南京市三汊河河口閘單孔開(kāi)啟水流流態(tài)模擬研究

謝昕卓 陳偉 楊明強(qiáng) 王璐 楊菲菲 蔡新

摘要：

為模擬南京市三汊河河口閘附近水流流態(tài)，探究河口閘單孔開(kāi)啟的可行性，采用Delft 3D軟件建立大范圍水深平均模型和局部三維數(shù)學(xué)模型，對(duì)三汊河河口附近水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究最不利水位工況下的水流流態(tài)，并確定了閘孔不同運(yùn)行模式對(duì)流速分布的影響范圍。進(jìn)一步地，將河道底面流速與研究范圍內(nèi)泥沙起動(dòng)速度進(jìn)行比較，獲得了河口閘附近河道沖刷與淤積范圍的分布情況。研究成果可為研究河口閘單孔開(kāi)啟提供依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：

水閘運(yùn)行方式; 水流流態(tài); 流速分布; Delft 3D模型; 河道沖淤; 三汊河河口閘

中圖法分類號(hào)： TV131.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.026

0 引 言

三汊河河口閘位于外秦淮河入江口，是南京市秦淮河環(huán)境綜合整治工程的重要組成部分。河口閘采用雙孔護(hù)鏡門的閘門型式，在大閘門上疊加溢流活動(dòng)小門，形式新穎獨(dú)特。河口閘工程投入運(yùn)行以來(lái)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定，采用雙閘孔同時(shí)開(kāi)啟的方式調(diào)度運(yùn)行，并定期進(jìn)行檢測(cè)，保證結(jié)構(gòu)安全，獲得了較多研究數(shù)據(jù)。

然而隨著城市化進(jìn)程的加快，外秦淮河水環(huán)境需要進(jìn)一步改善。河口閘需要增加常態(tài)引調(diào)水功能，進(jìn)而保證外秦淮河武定門閘至三汊河入江口段水體水質(zhì)穩(wěn)定滿足Ⅴ類水及以上標(biāo)準(zhǔn)。基于外秦淮河新的功能需求，需要在現(xiàn)行條件下分析論證河口閘單孔開(kāi)啟運(yùn)行的可行性，達(dá)到節(jié)約能源與高效利用水資源的目的。

由于河口閘單孔運(yùn)行方式超出了原工程設(shè)計(jì)工況范疇，未來(lái)水閘能否實(shí)施單孔開(kāi)啟運(yùn)行，需要通過(guò)科學(xué)有效的手段對(duì)該運(yùn)行模式進(jìn)行論證。為此需要進(jìn)行河口閘單孔開(kāi)啟工況下河道的流態(tài)研究，計(jì)算其水流流速，判斷其沖淤狀況，為判斷單孔開(kāi)啟是否符合安全性要求提供依據(jù)。

對(duì)于此類問(wèn)題，可以使用Delft 3D軟件建立數(shù)值模型的方法加以研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用此類方法進(jìn)行流態(tài)研究，取得了較好的效果。唐洪武等[1]曾在2011年利用Delft 3D軟件建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)三汊河河口閘雙孔開(kāi)啟運(yùn)行工況下閘下沖淤問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。胡孜軍等[2]通過(guò)建立洪澤湖區(qū)二維水深平均模型與三河閘閘室局部三維全耦合計(jì)算模型，對(duì)洪澤湖區(qū)三河閘附近的過(guò)流流態(tài)進(jìn)行了精細(xì)化模擬。雷曉玲[3]利用Delft 3D數(shù)學(xué)模型對(duì)三峽航道環(huán)保疏浚的水質(zhì)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)三峽航道疏浚工作的成果進(jìn)行了定量評(píng)估。左書(shū)華[4] 用Delft 3D軟件建立水動(dòng)力模型，研究了鰲江口外平陽(yáng)咀海域流場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合良好，證明此模型可以為工程研究提供流場(chǎng)背景。廖庾強(qiáng)[5] 利用Delft 3D建立了柳河彰武新城段平面二維模型，得到了水動(dòng)力特征、典型斷面形態(tài)變化、河道泥沙分布等結(jié)果，為柳河彰武新城段防洪工作提供了理論基礎(chǔ)。范翻平[6]曾用Delft 3D軟件建立鄱陽(yáng)湖水動(dòng)力模型，研究典型風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)鄱陽(yáng)湖流場(chǎng)的影響，為研究鄱陽(yáng)湖的污染問(wèn)題提供了理論支撐。趙明登等[7]將ArcGIS與Delft 3D結(jié)合，對(duì)渭河下游泛洪區(qū)洪水?dāng)?shù)值進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了河道及潰堤洪水演進(jìn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演示。郎韻、陳偉等[8-9]曾利用Delft 3D建立了江-河-水閘大范圍水深平均數(shù)學(xué)模型，研究三汊河河口閘左右閘孔過(guò)流嚴(yán)重不均的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致過(guò)閘水流不均的主要因素是河勢(shì)及河道深泓位置，并提出設(shè)置導(dǎo)流墻可以改善過(guò)閘水流不均，該模型取得了較好的模擬效果。

綜合來(lái)看，前人利用Delft 3D數(shù)值模擬方法對(duì)河道水動(dòng)力展開(kāi)研究已獲得滿足要求的成果，但前人的研究大都是在河口閘兩側(cè)閘孔全部開(kāi)啟或關(guān)閉工況下開(kāi)展的，對(duì)于河口閘單孔開(kāi)啟工況下的水動(dòng)力特性，還未獲得滿足要求的成果。本文在前人基礎(chǔ)上，運(yùn)用Delft 3D建立數(shù)值模型的方法，對(duì)三汊河河口閘單孔開(kāi)啟工況下的河道水動(dòng)力情況進(jìn)行計(jì)算。

1 工程概況

三汊河河口閘位于南京市外秦淮河入江口，上游距下關(guān)大橋約300 m，下游距三汊河口約150 m。三汊河河口閘是秦淮河環(huán)境整治工程的重要組成部分，其主要功能是非汛期關(guān)閘蓄水，抬高外秦淮河水位，同時(shí)形成親水景觀，改善城市水環(huán)境和城市形象;汛期來(lái)臨時(shí)則開(kāi)閘放水，不影響外秦淮河行洪。

河口閘縱向軸線順?biāo)鞣较虿贾?，工程范圍?nèi)軸線長(zhǎng)179 m。閘室采用整體式大跨度鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)37 m，垂直水流方向長(zhǎng)97 m。閘室共兩孔，單孔凈寬40.0 m，中閘墩寬4.0 m，邊閘墩寬4.5 m，單孔總寬度48.5 m。閘底板高程1.0 m（吳淞基面，下同），閘底板厚2.5 m，閘墩頂高程7.5 m?？紤]到與上下游河道平順連接和水流流態(tài)，閘上、閘下分別設(shè)漸變段。上游漸變段長(zhǎng)50 m，包括長(zhǎng)度為20 m的鋼筋混凝土護(hù)坦和長(zhǎng)度為30 m的素混凝土護(hù)底，兩側(cè)為混凝土預(yù)制塊護(hù)坡和生態(tài)混凝土護(hù)坡;下游漸變段長(zhǎng)92 m，包括長(zhǎng)度為20 m的鋼筋混凝土消力池、長(zhǎng)度為60 m的混凝土護(hù)底和長(zhǎng)度為12 m的拋石防沖槽，兩側(cè)為混凝土方格護(hù)坡和生態(tài)混凝土護(hù)坡（見(jiàn)圖1）。

三汊河河口閘非汛期正常過(guò)水流量為30 m3/s，行洪流量為80 m3/s（關(guān)閘蓄水狀態(tài)）;汛期閘門開(kāi)啟，行洪流量為600 m3/s。工程自2005年建成運(yùn)用以來(lái)，總體運(yùn)行情況良好，在提升外秦淮河的水環(huán)境狀況方面發(fā)揮了重要作用，已成為南京市標(biāo)志性水利工程。

2 數(shù)值模型的建立

為研究河口閘單孔開(kāi)啟的流場(chǎng)流態(tài)，現(xiàn)建立大范圍水深平均數(shù)學(xué)模型，包括外秦淮河部分河段，以全面反映外秦淮河水動(dòng)力條件的不同組合對(duì)樞紐河段流動(dòng)特性的影響。

式中：u，v，ω分別為ξ，η，σ方向上的流速;Gξξ、Gηη為坐標(biāo)變換拉梅系數(shù);ζ為相對(duì)于模型參照平面的水深，下同。

通過(guò)連續(xù)方程可以計(jì)算垂向流速w：

式中：H為總水深，下同。

（2） 動(dòng)量方程。

ξ和η方向的動(dòng)量方程分別為

式中：ρ為水體密度，除了斜壓項(xiàng)，其他處忽略密度的變化;Pξ，Pη分別為ξ，η方向上的靜水壓力梯度;Fξ，F(xiàn)η分別為ξ，η方向上紊動(dòng)動(dòng)量通量;vV為垂向渦動(dòng)黏性系數(shù);fu，fv為柯氏力系數(shù);Mξ，Mη分別為ξ，η方向上動(dòng)量的源匯項(xiàng)。

（3） 邊界條件。

初始條件：

邊界條件：

出、入流開(kāi)邊界上，給定水位、流速或流量過(guò)程。固壁邊界采用無(wú)滑移邊界條件。

時(shí)步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)滿足穩(wěn)定性條件：

2.2 計(jì)算區(qū)域的選取和數(shù)值模型的建立

為充分考慮長(zhǎng)江水位流量對(duì)河口閘過(guò)流特性的影響，大范圍水深平均模型計(jì)算區(qū)域包括外秦淮河、河口閘工程及長(zhǎng)江，并考慮長(zhǎng)江中潛洲、江心洲所在位置對(duì)邊界選取的影響[9]。最終確定長(zhǎng)江上游邊界取為河口上游約1 100 m處，長(zhǎng)江下游邊界為河口下游900 m處，外秦淮河上游邊界根據(jù)實(shí)測(cè)地形資料的范圍確定為河口閘軸線以上約820 m處。水深平均模型計(jì)算區(qū)域及模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

其中，長(zhǎng)江上游邊界使用流量邊界條件，長(zhǎng)江下游邊界使用水位邊界條件，外秦淮河上游邊界使用流量邊界條件。

依據(jù)河口閘已有研究成果的綜合分析，針對(duì)河口閘可能的單孔開(kāi)啟運(yùn)行模式，最終擬定研究工況組合如表1所列。其中組合模式1為河口閘可能運(yùn)行的最不利工況組合，組合模式2為組合模式1的補(bǔ)充。

由圖3可見(jiàn)，河口閘數(shù)值模擬結(jié)果與河工模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。最大絕對(duì)誤差僅約 0.1 m/s，出現(xiàn)在距上游 450 m 斷面的近左岸。驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明該模型的模擬結(jié)果基本可靠，可用于后期的研究和分析。

2.4 泥沙起動(dòng)流速研究

目前對(duì)于泥沙沖淤的研究，多采用泥沙拖拽力和起動(dòng)流速作為標(biāo)準(zhǔn)。鑒于流速場(chǎng)和剪力場(chǎng)之間存在著一定的關(guān)系，更多學(xué)者為方便使用，相對(duì)泥沙起動(dòng)拖拽力而言，更熱衷于推求起動(dòng)流速[10]。

本文將泥沙起動(dòng)流速作為泥沙沖淤的判別標(biāo)準(zhǔn)，若河道底面流速大于泥沙起動(dòng)流速，則判定為該位置河道沖刷。

目前就天然均勻沙起動(dòng)公式來(lái)看，起動(dòng)流速公式在形式上差別不大，一般與粒徑的1/3指數(shù)方、水深的1/6指數(shù)方成正比，但其他系數(shù)取值離散度較大[11]。

對(duì)于細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)流速，中國(guó)學(xué)者展開(kāi)了卓越的研究，其中竇國(guó)仁公式[12]、張瑞瑾公式[13]、唐存本公式[14]、沙玉清公式[15]等都有很大的影響。

對(duì)眾多公式進(jìn)行比較后，從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和工程應(yīng)用兩方面考慮，本文采用唐存本公式：

式中：m=4.7（hd）0.06，γs為泥沙容重，γ為水流容重，δ為淤積物的干容重，δ0為淤積物穩(wěn)定干容重，h為水深，d為泥沙粒徑。本文

取γs=2.65 g/cm，γ=1.00 g/cm，c=2.9 ×10-4 g/cm，ρ=1.02×10-3 g·s/cm3，取穩(wěn)定容重情況δ=δ0。

采用研究段的流速變化對(duì)河口處的河床穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過(guò)模型計(jì)算得出觀測(cè)點(diǎn)的流速及水深情況，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的泥沙起動(dòng)粒徑，進(jìn)而分析研究段泥沙的起動(dòng)概率及變化范圍。

根據(jù)資料，秦淮河河段泥沙平均粒徑為0.18 mm[1]。河段的起動(dòng)流速擬選用這一特征粒徑進(jìn)行計(jì)算。

兩種組合模式下計(jì)算范圍內(nèi)河道水深及泥沙起動(dòng)流速如表2所列。

3 預(yù)設(shè)水位流量下河口閘水流流態(tài)的計(jì)算

為直觀比較每種組合模式下不同工況水流流態(tài)差異，現(xiàn)將每種組合模式分為3種工況，選取典型斷面對(duì)斷面上流速分布進(jìn)行分析比較。為了獲得河道底面流速，建立了局部三維數(shù)據(jù)模型，對(duì)河口閘附近河道沖淤狀況進(jìn)行了分析。

3.1 3種工況下流速分布對(duì)比

為了對(duì)比分析，將組合模式1細(xì)分為工況1、工況2和工況3;將組合模式2細(xì)分為工況4、工況5和工況6，各個(gè)工況詳細(xì)信息如表3所列。

為直觀比較不同工況下外秦淮河水流流速分布，現(xiàn)選取多個(gè)典型斷面，對(duì)斷面流速橫向分布進(jìn)行分析。選取斷面為：閘上游200 m、閘上游100 m、三汊河河口閘軸線處、閘下游80 m、閘下游100 m、河口處（閘下游約150 m）。

組合模式1各個(gè)典型斷面橫向流速分布曲線如圖4所示，

組合模式2各個(gè)典型斷面橫向流速分布曲線如圖5所示。

通過(guò)兩種組合模式下的斷面流速分布，可以得到如下規(guī)律性認(rèn)識(shí)：

單孔開(kāi)啟對(duì)流速分布的影響主要出現(xiàn)在閘上100 m斷面至閘下150 m斷面范圍內(nèi)，在閘軸線斷面處流速差異達(dá)到最大，越遠(yuǎn)離閘軸線流速分布差異越小。

3.2 研究范圍內(nèi)河道沖淤

前文所作分析皆基于大范圍水深平均模型，其優(yōu)勢(shì)在于可以分析較大范圍內(nèi)水流流態(tài)變化情況，但對(duì)于流速分析，不能提供充足數(shù)據(jù)。為提取沖淤分析所需的河道底面流速，也為了分析河道過(guò)水面積變化與流速分布的關(guān)系，需要重新選取計(jì)算區(qū)域，建立局部三維模型。

三汊河河口閘三維建模計(jì)算范圍的選取，既要能夠體現(xiàn)河口閘上下游流態(tài)又要保證水流順直。根據(jù)流速分布曲線，3種工況差異大約出現(xiàn)在河口閘上游200 m位置，三維建模上游邊界取到閘上游約300 m處;同時(shí)考慮到三維模擬主要關(guān)注閘孔開(kāi)閉對(duì)閘下游附近區(qū)域的影響，當(dāng)下游匯入長(zhǎng)江后，長(zhǎng)江流量大，影響因素多，邊界不易確定，因此下游取到外秦淮河河口附近區(qū)域。這個(gè)范圍既包含了重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，又方便了邊界條件的確定。局部三維水動(dòng)力模型計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分如圖6所示。

采用正交曲線網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，對(duì)河口閘樞紐局部進(jìn)行了網(wǎng)格加密，垂向上沿水深均勻分為10層，其中垂向網(wǎng)格以閘下游100 m處斷面為例。網(wǎng)格尺寸在 3～35 m之間，垂向模型網(wǎng)格見(jiàn)圖7。

由圖8（a）～（b）可以看出：工況2，3條件下（外秦淮河下游邊界水位3.5 m，上游來(lái)流量60 m3/s），計(jì)算范圍內(nèi)閘上游250 m到閘墩范圍內(nèi)流速普遍大于0.57 m/s，高于河道泥沙起動(dòng)流速0.53 m/s，河道會(huì)發(fā)生沖刷;閘軸線到河口范圍內(nèi)水流流速小于0.38 m/s，小于起動(dòng)流速0.47 m/s，不會(huì)發(fā)生沖刷。

由圖8（c）～（d）可以看出，工況5、工況6條件下（秦淮河下游邊界水位4.5 m，上游來(lái)流量60 m3/s），計(jì)算范圍內(nèi)閘上游250 m到閘墩范圍內(nèi)流速普遍小于0.48 m/s，低于河道泥沙的起動(dòng)流速0.53 m/s，河道不會(huì)發(fā)生沖刷，僅在閘上游200 m附近區(qū)域流速大于泥沙起動(dòng)流速，會(huì)發(fā)生沖刷;閘軸線到河口范圍內(nèi)水流流速小于0.24 m/s，小于起動(dòng)流速0.53 m/s，不會(huì)發(fā)生沖刷。

3.3 研究范圍內(nèi)流速變化原因分析

本節(jié)從過(guò)水面積變化的角度簡(jiǎn)要分析研究范圍內(nèi)流速大小變化的原因。

圖9為研究范圍內(nèi)典型斷面處過(guò)水面積示意圖（以工況1為例）。

從圖9可以看出：在閘上200 m處，河道斷面基本呈“V”形，過(guò)水面積較小，因此流速較大。在閘上200 m到閘軸線范圍內(nèi)，河道斷面形狀逐漸變?yōu)椤癠”形，過(guò)水面積增大，流速略有減小。在閘墩附近，單孔開(kāi)啟工況下，過(guò)水?dāng)嗝娴膶挾冗_(dá)到最小，流速也較大。在河口閘下游，由于河道加寬，流速逐漸減小。而到了河口處，由于河道底面高程抬高，過(guò)水面積急劇減小，流速再次增大。故在河口閘下游流速呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，防沖槽處的流速較小。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了三汊河河口閘大范圍水深平均模型和局部三維模型，對(duì)河口閘各種預(yù)設(shè)單孔開(kāi)啟模式進(jìn)行了水動(dòng)力計(jì)算，分析了各種工況下的水流流速特征，確定了閘孔不同運(yùn)行模式對(duì)流速分布的影響范圍。并通過(guò)將河道床面流速與計(jì)算所得泥沙起動(dòng)流速進(jìn)行比較，對(duì)單孔開(kāi)啟模式下的河床沖淤情況進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論。

（1） 單孔開(kāi)啟對(duì)流速分布的影響出現(xiàn)在河口閘上游100 m處至河口閘下游150 m處，越靠近閘軸線斷面影響越大，并在閘軸線斷面處達(dá)到最大，越遠(yuǎn)離閘軸線斷面影響越小。

（2） 組合模式1工況下，河口閘上游段河道發(fā)生沖刷;組合模式2工況下，河口閘上游200 m處斷面發(fā)生沖刷。其余河道位置河道床面流速小于泥沙起動(dòng)流速，不會(huì)發(fā)生沖刷。

（3） 通過(guò)典型斷面過(guò)水面積與計(jì)算區(qū)域內(nèi)河道流速變化對(duì)比，刻畫(huà)了計(jì)算區(qū)域內(nèi)河道過(guò)水面積與流速的關(guān)系，對(duì)河道流速變化的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為河道過(guò)水面積的變化是導(dǎo)致流速變化的原因。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

謝昕卓，陳偉，楊明強(qiáng)，等.南京市三汊河河口閘單孔開(kāi)啟水流流態(tài)模擬研究

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Simulation on flow pattern of Sanchahe estuary sluice under single hole opening in Nanjing City

XIE Xinzhuo1，CHEN Wei2，YANG Mingqiang2，WANG Lu2，YANG Feifei2，CAI Xin1

（1.Collage of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 211100，China; 2.Nanjing Sanchahe River Gate Management Office，Nanjing 210036，China）

Abstract：

In order to simulate the flow pattern near the Sanchahe estuary sluice in Nanjing City and explore the feasibility of opening a single hole of the sluice，Delft 3D software was used to establish a large-scale water depth average model and a local three-dimensional mathematical model.Then the flow pattern near the Sanchahe estuary sluice was numerically simulated，the flow pattern under the most unfavorable water level condition was studied，and the influence range of different operation modes of the sluice on the velocity distribution was determined.Furthermore，by comparing the flow velocity at the bottom of the river with the sediment incipient velocity in the study area，the distribution of the deposition-erosion range of the river near the estuary gate was obtained.The research results can provide a basis for the study of single hole opening of the estuary sluice.

Key words：

operation mode of sluice;flow pattern;velocity distribution;Delft 3D model;river deposition-erosion;Sanchahe estuary gate