地涵正交河道船舶行駛安全分析

徐 軍，金海銀，李 雷

(1.無錫市水利設(shè)計研究院有限公司 江陰分院，江蘇 江陰 214400； 2.江陰市澄江水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 江陰 214400； 3.江陰市重點水利工程建設(shè)管理處，江蘇 江陰 214431)

1 概 述

某地涵工程建于上世紀(jì)70年代，共5孔，每孔3 m×3 m。該地涵現(xiàn)已運行近50年，其結(jié)構(gòu)老化，已多次進(jìn)行加固改建，現(xiàn)已不能滿足現(xiàn)狀運行要求。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，最大過涵流量為68 m3/s；徐洪河與地涵正交，拆建后地涵剖面圖見圖1。當(dāng)小閆河過涵流量不滿足調(diào)水要求時，從徐洪河引進(jìn)部分流量區(qū)域調(diào)水需求。徐洪河航道現(xiàn)狀等級為5級航道，規(guī)劃航道為3級，船舶噸級1 000 t，代表船型尺度見表1[1]。當(dāng)?shù)睾瓘男旌楹右M(jìn)部分流量時，地涵范圍內(nèi)的正交河道產(chǎn)生橫向流速。橫向流速危及過船安全，有必要對地涵段正交河道進(jìn)行數(shù)值計算，分析橫向流速大小。

圖1 拆建地涵剖面圖

表1 通航代表船型

2 相關(guān)規(guī)范規(guī)定

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139-2014)、《運河通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTS180-2-2011)的有關(guān)規(guī)定，內(nèi)河航道中的流速、流態(tài)和比降等水流條件應(yīng)滿足設(shè)計船舶或航隊安全航行要求[1]；運河航道中縱向流速不超過1.0 m/s；運河中的取、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[2]。

3 數(shù)學(xué)模型

第二節(jié)洞身在徐洪河設(shè)置引水口，兩側(cè)共兩節(jié)扶壁式擋土墻；徐洪河河道河底寬45 m，河底高程15.3 m(廢黃河高程，下同)，河道邊坡1∶3。根據(jù)地涵工程建筑物及河道布置情況，按照1∶1(單位：m)比例，建立水流三維數(shù)學(xué)模型，其中河道長度大于5倍水面寬，滿足規(guī)范要求。見圖2、圖3。

圖2 第二節(jié)洞身

圖3 三維模型

4 計算設(shè)置

4.1 控制方程

該地涵工程水流流動區(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:

連續(xù)性方程：

雷諾時均N-S方程：

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

4.2 可實現(xiàn)k-e模型方程

計算湍流模型選擇realizable k-e方程，對于旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離、強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)、二次流有很好的表現(xiàn)。

4.3 邊界條件設(shè)置

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。所有邊壁均設(shè)為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

5 結(jié)果分析

計算工況考慮極限工況，即上洞首閘門關(guān)閉，從第二節(jié)洞身進(jìn)水口引水滿足區(qū)域調(diào)水需求。徐洪河規(guī)劃3級航道，最高通航水位22.50 m，最低通航水位18.50 m，在最低、最高通航水位之間滿足調(diào)水流量。地涵流量計算依據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范》(SL 482-2011)附錄C有關(guān)公式[3]，地涵最大計算流量為99 m3/s，實際最大流量為68 m3/s。第二節(jié)洞身進(jìn)水口引水流量按實際通過流量，即極限工況流量分別為46.8和68 m3/s。

5.1 計算工況一

當(dāng)上洞首閘門關(guān)閉，第二節(jié)洞身進(jìn)水口引水，水位20.87 m,流量46.8 m3/s，即為計算工況一。計算工況一結(jié)果云圖見圖4。

第二節(jié)洞身引水口兩側(cè)擋墻外出現(xiàn)范圍較小的回流區(qū)，引水口內(nèi)出現(xiàn)較大的高強(qiáng)度回流，回流流速在0.4 m/s以內(nèi)，較大的高強(qiáng)度回流會影響引水口進(jìn)水流量。主河道流態(tài)較為平順，河道內(nèi)無回流等不良流態(tài)，引水口兩側(cè)5倍水面寬長度內(nèi)主流流速范圍在0.4～0.6 m/s，不超過三級航道過船縱向流速上限2.0 m/s。橫向流速分布，引水口內(nèi)分布范圍在0.2～0.8 m/s；主河道分布范圍在0～0.2 m/s，小于三級航道橫向流速上限0.3 m/s。

5.2 計算工況二

當(dāng)上洞首閘門關(guān)閉，第二節(jié)洞身進(jìn)水口引水，水位20.92 m,流量68 m3/s，即為計算工況二。計算工況二結(jié)果云圖見圖5。

圖5 計算工況二結(jié)果云圖

引水口兩側(cè)擋墻外出現(xiàn)范圍較小的回流區(qū)，引水口內(nèi)出現(xiàn)較大的高強(qiáng)度回流，回流流速在0.6 m/s以內(nèi)。主河道流態(tài)較為平順，河道內(nèi)無回流等不良流態(tài)，引水口兩側(cè)5倍水面寬長度內(nèi)主流流速范圍在0.4～0.6 m/s，不超過三級航道過船縱向流速上限2.0 m/s。橫向流速分布，引水口內(nèi)分布范圍在0.2～1.2 m/s；主河道分布范圍在0～0.2 m/s，小于三級航道橫向流速上限0.3 m/s。

綜上所述，主河道流態(tài)較為平順，河道內(nèi)無回流等不良流態(tài)，主流流速大小不超過三級航道過船縱向流速上限2.0 m/s，橫向流速小于三級航道橫向流速上限0.3 m/s，不影響三級航道船舶行駛安全。

6 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬，分析了主河道岸邊設(shè)置引水口后三級航道流態(tài)、流速分布，結(jié)論如下：

1) 主河道流態(tài)較為平順，河道內(nèi)無回流等不良流態(tài)，主流流速大小不超過三級航道過船縱向流速上限2.0 m/s。

2) 主河道橫向流速分布小于三級航道橫向流速上限0.3 m/s。

3) 主河道岸邊設(shè)置引水口后不影響三級航道船舶行駛安全。