彎曲河段船閘引航道通航水流條件模擬

張 羽，楊朝輝，趙集云，丁夢霞

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

口門區(qū)是連接船閘與河道的紐帶，位于引航道內(nèi)靜水與河道中動(dòng)水的交界處，引航道口門區(qū)通航水流條件關(guān)系到船隊(duì)能否安全出入船閘。因此，有必要進(jìn)一步研究該類工程引航道口門區(qū)的通航水流條件。為保證船只安全、平穩(wěn)航行，引航道口門區(qū)水流橫向與縱向速度不應(yīng)過大，并且不應(yīng)有復(fù)雜的水流條件，如渦流、回流等。為此很多學(xué)者進(jìn)行了深入研究，如李茜希等[1]分析不同流量下河道主流與引航道口門區(qū)回流流速變化情況；陳輝等[2]通過模擬河道主流與引航道中心線夾角變化，分析引航道口門區(qū)水位、流速分布等水流特征；王云莉等[3]分析引航道口門區(qū)不良水流流態(tài)特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，提出改善措施；齊慶輝等[4]利用Mike軟件數(shù)值模擬研究引航道口門區(qū)流速等水力特性，并提出當(dāng)引航道水流流態(tài)不滿足規(guī)范要求時(shí)，在導(dǎo)流墩附近加格柵等措施；李君濤等[5]研究利用導(dǎo)流墩等工程措施，可以減少斜流和回流對船只通航的影響；祁永生等[6]通過河工模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)閘門的調(diào)度組合及導(dǎo)流墩等優(yōu)化方案，可以改善船閘的通航水流條件；李興亮等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，在引航道口門區(qū)采用多種工程措施組合，可以有效減少水流對船只航行的影響，確保船只安全通過；楊升耀等[8]研究船閘引航道口門區(qū)交界處，不同工況下導(dǎo)航墻分流情況對通航的影響；王建平等[9]根據(jù)河勢走向和彎曲河段水流運(yùn)動(dòng)特性，上游調(diào)整岸線如設(shè)置丁壩群等，在引航道口門區(qū)產(chǎn)生過渡段區(qū)域，改善口門區(qū)水流流態(tài)；楊忠超等[10]采用二維數(shù)值模擬研究，采用設(shè)置導(dǎo)航墻及增加導(dǎo)流墩等優(yōu)選設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過對比分析其通航水流條件變化情況，得到符合標(biāo)準(zhǔn)要求的優(yōu)化方案。

上述研究大多側(cè)重于河工模型試驗(yàn)或數(shù)學(xué)模擬，對數(shù)學(xué)模型與物理模型相結(jié)合的方式研究較少。本文以南陽唐河郭灘航運(yùn)樞紐為例，通過調(diào)度方式對船閘引航道口門區(qū)水力特性影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究計(jì)算，與彎曲河段船閘引航道口門區(qū)通航水流條件模型試驗(yàn)進(jìn)行對比分析，并與前人研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分析節(jié)制閘對水力特性的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

本文對研究河段進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，范圍為上游引航道口門區(qū)附近約1.2 km區(qū)域的河段(節(jié)制閘上游1.2 km的區(qū)域)，通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，引航道口門區(qū)通航水流條件引航道口門區(qū)的水流呈明顯的二維平面流動(dòng)，其中忽略垂向流速的影響。模型擬采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法進(jìn)行數(shù)值離散，整個(gè)計(jì)算空間被劃分為多個(gè)相互連接但無重疊的三角形網(wǎng)格單元。為了保持模型計(jì)算的穩(wěn)定性，調(diào)整模型中的時(shí)間步長，確定收斂條件判斷數(shù)CFL的數(shù)量小于1。以二維平面模型對船閘引航道口門區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Mike21流體模擬軟件，采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長最大每1.4 m一個(gè)，最小每0.3 m一個(gè)，另外還對重點(diǎn)計(jì)算域引航道口門區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，共布置網(wǎng)格單元3.381 6萬個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)1.747 1萬個(gè)，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確，網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)河道形態(tài)及水流特征，采用水深平均的平面二維淺水?dāng)?shù)學(xué)模型，其基本控制方程為：

水流連續(xù)方程：

(1)

x方向動(dòng)量方程：

(2)

y方向動(dòng)量方程：

(3)

式中：t為時(shí)間；u、v分別為沿x、y方向的流速；h為水深；η為床面高程；εxy、εxx、εyy為紊動(dòng)黏性系數(shù)；n為糙率；ρ為水密度。

1.2 模型驗(yàn)證

對該引航道進(jìn)行二維建模，模型進(jìn)口采用流量進(jìn)口，模型出口為水位邊界，將引航道口門處的流速分布與模型的測量結(jié)果進(jìn)行比較。以326 m3/s流量為例，對引航道口門處的水面線及斷面流速分布進(jìn)行驗(yàn)證，將模擬計(jì)算結(jié)果的A-A′斷面的流速、水位與實(shí)測數(shù)據(jù)、模型試驗(yàn)值進(jìn)行對比，見圖2?？梢钥闯?，實(shí)測水面線與模型驗(yàn)證水面線較為吻合，符合規(guī)范要求。根據(jù)實(shí)測斷面流速水深，在相同位置模型試驗(yàn)進(jìn)行了流速水深測量，試驗(yàn)結(jié)果與原型實(shí)測也基本一致，故水流運(yùn)動(dòng)滿足相似要求。數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與原型實(shí)測資料基本吻合，該數(shù)學(xué)模型能很好地模擬引航道口門區(qū)的水流結(jié)構(gòu)。

圖2 數(shù)值模擬-驗(yàn)證試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)對比

2 試驗(yàn)方案與分析

2.1 通航水流條件限值

GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[11]的相關(guān)要求見表1。南陽郭灘航運(yùn)樞紐為IV級，引航道口門區(qū)縱向、橫向、回流流速分別不應(yīng)大于2.00、0.30、0.40 m/s。

表1 口門區(qū)水面流速最大限值

2.2 試驗(yàn)工況的選擇

根據(jù)唐河多年來流分析，模擬流量工況范圍為326～1 810 m3/s，選擇326、500、1 000、1 500與1 810 m3/s等5個(gè)流量進(jìn)行試驗(yàn)分析。由物理模型試驗(yàn)得出，上游來流量在326～1 000 m3/s時(shí)，改變節(jié)制閘閘門調(diào)度方式，發(fā)現(xiàn)河道主流與引航道口門區(qū)夾角發(fā)生變化，此時(shí)河道主流穩(wěn)定在距左岸84～90 m處，主流在引航道口門區(qū)斷面最大縱向主流流速為1.12 m/s，引航道連接段內(nèi)水流紊動(dòng)作用弱，對船只通航影響低。

上游來流量在1 000～2 000 m3/s時(shí)，引航道口門區(qū)左側(cè)出現(xiàn)回流漩渦，此時(shí)河道主流流速大，河道主流最大縱向流速1.68 m/s，引航道連接段內(nèi)水流紊動(dòng)作用強(qiáng)，有小范圍往復(fù)流出現(xiàn)，最大橫向流速為0.26 m/s回流區(qū)隨著河道主流的行進(jìn)(前行)而逐漸消失；且口門區(qū)回流造成引航道湍流，形成斜流，不利于航運(yùn)。在來流流量超過2 000 m3/s時(shí)，節(jié)制閘處于全開狀態(tài)，調(diào)度方式對水流條件幾乎無影響。

本文主要選擇上游來流為1 000和1 500 m3/s兩種工況進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)度方案[12]，節(jié)制閘門共12孔，從左岸依次向右為1#～12#閘門。在相同流量下，通過調(diào)節(jié)節(jié)制閘閘門調(diào)度中四孔、左八孔等方式，分析引航道口門區(qū)通航水流條件。上游引航道口門區(qū)斷面測點(diǎn)布置見圖3，其中從導(dǎo)航墻堤頭附近開始，沿引航道口門區(qū)斷面呈1×10矩陣布置(1行1列，共10個(gè)測點(diǎn)，口門左側(cè)每個(gè)點(diǎn)間距20 cm，右側(cè)點(diǎn)距30 cm)。

圖3 測點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及對比分析

3.1 模型試驗(yàn)結(jié)果

引航道口門區(qū)通航水流條件工況見表2，主要介紹2種流量下的4種不同調(diào)度方案。對2種通航流量為1 000、1 500 m3/s不同調(diào)度方式下的上游引航道口門區(qū)通航水流條件進(jìn)行數(shù)值模擬，引航道口門區(qū)整體、局部的流速分布云圖見圖4、5。

表2 調(diào)度方案設(shè)置

圖4 引航道口門區(qū)整體流速分布云圖

圖5 引航道口門區(qū)局部區(qū)域流速分布云圖

可以看出，當(dāng)上游來流為1 000 m3/s時(shí)，引航道口門區(qū)斷面縱向流速為-0.2～1.2 m/s，橫向流速為-0.5～0.3 m/s，導(dǎo)航墻堤頭左側(cè)位置形成回流漩渦，漩渦中最大流速為0.14 m/s，此時(shí)口門區(qū)右航線(出口下40～60 m)通航水流條件較差。上游水位滿足通航水位的要求，此時(shí)僅中四孔閘門打開，從流速分布上看，河道主流流速較兩岸最高流速大1.12 m/s，引航道內(nèi)最大流速0.32 m/s。當(dāng)閘門在1 000 m3/s、閘門調(diào)度為左八孔時(shí)，發(fā)現(xiàn)引航道口門區(qū)斷面縱向流速為-0.80～1.41 m/s，橫向流速-0.45～0.18 m/s，導(dǎo)航墻堤頭正前方形成回流漩渦，且漩渦區(qū)域大。此時(shí)主流流速較大，引航道內(nèi)流速較小僅0.17 m/s?？陂T區(qū)右航線(出口下40～70 m)通航水流條件較差。當(dāng)上游來流為1 500 m3/s、閘門調(diào)度為中四孔時(shí)，引航道口門區(qū)斷面縱向流速為-0.85～1.24 m/s，橫向流速-0.65～0.23 m/s，導(dǎo)航墻堤頭左側(cè)有局部回流漩渦，回流流速小于0.4 m/s。此時(shí)口門區(qū)斷面流速較大，水流流態(tài)湍急，從流速分布上看，河道主流區(qū)略偏向左岸，引航道內(nèi)流速偏大，最大流速僅0.15 m/s，并未出現(xiàn)紊動(dòng)水流，滿足通航要求。當(dāng)閘門在1 500 m3/s、閘門調(diào)度為左八孔時(shí)，發(fā)現(xiàn)引航道口門區(qū)斷面縱向流速為-0.64～1.68 m/s，橫向流速為-0.56～0.26 m/s，導(dǎo)航墻堤頭正前方附近產(chǎn)生回流漩渦，此時(shí)口門區(qū)主河道斷面流速較大，水流流態(tài)湍急。但從流速分布上看，河道主流區(qū)略偏向左岸，但引航道內(nèi)最大流速僅0.15 m/s，并未出現(xiàn)紊動(dòng)水流，滿足通航要求。

總體上，在上游引航道口門區(qū)轉(zhuǎn)彎處主流水流向左岸輕微滑移，至節(jié)制閘的泄水口，引航道口門區(qū)連接段與航道軸線形成一定交角，即斜流，斜流效果明顯，側(cè)向流速較高，對口門區(qū)通航水流條件不利。同時(shí)，在口門區(qū)左岸形成順時(shí)針三角形回流區(qū)。再循環(huán)的回流流速較低。引航道內(nèi)有較弱回流，其余為弱往復(fù)流。

3.2 調(diào)度方式及結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)上游來流一致時(shí)，通過控制閘門的的調(diào)度組合方式，可以有效改善引航道口門區(qū)的水力特性。當(dāng)上游來流總量為1 000、1 500 m3/s時(shí)，對方案a與b、方案c與d之間上游引航道口門區(qū)通航水流條件進(jìn)行對比分析。可以看出隨著節(jié)制閘閘門的開啟，閘門組成越來越靠近船閘，河堤與引航道軸線的交角減小；河流主流越接近引航道口門區(qū)。此時(shí)，對口門區(qū)域和引航道的水流條件不利。

根據(jù)相同流量條件下計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)控制閘門調(diào)度方式時(shí)，河道主流受導(dǎo)航墻阻礙而分流，在導(dǎo)航墻前產(chǎn)生回流漩渦，回流漩渦在導(dǎo)航堤附近向左偏移，最終隨主流前進(jìn)而消失。當(dāng)上游來流一致時(shí)，控制閘門開啟調(diào)度組合方式，隨著引航道與河道主流夾角增大，口門區(qū)的回流作用變小，引航道內(nèi)橫向流速降低，斜流效應(yīng)也減弱，水流流態(tài)相對趨于穩(wěn)定，滿足通航水流標(biāo)準(zhǔn)。

不同方案的口門區(qū)流速特征見表3。結(jié)合圖7可以看出，在Q=1 000 m3/s條件下，方案a與b在流量一致的情況下，方案a口門區(qū)最大縱橫流速相對較小，流態(tài)穩(wěn)定，回流流速滿足內(nèi)河航運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)。方案c與d在Q=1 500 m3/s條件下，方案d口門區(qū)最大橫向流速極值差別較小，但回流區(qū)域范圍及流速較小，回流流速滿足內(nèi)河航運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)，因此，在流量一定的情況下，通過控制調(diào)度方式，可以有效削弱(減弱)回流及斜流效應(yīng)。

表3 口門區(qū)流速特征

3.3 物理模型與數(shù)學(xué)模型結(jié)果對比分析

將數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)(模型幾何比尺為1:75)相應(yīng)流量下口門區(qū)的相同測點(diǎn)流速進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表4。可以看出，各級流量下數(shù)學(xué)和物理模型的流速分布吻合較好，斷面縱向流速最大誤差為0.09 m/s，該數(shù)學(xué)模型能較好地模擬船閘引航道口門區(qū)的水流條件。

表4 數(shù)學(xué)和物理模型的口門區(qū)流速比較

4 結(jié)語

1)物理模型與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，兩者結(jié)果吻合良好。

2)結(jié)合Mike21軟件建立引航道數(shù)學(xué)模型，并得到引航道口門區(qū)水流變化規(guī)律，主流在上游引航道口門區(qū)正前方分流，產(chǎn)生回流漩渦，向左岸輕微滑移，并隨著主流前進(jìn)至節(jié)制閘的泄水口。

3)當(dāng)其他條件一定時(shí)引航道口門區(qū)斷面流速隨流量增大而增大，斜流隨回流漩渦與引航道軸線形成的夾角增大而增大。

4)當(dāng)上游來流1 000 m3/s，節(jié)制閘開啟中四孔較開左八孔方案優(yōu)。當(dāng)上游來流1 500 m3/s，節(jié)制閘開啟左八孔較開中四孔方案優(yōu)。方案a與d的口門區(qū)橫向流速與回流流速較低，在流量一定的情況下，通過控制調(diào)度方式，可以有效削弱(減弱)回流及斜流效應(yīng)。