馬甸樞紐船閘引航道口門區(qū)水流特性數(shù)值分析

趙泱軍，蘇葉平，丁 浩，2，王振華，楊天立，楊 帆

（1.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

0 引 言

船閘引航道口門區(qū)位于河流動水與引航道靜水的交界處，上游口門特征為河道斷面由寬變窄，下游口門特征為河道斷面由窄變寬，易形成斜流，其水流條件是船舶、船隊(duì)安全暢通過擋水建筑物滿足航運(yùn)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，諸多學(xué)者對引航道口門區(qū)開展了不少的研究工作，主要研究手段為物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。如：顏志慶等［1］通過物理模型試驗(yàn)分析了犬木塘樞紐壩址門口區(qū)的水流特征，明確了通過上游航線的調(diào)整、隔流墻及菱形墩的布置等技術(shù)措施，可顯著減小口門區(qū)縱橫向流速和回流流速，有效改善通航水流條件；李壽千等［2］采用物理模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了江蘇省界牌水利樞紐水動力條件及存在問題，并在此基礎(chǔ)上提出了感潮河段支流口門樞紐布置方法研究；余凱等［3］通過模型試驗(yàn)研究了贛江井岡山航電樞紐船閘下游口門區(qū)及連接段通航水流條件，提出了縮短隔流墻并增設(shè)透水段的技術(shù)方案，能較好地解決口門區(qū)橫向流速、回流較大等問題。王建平等［4］提出了將工程措施前置上移，構(gòu)建口門緩流區(qū)并輔以局部工程措施的技術(shù)方案以改善彎曲河道船閘口門區(qū)水流條件較差、難以滿足船舶安全通行要求的技術(shù)難題；葉玉康等［5］以大源渡航電樞紐二線船閘口門區(qū)通航水流條件模型試驗(yàn)和船模航行試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了彎曲河段口門區(qū)船舶航行的特點(diǎn)，并給出了改善口門區(qū)水流條件的技術(shù)方案。王彪等［6］通過京南水利樞紐二線船閘整體水工模型試驗(yàn)，分析了彎曲收縮河段多線船閘口門區(qū)及連接段的水流流態(tài)并提出了改善措施。祁永升等［7］基于定床正態(tài)河工物理模型對多種開閘泄流方式及導(dǎo)流墩布置數(shù)量、間距、角度等進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，提出了常規(guī)開閘和邊孔補(bǔ)流的泄流方式。蔡創(chuàng)等［8］在湘江近尾洲水工模型上進(jìn)行小尺度船模試驗(yàn)研究，分析了上下游航道的船舶航行情況，確定了船閘的最佳布置方式。蔣孜偉等［9］通過數(shù)值模擬技術(shù)分析了景洪樞紐下游引航道的流速分布情況。Gucma 等［10］提出了一種系統(tǒng)化優(yōu)化引航道參數(shù)的方法，用于安全水深下航道寬度的計(jì)算，并應(yīng)用于兩個工程實(shí)例。Yang等［11］利用口門區(qū)外局部典型時刻平面流場的變化、回流區(qū)的大小、出口通道的橫向流速和縱向流速，對不同方案的通航水流條件進(jìn)行了分析和比較。結(jié)果表明，擋潮閘建成后，導(dǎo)墻外主流水流的大小和方向基本不變，出港水流流態(tài)與是否建造潮汐閘門無關(guān)，建造閘門的影響主要在導(dǎo)墻頂部的水域內(nèi)。Jeremy 等［12］結(jié)合英格蘭東部斯托爾/奧威爾河口，闡述了加深引航道對水流條件的改善作用。Wang 等［13］通過物理模型試驗(yàn)和遙控航船模型相結(jié)合，研究了它們在各種流速下航行的流動條件，并通過下游導(dǎo)流區(qū)的拆除、側(cè)灘的疏浚、通航墻布置的改變，提出了滿足通航要求的最優(yōu)方案。

船閘口門區(qū)通航水流條件中橫向流速指標(biāo)是衡量船舶能否安全進(jìn)出引航道口門區(qū)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，為明確馬甸樞紐船閘口門區(qū)的水流條件是否滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》的要求，本文采用二維數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算馬甸樞紐船閘不同運(yùn)行工況下的上、下游引航道口門區(qū)水流條件，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出相應(yīng)的措施和運(yùn)行調(diào)度方案，對確保船舶安全快速過閘提供了一定參考。

1 工程概況

泰興市馬甸水利樞紐位于泰興市濱江鎮(zhèn)馬甸社區(qū)古馬干河上，距古馬干河入江口約5.2 km，是通南三泰排水區(qū)重要的引排口門。馬甸水利樞紐由1 座泵站、1 座船閘和1 座節(jié)制閘組成，如圖1所示。船閘下、下閘首均采用鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu)，閘室采用整體塢式結(jié)構(gòu)，船閘的下閘首為兼有擋洪作用，為2 級水工建筑物，上閘首及閘室不直接關(guān)系到防洪作用，為3 級水工建筑物。工作閘門采用鋼質(zhì)三角門，液壓直推式啟閉機(jī)啟閉，廊道閥門為鋼質(zhì)平板門，液壓啟閉機(jī)啟閉。

圖1 馬甸水利樞紐的平面布置圖Fig.1 Plane layout of Madian hydro-junction

考慮到工程完工后，泵站引水、節(jié)制閘排澇或引水時可能對船閘引航道及口門區(qū)通航水流條件產(chǎn)生影響，因此，本項(xiàng)目采用二維數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算不同運(yùn)行工況下的上、下游引航道口門區(qū)水流條件，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出有利于船舶安全停泊和航行的措施和運(yùn)行調(diào)度方案。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

針對馬甸水利樞紐的布置特點(diǎn)，充分考慮泵站及節(jié)制閘運(yùn)行對船閘引航道口門區(qū)的影響，建立了馬甸船閘引航道口門區(qū)水流條件計(jì)算模型，計(jì)算范圍為馬甸水利樞紐上、下游河道共2.2 km 的區(qū)域，如圖2 所示。計(jì)算網(wǎng)格采用能適應(yīng)復(fù)雜邊界水體流動的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在樞紐局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，近固面邊界區(qū)域因分子黏性較大，雷諾數(shù)較低，為避免在壁面處加密網(wǎng)格，對固體邊界采用滑移邊界條件處理，邊界區(qū)域的網(wǎng)格均為三角形網(wǎng)格，單元邊長取0.5～1.5 m，上游引航道計(jì)算模型網(wǎng)格單元數(shù)量為11.3 萬個，下游引航道計(jì)算網(wǎng)格單元數(shù)量為10.7 萬個。

圖2 馬甸樞紐引航道計(jì)算模型網(wǎng)格圖Fig.2 Grid diagram of approach channel calculation model of Madian hub

2.2 計(jì)算方法與參數(shù)

SMS（Surface grater Modeling System）水動力學(xué)軟件是美國Brigham 大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室（EMRL）和美國陸軍水道實(shí)驗(yàn)站（USACE-WES）開發(fā)的，該軟件能很好地模擬和分析地表水的運(yùn)動規(guī)律［14-16］，馬甸水利樞紐引航道口門區(qū)的水流模擬采用SMS 軟件中的RMA2 模塊，該模塊主要用于沿水深平均的二維水動力計(jì)算，在平面二維水動力數(shù)值模擬中控制方程是將三維流動基本方程沿水深積分后平均而得，模型利用流體動力學(xué)有限單元法計(jì)算基本方程的數(shù)值解，其求解過程分為3部分：將控制方程分別在時間和空間上進(jìn)行離散，其中時間離散采用差分法，空間離散采用有限單元法；通過伽遼金加權(quán)余量法把控制方程從偏微分方程組轉(zhuǎn)變成代數(shù)方程組；根據(jù)給定的初始條件和邊界條件求解代數(shù)方程組，得到方程組的數(shù)值解。

為解決傳統(tǒng)干濕法水量平衡和計(jì)算精度的問題，借鑒文獻(xiàn)［17］中動邊界的處理方法，陸地采用干濕法做動邊界處理，當(dāng)水深減小至小于0.1 m 時定義為干邊界，作陸域處理，當(dāng)水深增大至0.3 m 時定義為水域，在0.1～0.3 m 間區(qū)域定義為灘地。上游引航道口門區(qū)水流條件計(jì)算時，模型上游采用水位邊界，節(jié)制閘和泵站采用流量邊界；下游引航道口門水流條件計(jì)算時，模型下游采用水位邊界，節(jié)制閘和泵站采用流量邊界，計(jì)算區(qū)域的主河道糙率采用0.022 5～0.025，灘地糙率為0.035～0.035，引航道局部小范圍的糙率采用0.022 5，計(jì)算時間步長采用0.001 h。數(shù)值計(jì)算中不考慮船閘自身的運(yùn)行情況，僅計(jì)算不同引水或排澇運(yùn)行校核工況時節(jié)制閘和泵站對引航道口門區(qū)水流條件的影響，計(jì)算工況計(jì)算如表1 所示，其中：節(jié)制閘排澇校核工況時上游為汛期排澇水位，下游為長江多年平均最低潮位；節(jié)制閘引水校核工況時上游為灌溉期正常水位，下游為長江多年平均高潮位；泵站引水工況時上游為最低通航水位，下游為泵站運(yùn)行最低水位。

表1 不同工況計(jì)算參數(shù)表Tab.1 Calculation parameter table for different working conditions

3 上游引航道口門區(qū)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 節(jié)制閘運(yùn)行工況

為了分析節(jié)制閘排澇或引水校核工況時引航道口門區(qū)的流速分布，在航道口門區(qū)4 個橫斷面布置了20 個測點(diǎn)，測點(diǎn)編號為UK1～UK20，如圖3（a）所示。在工況1 節(jié)制閘排澇校核工況時，上游引航道口門的各測點(diǎn)速度如圖3（b）所示，圖3（b）、3（c）中v為合速度，vz為縱向流速，vt為橫向流速，各測點(diǎn)最大縱為0.343 m/s、最大橫向流速為0.154 m/s，均滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區(qū)流速的要求。在工況2 節(jié)制閘引水校核工況時，上游引航道口門的各測點(diǎn)速度如圖3（c）所示，節(jié)制閘引水流量較大、且上游河道水位1.70 m 相對較低，口門區(qū)測點(diǎn)UK1、UK6、UK11、UK16 的橫向流速較大，分別為0.335、0.425、0.412 和0.365 m/s，均超過了《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》規(guī)定的Ⅴ級航道船閘引航道口門區(qū)橫向流速上限值。工況1 和工況2 時上游引航道口門區(qū)速度等值線如圖4所示，上游引航道口門流態(tài)較好，未見大范圍的回流區(qū)，設(shè)計(jì)航寬范圍內(nèi)主流基本沿航線方向。

圖3 上游引航道口門區(qū)各測點(diǎn)布置及速度分布（節(jié)制閘運(yùn)行）Fig.3 Layout and velocity distribution of each measuring point in the entrance area of upstream approach channel（control gate operation）

圖4 上游引航道口門區(qū)速度等值線圖（節(jié)制閘運(yùn)行，單位：m/s）Fig.4 Velocity contour map of upstream approach channel entrance area（control gate operation）

在工況1 時，各特征斷面的縱向流速和橫向流速均由隔島向河道右岸呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，未出現(xiàn)回流現(xiàn)象；在工況2時，各斷面的縱向流速均又隔島向河道右岸呈逐漸減小的趨勢，橫向流速的分布成相反趨勢，橫向流速呈與主流方向相反，但未形成大尺寸范圍的回流。

3.2 泵站運(yùn)行工況

馬甸樞紐中泵站緊鄰船閘的右岸布置，且船閘引航道在泵站一側(cè)為開敞式，無隔流措施，在泵站運(yùn)行時易對船閘引航道口門區(qū)產(chǎn)生影響，為分析泵站運(yùn)行時船閘引航道口門區(qū)流態(tài)及流速，結(jié)合設(shè)計(jì)航線，在上游引航道口門區(qū)設(shè)置3 個監(jiān)測斷面，每個斷面布置5個監(jiān)測點(diǎn)，共15個監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5（a）所示。在節(jié)制閘不引水、泵站引水流量60 m3/s時，各監(jiān)測點(diǎn)的速度如圖5（b）所示，圖5（b）中v為合速度，vz為縱向流速，vt為橫向流速。口門區(qū)各測點(diǎn)最大縱向流速為0.289 m/s，最大橫向流速為0.03 m/s，均滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區(qū)流速的要求。由圖6 可知，上游引航道靠近泵站側(cè)的隔水墻下游存在部分斜向水流，隔水墻距離越大的區(qū)域縱向流速增大，但橫向流速逐漸減小。

圖5 上游引航道口門區(qū)各測點(diǎn)布置及速度分布（泵站運(yùn)行）Fig.5 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of upstream approach channel（pump station operation）

圖6 上游引航道口門區(qū)速度等值線圖（泵站運(yùn)行，單位：m/s）Fig.6 Velocity contour map of upstream approach channel entrance area（pumping station operation）

4 下游引航道口門區(qū)計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 節(jié)制閘運(yùn)行工況

節(jié)制閘排澇或引水運(yùn)行時，水流同樣會對下游引航道口門區(qū)產(chǎn)生影響，若口門區(qū)橫向流速過大，也會對過閘船舶航行安全產(chǎn)生影響，為明確下游引航道口門區(qū)的速度分布特征，在下游口門區(qū)的4 個橫斷面共布置了20 個測點(diǎn)，每個橫斷面設(shè)置5個監(jiān)測點(diǎn)如圖7（a）所示。節(jié)制閘各工況運(yùn)行時，下游引航道口門的速度分布如圖7（b）和圖7（c）所示，圖中v為合速度，vz為縱向流速，vt為橫向流速。在工況1 節(jié)制閘排澇校核工況時，下游水位為1.10 m，口門區(qū)測點(diǎn)11 和測點(diǎn)16 的橫向流速分別為0.286 和0.352 m/s，均超過《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區(qū)橫向流速上限值0.25 m/s的要求。工況2 節(jié)制閘引水校核工況時，口門區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)的流速不大，最大縱向流速為0.286 m/s，最大橫向流速為0.13 m/s，均滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區(qū)流速的要求。兩個工況的下游引航道口門區(qū)的速度等值線如圖8 所示，工況1 時，各特征斷面的縱向流速和橫向流速分布均未呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律；工況2時，各特征斷面的主要測點(diǎn)的縱向流速和橫向流速分布均呈相同的分布規(guī)律，由隔島側(cè)向左岸側(cè)速度逐漸減小，節(jié)制閘排澇校核工況和引水校核工況時下游引航道口門區(qū)均未見明顯回流。

圖7 下游引航道口門區(qū)各測點(diǎn)布置及速度分布（節(jié)制閘運(yùn)行）Fig.7 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of downstream approach channel（control gate operation）

4.2 泵站運(yùn)行工況

在下游引航道口門區(qū)設(shè)置4 個監(jiān)測斷面，每個斷面布置5個監(jiān)測點(diǎn)，共35個監(jiān)測點(diǎn)，如圖9（a）所示，因泵站與船閘位于同側(cè)布置，各監(jiān)測點(diǎn)位置相比節(jié)制閘運(yùn)行時位置有所前移。在工況3泵站引水時，泵站引水流量為60 m3/s，下游河道水位為最低通航水位0 m，口門區(qū)各測點(diǎn)的速度分布如圖8（b）所示?？陂T區(qū)各測點(diǎn)最大縱向流速為0.336 m/s，最大橫向流速為0.086 m/s，均滿足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區(qū)流速的要求。工況3 時，下游引航道口門區(qū)流態(tài)較好，未見明顯回流區(qū)，設(shè)計(jì)航寬范圍內(nèi)主流基本沿航線方向，如圖10所示。

圖8 下游引航道口門區(qū)速度等值線圖（節(jié)制閘運(yùn)行，單位：m/s）Fig.8 Velocity contour map of downstream approach channel entrance area（control gate operation）

圖9 下游引航道口門區(qū)各測點(diǎn)布置及速度分布（泵站運(yùn)行）Fig.9 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of downstream approach channel（pumping station operation）

圖10 下游引航道口門區(qū)各測點(diǎn)布置及速度分布（泵站運(yùn)行，單位：m/s）Fig.10 Layout and velocity distribution of each measuring point in the entrance area of downstream approach channel（pumping station operation）

5 結(jié) 論

馬甸樞紐工程主要建筑物有節(jié)制閘、船閘和引水泵站，針對工程完工后，泵站引水、節(jié)制閘排澇或引水時可能對船閘引航道口門區(qū)通航水流條件產(chǎn)生影響，數(shù)值分析了3 種不同運(yùn)行工況時上、下游引航道口門區(qū)水流條件，對確保船舶安全快速過閘有著十分重要的意義，主要結(jié)論如下。

（1）在馬甸樞紐工程中，節(jié)制閘排澇校核工況時，船閘上引航道口門區(qū)水流條件均較好，但在節(jié)制閘引水校核工況時，上游引航道口門區(qū)局部范圍橫向流速不滿足要求。在節(jié)制閘引水校核工況和泵站引水工況時，船閘下游引航道的口門區(qū)水流條件較好，但在節(jié)制閘排澇校核工況時，下游河道水位較低，口門區(qū)局部范圍橫向流速較大，不滿足規(guī)范要求。

（2）在泵站引水工況時，船閘上、下游引航道靠近泵站側(cè)的隔水墻末端附近均存在部分斜向水流，建議在上、下游引航道隔水墻末端增加弧立式隔流設(shè)施，以便馬甸樞紐船閘更好地運(yùn)行。