“以寬代深”模式在流域骨干引排工程中的應(yīng)用研究

李 昱，宋黎明，孫鵬明，吳 芳

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215100)

流域骨干引排工程的設(shè)計斷面一般按照引排流量確定，實施過程中常遇到一些無法遷移的重要穿河管線，河道浚深無法達到設(shè)計高程，導(dǎo)致設(shè)計過流斷面減小，斷面平均流速增大，容易造成局部沖刷問題，且水流流態(tài)較差。工程中常采用“以寬代深”的模式解決此類問題，即通過橫向擴大斷面，保證斷面過流面積不小于原設(shè)計斷面。

“以寬代深”模式下水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要由不同斷面的銜接段長度決定，銜接段長度越長，水流越能平穩(wěn)的過渡，對工程的建設(shè)和安全也有利，但是征地面積大，工程投資加大。本文以新孟河延伸拓浚工程為例，采用數(shù)值模擬的方式，計算了“西氣東輸”過河管線段采用“以寬代深”模式下最佳的銜接段長度，有效改善了水流結(jié)構(gòu)，并且節(jié)約了造價，有重要的實際意義。

1 工程概況

新孟河延伸拓浚工程是太湖流域骨干引排工程之一，工程河道總長116.47km，其中拓浚老河道79.84km，新開河道36.63km新孟河“西氣東輸”段河道底高程-2.00m，按管道防護要求，“以寬代深”段河底高程為0.50m，順水流向長度為30m，河底采用50cm厚石籠進行護底，上下游銜接段初擬長度為50m，如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學模型基本控制方程

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

2.2 數(shù)值求解方法

采用有限體積法對數(shù)學模型控制方程進行離散，速度壓力耦合矯正采用SIMPLEC方法，動量方程采用二階迎風離散格式，所有參量的殘差控制標準取為1.0×10-5。

2.3 計算區(qū)域、邊界條件和網(wǎng)格劃分

所建立的模型進口處為入流邊界，對不同的計算工況，根據(jù)流量和水位條件，給定入口過水斷面的流速或流量；模型出口為水流出流邊界，根據(jù)計算工況的不同給定不同的壓力邊界條件。

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計算區(qū)域，為了提高計算的精確性，對關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格進行細化。

圖1 “西氣東輸”管道段平面布置圖

3 計算結(jié)果分析

由圖2可以看出，原河道主流受斷面突變影響，在上游銜接段產(chǎn)生大范圍的回流區(qū)，回流區(qū)的存在壓迫主流向河道中心線集中，導(dǎo)致局部流速增大，主流束窄。

圖3、圖4為各縱斷面的流速矢量圖，可以看出由于河底高程的抬高，且河底銜接段長度較短，導(dǎo)致河道坡度過大，縱向水流的橫向擴散不充分，邊界部位產(chǎn)生回流區(qū)，進一步擠壓主流，水流結(jié)構(gòu)紊亂。

圖2 表面流速分布圖(銜接段長度50m)

圖3 原河道縱斷面流速矢量圖

圖4 銜接段河道縱斷面流速矢量圖

圖5 表面流速分布圖(銜接段長度100m)

圖6 表面流速分布圖(銜接段長度150m)

圖7 表面流速分布圖(銜接段長度200m)

“以寬代深”模式的本質(zhì)是維持設(shè)計水位下過流面積不變，使縱向水流橫向擴散，從而保證工程的引排能力，減少斷面變化可能造成的沖刷。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，上下游銜接段長度為50m時，上游銜接段范圍內(nèi)水流結(jié)構(gòu)紊亂，且主流集中在河道中心，流速較大，并沒有發(fā)揮“以寬代深”模式的作用。

4 不同銜接段長度的計算分析

由圖5可以看出，當銜接段長度增至100m時，上游回流區(qū)消失，水流較為順暢，改善效果明顯，但是主流在“以寬代深”段的擴散效果不明顯，主流比較集中。

由圖6、圖7可以看出，當銜接段長度大于150m時，“以寬代深”段主流已經(jīng)充分擴散，此時銜接段長度的增加對水流結(jié)構(gòu)的影響較小。

銜接段長度過短時水流擴散不充分，銜接段長度過長時征地面積過大，工程總投資增大，綜上所述，本工程“西氣東輸”段“以寬代深”模式的銜接段長度以150m為宜。

5 結(jié)論

(1) 流域骨干引排工程如遇過河管線等特殊制約因素可采用“以寬代深”模式保證工程的過流能力與安全運行。

(2) “以寬代深”模式下銜接段長度越長，水流調(diào)順效果越明顯。

(3) 實際工程運用中如需采用“以寬代深”模式，宜通過計算的方式確定合適的銜接段長度，既保證工程穩(wěn)定安全的運行，又節(jié)約投資。