè)計情況，在現(xiàn)狀徐洪河上下游各設(shè)置圍堰后開挖導(dǎo)流/導(dǎo)航河道，通過小閆河上下游設(shè)置圍堰，形成地涵的施工基坑。導(dǎo)流河最低通航水位18.5 m，常水位為20.2 m(廢黃河高程，下同)，相應(yīng)導(dǎo)流流量為53.13和115.29 m3/s。導(dǎo)流河開挖斷面見圖2，平面布置見圖3。導(dǎo)流河彎曲段X方向長1 801 m，Y方向?qū)?16 m，有必要進(jìn)行數(shù)值模擬計算分析大曲率彎道水流流動對導(dǎo)流河通航以及邊坡沖刷的影響。

圖2 導(dǎo)流河開挖斷面圖

圖3 導(dǎo)流河平面布置圖

3 數(shù)學(xué)模型參考范圍

該地涵導(dǎo)流河數(shù)學(xué)模型參考范圍由進(jìn)出口直線段不小于5倍水面300 m、彎曲段及徐洪河上下游圍堰外圍組成。根據(jù)該地涵建筑物及河道布置情況，按照1∶1比例，建立導(dǎo)流河區(qū)域水流三維數(shù)學(xué)模型(圖4)。

圖4 導(dǎo)流河三維數(shù)學(xué)模型

4 控制方程

奔牛水利樞紐施工導(dǎo)流河水流流動區(qū)域三維數(shù)值模擬，采用三維雷諾時均N-S方程來描述其不可壓縮湍流流動，方程式如下:

雷諾時均N-S方程：

式中：ρ流體密度；t為時間；ui(i=x，y，z)速度沿i方向的分量；p壓力；v流體的運(yùn)動黏性系數(shù)。

5 邊界條件設(shè)置

計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，一階迎風(fēng)格式；進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口；出口設(shè)置為自由出流，水流與空氣接觸面為剛蓋假定，其余壁面均設(shè)為無滑移壁面條件，設(shè)定參考大氣壓力為1atm。樞紐所有邊壁均設(shè)為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

6 水流特性分析

6.1 通航代表船型

根據(jù)《運(yùn)河通航標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定，徐洪河河道通航等級為5級航道，過船等級300 t；運(yùn)河航道中縱向流速不超過1.0 m/s；運(yùn)河中的取、泄水口和其他匯流口的水域，航道橫向流速不應(yīng)超過0.3 m/s，回流流速不應(yīng)超過0.4 m/s[1]。通航代表船型見表1。

表1 通航代表船型

6.2 計算結(jié)果分析

施工導(dǎo)流河最低通航水位18.5 m和常水位20.2 m工況水流流態(tài)與速度分布見圖5-圖6。最低通航水位和常水位下，導(dǎo)流河直線段、彎曲段流態(tài)平順；彎曲段導(dǎo)流河流速分布均勻，最大流速不超過0.6 m/s，且分布范圍很?。贿M(jìn)出口與圓弧段連接處出現(xiàn)回流，且靠近內(nèi)側(cè)圓弧，回流區(qū)最大流速不超過0.25 m/s；平行于航線的縱向流速最大不超過0.6 m/s，符合規(guī)范要求。彎道導(dǎo)流河縱向流速分布規(guī)律比較符合休克萊彎道水槽實驗成果[2]。

圖5 導(dǎo)流河最低通航水位流態(tài)流速分布圖

圖6 導(dǎo)流河常水位流態(tài)流速分布圖

6.3 沖淤計算

根據(jù)地勘報告，導(dǎo)流河河床位于②層中粉質(zhì)壤土(圖7)，土壤顆粒直徑0.005～0.075 mm占75.8%，為細(xì)粒土。河床不沖流速按列維公式計算：

式中：Rα為水力半徑修正系數(shù)，其中R為過水?dāng)嗝嫠Π霃?；h為河道水深；d為河床土質(zhì)平均粒徑。

按上式計算得到，該段河床不沖流速為1.08 m/s，大于導(dǎo)流河最大流速0.6 m/s(詳見圖6)，滿足抗沖要求，不影響河床、河道邊坡穩(wěn)定。

圖7 徐洪河土層分布

7 結(jié) 語

通過對該地涵彎道導(dǎo)流河水流流動數(shù)值模擬計算，從水流流態(tài)、流速分布、沖淤計算分析等方面，得到結(jié)論如下：

1) 不同工況下，導(dǎo)流河流態(tài)較為平順，僅在進(jìn)出口圓弧過渡段局部出現(xiàn)較大回流區(qū)且靠近內(nèi)側(cè)，不影響過船安全。

2) 不同工況下，導(dǎo)流河最大流速不超過0.6 m/s，滿足抗沖要求，不影響河床、河道邊坡穩(wěn)定。