分散梯級(jí)船閘中間渠道水力特性及關(guān)鍵參數(shù)影響研究*

祝 龍，劉本芹，宣國祥，黃 岳，金 英

(南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

中間渠道是連接分散梯級(jí)船閘、升船機(jī)等通航建筑物的特殊通航渠道[1-3]，可充分利用現(xiàn)場地形進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，適應(yīng)性強(qiáng)。但中間渠道是典型的淺水狹窄型航道，船舶在此類航道中航行，航行阻力增加、速度降低、操縱性能變差；同時(shí)由于其兩端封閉，上下游船閘的充泄水將會(huì)在中間渠道內(nèi)產(chǎn)生涌波—充水波和泄水波，發(fā)生反射、疊加和震蕩等，給船舶通行帶來較為不利的影響[4]。為此，有必要針對(duì)船閘充泄水運(yùn)行時(shí)中間渠道內(nèi)的水流條件開展研究，了解掌握中間渠道關(guān)鍵水力參數(shù)對(duì)船舶通航水流條件的影響規(guī)律。本文以三峽新通道可能的分散兩級(jí)雙線船閘帶中間渠道布置方案為例，開展了系列數(shù)值模擬研究，相關(guān)成果可為類似工程建設(shè)提供參考。

1 中間渠道布置

中間渠道上級(jí)船閘的泄水廊道出口一般在渠道的頭部，對(duì)于中間渠道而言，類似船閘的頭部輸水；下級(jí)船閘的輸水廊道入口在渠道的尾部。在取水和泄水的出入口均采用一定的消能方式來盡量保證水流的均勻性。模擬研究時(shí)假定中間渠道為規(guī)則矩形斷面設(shè)計(jì)，除與上下游船閘相連的導(dǎo)航段斷面尺寸有所變化外，中間部分?jǐn)嗝嫘螤钜恢?，見圖1，為方便處理，將雙線船閘的4個(gè)進(jìn)、出水口分別標(biāo)示為A、B、C、D。

圖1 中間渠道布置形式(單位：m)

1.1 長度設(shè)計(jì)

兩線船閘中間的隔流導(dǎo)航建筑物直線長度按照規(guī)范并結(jié)合工程實(shí)際確定，在計(jì)算中取為100 m；結(jié)合新通道可能的布置方案，中間渠道總長度初定在2～5 km，并在此長度范圍開展數(shù)值模擬研究。

1.2 寬度設(shè)計(jì)

中間渠道上游和下游端部寬度相對(duì)固定，為新通道船閘閘室的寬度，假定為42 m；中間部分寬度根據(jù)設(shè)計(jì)代表船型，按照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[5]和《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]進(jìn)行估算，數(shù)模中寬度的范圍取175～250 m。

1.3 初始水深

新通道設(shè)計(jì)代表船型的最大吃水約為5.5 m，按照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，航道水深需不小于8.25 m，為保證計(jì)算規(guī)律的完整性，數(shù)值模擬中初始水深取7～10 m范圍。

2 數(shù)學(xué)計(jì)算模型

2.1 基本原理

采用圣維南方程組來描述中間渠道內(nèi)部具有自由表面的明渠非恒定水流運(yùn)動(dòng)[7]，基本方程如下：

(1)

(2)

式中：Q為過流流量(m3/s)；A為過水?dāng)嗝婷娣e(m2)；t為時(shí)間；h為水位(m)；R為水力半徑(m)；C為謝才系數(shù)；α為動(dòng)量校正系數(shù)；q為旁側(cè)入流量(m3/s)。

圣維南方程組中的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程采用有限差分法進(jìn)行離散，計(jì)算網(wǎng)格由流量點(diǎn)和水位點(diǎn)組成，且流量點(diǎn)和網(wǎng)格點(diǎn)在同一時(shí)間步長下分別進(jìn)行計(jì)算。之后利用追趕法進(jìn)行求解，進(jìn)而獲取中間渠道的水動(dòng)力特性—水深、流速以及波動(dòng)狀況。

2.2 邊界條件

上下游為船閘充泄水流量邊界，數(shù)模中船閘在A、B、C、D的流量過程見圖2(船閘不運(yùn)行時(shí)取為固壁邊界條件)；兩側(cè)及底部為渠道邊壁，取為固壁邊界條件；中間渠道為人工渠道，表面糙率即為水泥混凝土抹面糙率，數(shù)模中為了對(duì)比糙率對(duì)渠道內(nèi)水流條件的影響，糙率n取值范圍為0.014～0.025。渠道為上部不封閉的明渠，中間渠道邊壁高度保證水不溢出即可，計(jì)算中統(tǒng)一取12 m。

圖2 船閘充泄水流量過程

2.3 計(jì)算工況

中間渠道內(nèi)通航水流條件受船閘運(yùn)行方式、中間渠幾何尺度、初始水深以及渠道糙率等多因素影響，為全面掌握和分析各參數(shù)對(duì)渠道內(nèi)水流條件的影響規(guī)律，選取表1的28組工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，需說明的是，表中錯(cuò)時(shí)時(shí)間間隔均取為A、B運(yùn)行產(chǎn)生的推進(jìn)波行進(jìn)至C、D所需時(shí)間。

表1 數(shù)模計(jì)算工況

續(xù)表1

3 模擬結(jié)果分析

3.1 中間渠道內(nèi)波流紊動(dòng)特性

圖3為不同運(yùn)行方式下1～10 min中間渠道內(nèi)水面線分布。

圖3 不同運(yùn)行方式下中間渠道內(nèi)水面線分布

由圖3可知：1)在船閘充泄水運(yùn)行時(shí)，中間渠道內(nèi)會(huì)形成較為復(fù)雜的波動(dòng)和震蕩現(xiàn)象，總體來看中間渠道內(nèi)水流條件與船閘的運(yùn)轉(zhuǎn)方式密切相關(guān)，在上下游船閘錯(cuò)時(shí)充泄水時(shí)(S16工況)渠道內(nèi)水位的波動(dòng)幅度最小；2)同時(shí)充泄水工況，無論是上下游船閘同時(shí)充泄水(S12和S13工況)、上游雙線船閘同時(shí)充水(S14工況)還是下游雙線船閘同時(shí)泄水工況(S15工況)，其水位波動(dòng)均十分劇烈，變幅較大，其中S12和S13工況所測得的各時(shí)刻瞬時(shí)水面線基本一致，僅在渠道導(dǎo)航段略有差異；3)下游雙線船閘同時(shí)泄水工況(S15工況)時(shí)由于瞬時(shí)下泄流量較大，因此渠道中最小水深是所有工況中最小的。

3.2 幾何尺度對(duì)中間渠道內(nèi)水流條件的影響

3.2.1渠道長度影響分析

中間渠道長度改變會(huì)對(duì)渠道內(nèi)的水力特性指標(biāo)有一定的影響，研究結(jié)果表明，在相同的輸水過程、不同船閘運(yùn)轉(zhuǎn)方式下，各水力指標(biāo)隨渠道長度增加的變化規(guī)律不盡相同：1)中間渠道上游單獨(dú)充水(上級(jí)船閘單獨(dú)泄水)工況下，渠道內(nèi)最大水深(最高水位)從整體上看存在先逐漸增大、到達(dá)一個(gè)最大值后略減小的趨勢；最小水深(最低水位)隨長度增加略有減小，整體基本保持不變；流速、水面坡降指標(biāo)則存在先增大后基本保持不變的趨勢，見圖4；2)中間渠道錯(cuò)時(shí)充泄水工況下，渠道最大水深、最小水深、最大水流流速以及渠道內(nèi)水面坡降等指標(biāo)變幅較小，長度改變對(duì)各水力指標(biāo)影響較小，見圖5。

圖4 上游單獨(dú)充水時(shí)渠道內(nèi)各水力指標(biāo)隨長度的變化規(guī)律

圖5 船閘錯(cuò)時(shí)運(yùn)行時(shí)不同長度渠道內(nèi)各水力指標(biāo)變化規(guī)律

3.2.2渠道寬度影響分析

寬度對(duì)渠道內(nèi)水流條件影響較大，研究結(jié)果表明：隨著寬度的增大，渠道內(nèi)最大水深(最高水位)、最大流速、最大水面坡降等指標(biāo)均迅速減小，最小水深(最低水位)則逐漸增大，典型工況各水力指標(biāo)規(guī)律曲線見圖6。根據(jù)上述成果，對(duì)于中間渠道內(nèi)水流條件而言，在條件允許的情況下增加渠道的寬度是一個(gè)極為有效的工程措施，可大幅改善中間渠道內(nèi)的通航水流條件。

圖6 船閘錯(cuò)時(shí)運(yùn)行時(shí)不同寬度渠道內(nèi)水力指標(biāo)變化規(guī)律

3.2.3初始水深對(duì)中間渠道內(nèi)水流條件的影響

初始水深對(duì)中間渠道內(nèi)通航水流條件有著重要的影響，研究結(jié)果表明：隨著初始水深的增加，渠道內(nèi)最大水深和最小水深均有明顯的增加；最大流速和最大水面坡降顯著減小。以上游單獨(dú)充水工況為例，各水力指標(biāo)變化規(guī)律見圖7。綜合來看，在條件允許情況下，增加渠道內(nèi)的初始水深亦是改善中間渠道通航水流條件的有效措施。

圖7 上游單充時(shí)不同初始水深渠道水力指標(biāo)變化規(guī)律

3.2.4糙率對(duì)中間渠道內(nèi)水流條件的影響

數(shù)模研究中發(fā)現(xiàn)中間渠道糙率對(duì)水流條件有一定的影響，為此本文針對(duì)糙率這一參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的比較分析。結(jié)果表明：隨著糙率的逐漸增大(0.010～0.025)，渠道中的最大水深、最小水深、最大流速指標(biāo)均沒有明顯的變化；但相對(duì)而言，最大水面坡降有明顯減小，見圖8，表明中間渠道的糙率亦可作為調(diào)節(jié)水流條件時(shí)可供考慮的一個(gè)因素。

圖8 船閘錯(cuò)時(shí)運(yùn)行時(shí)不同糙率渠道內(nèi)各水力指標(biāo)變化規(guī)律

4 結(jié)論

1)分散梯級(jí)船閘不同運(yùn)行方式對(duì)中間渠道內(nèi)水流條件影響甚大，其中同時(shí)充泄水工況下(包括上下游船閘同時(shí)充泄水、上游雙線船閘同時(shí)泄水、下游雙線船閘同時(shí)充水)，渠道內(nèi)的水流條件較差，在實(shí)際工程運(yùn)行過程中應(yīng)盡量予以避免；上下游船閘錯(cuò)時(shí)充泄水可有效改善渠道內(nèi)水流條件。

2)中間渠道的幾何尺度直接影響渠道內(nèi)水流的波動(dòng)特性。渠道寬度的增加，能夠很好地改善渠道內(nèi)部的水流波動(dòng)特性，可作為改善中間渠道通航水流條件的有效措施；渠道長度在不同運(yùn)行工況下的作用不盡相同，在某些條件下，長度增加會(huì)加劇渠道內(nèi)水流的紊動(dòng)，不利于通航水流條件改善。

3)中間渠道初始水深增加能明顯改善渠道內(nèi)水流條件，在工程條件允許情況下，可作為改善中間渠道通航水流條件的有效措施；糙率變化對(duì)中間渠道內(nèi)最大水深、流速等指標(biāo)的影響作用不明顯，但對(duì)水面坡降指標(biāo)有所改善。