澮河南坪船閘引航道流場數(shù)值模擬研究

張子浩

（安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蚌埠 233000）

1 工程概況

澮河位于淮河左岸，是淮河較大支流之一。上游發(fā)源于河南省商丘境內(nèi)，流經(jīng)夏邑，永城至張瓦房進(jìn)入安徽省濉溪縣臨渙、南坪，經(jīng)宿州市蘄縣，于固鎮(zhèn)縣九灣鎮(zhèn)匯入香澗湖，再經(jīng)五河縣城西南匯入淮河。自臨渙至五河，全長約171km。

澮河南坪船閘位于淮北市濉溪縣南坪鎮(zhèn)，南坪節(jié)制閘處，上距臨渙閘30.5km，下距蘄縣閘18km。南坪船閘布置在節(jié)制閘左側(cè)88.5m 處，S305 公路橋從上導(dǎo)航墻通過。船閘上下閘首順?biāo)飨蜷L度均26m，閘室段200m，上下游主導(dǎo)航墻長度均為50m，采用反對稱布置，閘首口門及閘室凈寬均為23m，為單級船閘。南坪船閘建成后，臨渙閘以下段航道將全面通航，可較大緩解淮北市交通運(yùn)輸壓力，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和已建工程經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮。

2 模型建立

針對南坪船閘河道特點(diǎn)，采用建立在三角形網(wǎng)格上的專業(yè)二維模型MIKE21FM 進(jìn)行模擬計(jì)算，該模型具有邊界適應(yīng)性好，計(jì)算速度快、考慮水動(dòng)力條件全面等特點(diǎn)，并在長江口深水航道治理、淮河干流劉臺(tái)子航段裁彎等多個(gè)工程得到應(yīng)用，取得較好效果，為解決航道整治中遇到的水流問題提供了有力的技術(shù)支撐。

2.1 水流方程

模型的水流運(yùn)動(dòng)方程為基于Boussinesq 假定和靜水壓力假定的垂向平均不可壓縮流體雷諾平均Navier-Stokes 方程。

2.1.1 連續(xù)方程

2.1.2 x 方向動(dòng)量方程

2.1.3 y 方向動(dòng)量方程

式中：x，y 為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；t 為時(shí)間；η 為水位；d 為靜止水深；h=η+d 為總水深；u、v分別為x、y 方向上的速度分量，字母上帶橫杠是平均值，例如為沿水深平均的流速，由以下公式定義：f 是柯氏力系數(shù)，f=2ωsin，ω 為地球自轉(zhuǎn)角速度，為當(dāng)?shù)鼐暥龋籫為重力加速度；ρ 為水的密度；sxx、sxy、syy分別為輻射應(yīng)力分量；S 為源項(xiàng)；（us，vs）為源項(xiàng)水流流速。

Tij為水平粘滯應(yīng)力項(xiàng)，包括粘性力、紊流應(yīng)力和水平對流，這些量根據(jù)沿水深平均的速度梯度用渦流粘性方程得出：

式中：A 為系數(shù)。

粘滯應(yīng)力梯度項(xiàng)可轉(zhuǎn)換為：

式中：Ex、Ey分別為水流的渦粘系數(shù)（m2/s），可由Smagorinsky 公式計(jì)算：

式中：Δ為單元面積（m2）；Cs為系數(shù)，取0.25～1.0。

2.2 網(wǎng)格劃分和計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程河段特點(diǎn)，選取為澮河南坪閘上游3km 至南坪港下游1km 全長約4km 河道構(gòu)建水動(dòng)力模型計(jì)水沙數(shù)學(xué)模型。二維模型采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格分為三級步長，即總體網(wǎng)格步長為20m；閘室附近網(wǎng)格步長1～2m；閘上、下游1km 范圍內(nèi)為過渡性網(wǎng)格，步長為2～10m。網(wǎng)格數(shù)量24201 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量10003。

時(shí)間步長：最小時(shí)間步長0.01s。

糙率：根據(jù)《安徽省包澮河初步治理工程報(bào)告》，該段河道主槽糙率為0.022～0.024，河道灘地糙率為0.036～0.04。

紊動(dòng)黏性系數(shù)：采用Smagorinsky 公式確定，本文取0.28。

2.3 計(jì)算控制條件

地形選擇：采用2014年實(shí)測地形圖資料，1954北京坐標(biāo)系，1985 國家高程標(biāo)準(zhǔn)。

計(jì)算工況：根據(jù)船閘引航道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和澮河水文條件，選取3 組典型工況進(jìn)行計(jì)算分析。具體工況選擇見表1。

表1 模型計(jì)算工況表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 上游引航道

上游引航道與澮河交匯處流場見圖1。10年一遇洪水工況，上引航道內(nèi)最大橫向流速0.27m/s，流態(tài)平順，滿足航道規(guī)范要求；5年一遇洪水工況，上引航道內(nèi)最大橫向流速0.28m/s，流態(tài)平順，滿足航道規(guī)范要求。

圖1 南坪船閘上游引航道流場圖

3.2 下游引航道

3.2.1 原設(shè)計(jì)方案

下游引航道航行區(qū)流場見圖2。10年一遇洪水工況，下游引航道航行區(qū)無回流，基本無流速；引航道邊坡處出現(xiàn)回流，回流流速0.05～0.45m，引航道與澮河交匯處航道最大橫向流速0.43m/s，超出橫向流速最大限值0.3m/s；5年一遇洪水工況，下游引航道航行區(qū)無回流，基本無流速；引航道邊坡處出現(xiàn)回流，回流流速0.05～0.5m，引航道與澮河交匯處航道最大橫向流速0.44m/s，超出橫向流速最大限值0.3m/s；常遇大洪水工況，引航道邊坡處出現(xiàn)回流，回來流速0.05～0.3m；引航道與澮河交匯處航道最大橫向流速0.28m/s，滿足航道最大橫向流速要求。

圖2 南坪船閘下游引航道流場圖

3.2.2 優(yōu)化方案

針對下游引航道航行區(qū)橫向流速超出橫向流速最大限值0.3m/s，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，主要是由于南坪船閘下游引航道與澮河主流線夾角較大，大洪水時(shí)期航道橫向流速較大，導(dǎo)致橫向流速超出規(guī)范要求。

為了減小航道橫向流速，在船閘及引航道工程位置不變的情況下，對澮河河道灘地進(jìn)行疏浚，使其主流線向右岸移動(dòng)，可以降低引航道口門區(qū)橫向流量。疏浚量6～7萬m3，疏浚后澮河主流線向南移動(dòng)，航道最大橫向流速0.27m/s，小于規(guī)范規(guī)定最大橫向流速0.3m/s，滿足航道規(guī)范要求。

4 結(jié)論

根據(jù)研究河段特點(diǎn)，建立了澮河南坪閘上游3km 至南坪港下游1km 二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，模型分析了南坪船閘引航道及南坪港流態(tài)及流速分布情況，結(jié)果表明：

（1）上游引航道：水流平順，流態(tài)較好，航道內(nèi)最大橫向流速均小于規(guī)范值，滿足航道規(guī)范要求。

（2）下游引航道：10年一遇和5年一遇洪水工況引航道與澮河交匯處最大橫向流速均超過規(guī)范值0.3m/s，不符合內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)要求。為了減小航道橫向流速，在船閘及引航道工程位置不變的情況下，對澮河河道灘地進(jìn)行疏浚，疏浚后各工況下航道內(nèi)最大橫向流速均小于規(guī)范值，滿足航道規(guī)范要求■