蒙城閘樞紐下移選址優(yōu)化方案數(shù)值模擬研究

彭 亮

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 2.水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蚌埠 233000）

渦河蒙城樞紐位于蒙城縣城北關(guān)渦河上，由節(jié)制閘、分洪閘、船閘三座建筑物組成，是渦河上一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運(yùn)于一體的Ⅱ等大（2）型工程。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，特別是煤炭資源的開發(fā)，現(xiàn)狀蒙城船閘300t 級(jí)，通航能力嚴(yán)重不足。同時(shí)，蒙城已被列為安徽省五個(gè)生態(tài)城市之一，對(duì)水環(huán)境和水景觀有更高的需求，現(xiàn)狀蒙城樞紐位置已不能滿足蒙城城市發(fā)展對(duì)渦河水環(huán)境的要求，需將蒙城樞紐移址重建，以改善渦河的通航條件，兼顧蒙城城市水環(huán)境、水景觀建設(shè)。本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)不同閘址條件下樞紐總體流態(tài)進(jìn)行模擬，分析引航道口門區(qū)流速和節(jié)制閘過(guò)流能力，為蒙城閘樞紐工程選址提供技術(shù)支撐，推薦最優(yōu)方案。

1 工程概況

樞紐下移重建后，節(jié)制閘按20年一遇設(shè)計(jì)過(guò)閘流量2400m3/s，50年一遇校核流量2900m3/s，節(jié)制閘為大（2）型水閘。渦河航道為Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)為500t 級(jí)，兼顧1000t 級(jí)船型，移址重建船閘為Ⅳ級(jí)船閘。船閘是渦河蒙城樞紐的一部分，節(jié)制閘、船閘上閘首及兩岸堤防形成完全封閉的防洪體系，工程等別為Ⅱ等。

蒙城閘樞紐擬下移至巴莊或徐莊附近重建，巴莊方案，左岸老河道預(yù)留泵站的位置，節(jié)制閘布置于中部，船閘布置于右岸；徐莊方案，船閘布置于左岸，節(jié)制閘布置于中部，右岸老河道預(yù)留泵站的位置。

2 模型建立

針對(duì)渦河巴莊和徐莊河段彎曲較大的河道特點(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(zhǎng)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，取得了較好的效果，為解決航道整治中遇到的水流問(wèn)題提供了有力的技術(shù)支撐。

2.1 網(wǎng)格劃分和計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程河段特點(diǎn)，選取新建閘址上下游各3km 之間河段構(gòu)建水動(dòng)力模型。為較好地反映河道地形及岸線的變化，模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，網(wǎng)格空間步長(zhǎng)約30m。為了較好地反映樞紐附件細(xì)部地形，樞紐附件網(wǎng)格加密至10m 左右，節(jié)制閘閘墩附近加密至2m 左右。節(jié)制閘閘墩按照過(guò)水面積不變的原則進(jìn)行概化，概化后保留5 個(gè)閘墩，見圖1。

圖1 數(shù)學(xué)模型工程樞紐局部網(wǎng)格剖分圖

時(shí)間步長(zhǎng)：最小時(shí)間步長(zhǎng)0.01s。

糙率：主槽糙率為0.026，河道灘地糙率為0.04。

紊動(dòng)黏性系數(shù)：采用Smagorinsky 公式計(jì)算，取0.28。

2.2 計(jì)算控制條件

根據(jù)《關(guān)于報(bào)送渦河近期治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告批復(fù)》和《渦河蒙城樞紐建設(shè)工程可行性研究報(bào)告》中蒙城站設(shè)計(jì)洪峰流量和閘下閘上規(guī)劃水位，選取4組規(guī)劃條件作為模型計(jì)算，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 引航道口門區(qū)流速分析

根據(jù)最高通航水位工況對(duì)船閘引航道口門區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行分析，比較兩種方案條件下的通航水流條件。最高通航水位條件下兩種方案口門區(qū)流場(chǎng)圖見圖2。

圖2 最高通航水位條件下兩種方案船閘上、下口門流場(chǎng)圖

分析可知：在最高通航水位條件下，巴莊方案中，船閘上游引航道中心線與上游主航道夾角37.01°。上口門區(qū)最大水流流速約0.55m/s，最大橫向流速約0.33m/s，大于規(guī)范要求的0.3m/s。過(guò)渡區(qū)最大水流流速約1.3m/s。引航道范圍內(nèi)為靜水區(qū)。下口門區(qū)與主航道連接平順。下口門區(qū)最大橫向流速0.1m/s，水流有回流，最大回流流速約為0.13m/s。徐莊方案中，上口門區(qū)與主航道平順連接。上口門區(qū)最大水流流速約為0.2m/s，過(guò)渡區(qū)最大水流流速約0.6m/s。引航道范圍內(nèi)為靜水區(qū)。下口門區(qū)最大橫向流速0.1m/s，水流有回流，最大回流流速0.28m/s。過(guò)渡區(qū)最大流速約為0.9m/s。

根據(jù)以上分析，巴莊方案船閘上口門區(qū)水流橫向流速大，不滿足規(guī)范要求。對(duì)比兩種方案在最高通航水位條件下的通航水流條件，徐莊方案船閘通航水流條件優(yōu)于巴莊方案。

3.2 節(jié)制閘過(guò)流條件分析

通過(guò)分析不同工況條件下節(jié)制閘過(guò)流量、節(jié)制閘附近流場(chǎng)以及節(jié)制閘單寬過(guò)流量分布情況，對(duì)比兩種閘址方案的過(guò)流條件。不同工況下節(jié)制閘流場(chǎng)圖和單寬流量分布圖見圖3～圖4。

圖3 巴莊方案節(jié)制閘流場(chǎng)圖和單寬流量分布圖

圖4 徐莊方案節(jié)制閘流場(chǎng)圖和單寬流量分布圖

通過(guò)調(diào)整節(jié)制閘附近局部水力損失，控制過(guò)閘水位落差與設(shè)計(jì)水位落差相同，復(fù)核節(jié)制閘泄量。通過(guò)模型計(jì)算，不同工況下，兩種閘址方案節(jié)制閘泄量均滿足設(shè)計(jì)要求。

從以上節(jié)制閘流場(chǎng)圖可看出，兩種方案進(jìn)閘水流都較為平順。巴莊方案節(jié)制閘上游存在兩個(gè)明顯的回流區(qū)，一個(gè)位于左側(cè)老河道內(nèi)，一個(gè)靠近右側(cè)分流堤。左側(cè)老河道內(nèi)回流對(duì)節(jié)制閘影響較小，右側(cè)回流離節(jié)制閘閘墩較遠(yuǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

節(jié)制閘泄水時(shí)，單寬流量分布是否均勻，關(guān)系到樞紐自身安全、消能是否充分以及下游河道穩(wěn)定。根據(jù)以上繪制的不同工況下節(jié)制閘單寬流量分布圖，巴莊方案各孔單寬流量分布比較均勻，徐莊方案中右側(cè)過(guò)流量略大于左側(cè)，但差值很小，且可以在下一階段工作中，通過(guò)水工模型試驗(yàn)，對(duì)閘址上游彎道右側(cè)切灘工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行改善。

4 結(jié)論

本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)不同閘址條件下樞紐總體流態(tài)進(jìn)行模擬，分析引航道口門區(qū)流速和節(jié)制閘過(guò)流能力，結(jié)果表明：

（1）通過(guò)比較引航道口門區(qū)流速分布知，巴莊方案船閘上口門區(qū)水流橫向流速較大，流速值大于規(guī)范要求，通航條件略差。徐莊方案船閘通航水流條件優(yōu)于巴莊方案。

（2）節(jié)制閘過(guò)流條件，兩種方案節(jié)制閘水流都比較平順，節(jié)制閘泄量滿足設(shè)計(jì)要求，巴莊方案節(jié)制閘單寬流量分布均勻，徐莊方案節(jié)制閘右側(cè)過(guò)流量略大于左側(cè)，但差值很小，且具有改善措施。

（3）根據(jù)流場(chǎng)分析，認(rèn)為徐莊方案優(yōu)于巴莊方案■