引江濟(jì)淮五老堰跌水工程匯流口通航水流條件及改善措施*

張 輝，李 濤，李 銘，賁 鵬

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院，水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000；2.安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230041)

引江濟(jì)淮工程是一項以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運為主，結(jié)合灌溉補水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境為主要任務(wù)的大型跨流域調(diào)水工程。引江濟(jì)淮工程由引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送3段組成，輸水線路總長1 048.68 km。原有的輸水渠道挖寬挖深后，使得現(xiàn)有的河流水系被破壞，需要在連接處建設(shè)跌水、跌井工程，使原有的河流水系水流平順匯入干渠中且不影響干渠正常通航。跌水、跌井工程的布置直接影響匯流口通航水流條件，關(guān)系到工程自身安全、下游河道穩(wěn)定及匯流口通航安全。根據(jù)《運河通航標(biāo)準(zhǔn)》[1]，運河中泄水口水域航道橫向流速不應(yīng)超過0.3 m/s，回流流速不應(yīng)超過0.4 m/s。水利部、交通部以“水許可決[2017]19號文”對引江濟(jì)淮工程(安徽段)初步設(shè)計報告進(jìn)行批復(fù)，批復(fù)意見中提出支流洪水入渠的通航水流控制條件為：20 a一遇通航工況，橫向流速v≤0.3 m/s；5 a一遇通航工況，橫向流速v≤0.15 m/s。為保證引江濟(jì)淮工程江淮溝通段全部跌水、跌水消能及通航安全，須對跌水、跌井工程消能防沖效果及通航水流條件進(jìn)行綜合評價。

目前，針對上述問題的研究方法主要是水工模型試驗，王偉等[2]采用定床河工模型試驗分析派河口船閘下游引航道與口門區(qū)通航水流條件，并分析不滿足規(guī)范要求的原因，給出優(yōu)化方案；楊子江等[3]采用定床河工模型優(yōu)化楊大莊跌水工程布置方案，使得匯流口通航區(qū)域橫向流速滿足規(guī)范要求。近年來，數(shù)值模擬方法得到了快速發(fā)展，彌補了物理模型試驗的諸多不足。朱京德等[4]、原賀軍[5]采用二維水動力數(shù)學(xué)模型模擬航道流場，分析通航區(qū)域內(nèi)橫向、縱向流速和角度。對跌水、跌井工程的水力特性和通航水流條件整體三維數(shù)值模擬的相關(guān)研究鮮有報道[6]，本文基于VOF(流體體積)法[7]的RNGk-ε(重整化群 紊動能-耗散率)[8]雙方程紊流數(shù)學(xué)模型，采用楊大莊跌水工程水工模型試驗對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行率定與驗證，利用率定后的數(shù)學(xué)模型對五老堰跌水通航水流條件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析原設(shè)計方案匯流口通航水流條件不滿足規(guī)范要求的原因，并提出滿足江淮溝通段臨河建筑物支流洪水入渠控制條件的優(yōu)化方案，可為類似水利工程的設(shè)計及安全運行提供技術(shù)支撐。

1 模型驗證

1.1 模型建立

水工模型為1:50的正態(tài)模型，為保證楊大莊跌水工程上下游水流與原型相似，整體模型江淮溝通段干渠取跌水與河渠相交中心線上游850 m、下游950 m總長1 800 m河段；支流取跌水上游王橋小河400 m河道作為模型模擬范圍。模型范圍內(nèi)包含楊大莊跌水工程各部分主要建筑物，見圖1。

1.1.1控制方程

注：1#～13#為水位測點；D0為流速斷面。

連續(xù)性方程：

(1)

不可壓縮紊流時均流動的運動方程(即雷諾方程)為：

(2)

k方程和ε方程為：

(3)

(4)

VOF公式根據(jù)兩種或多種流體(或相)沒有互相穿插的基本事實，對每相流體的體積分?jǐn)?shù)在計算單元內(nèi)定義，總和為1。用標(biāo)量函數(shù)αq表示第q相在網(wǎng)格中占的體積分?jǐn)?shù)，分為以下3種情況：αq=0表示單元中沒有第q相流體；αq=1表示第q相流體占滿了整個單元；0<αq<1表示單元中包含了第q相流體與其他相流體的界面。

水的體積分?jǐn)?shù)αw的控制微分方程為：

(5)

式中：t為時間；ui和xi分別為速度分量和坐標(biāo)分量。通過求解該連續(xù)方程來完成對水氣界面的跟蹤。

1.1.2模型邊界

三維數(shù)值模型邊界主要包括：1)壓力進(jìn)口邊界。即上游庫區(qū)采用相應(yīng)設(shè)計水位，空氣進(jìn)口邊界采用大氣壓力邊界。2)壓力出口邊界。下游河道為明渠水流，下游邊界給出相應(yīng)設(shè)計水位。3)壁面邊界為不可滑移邊界條件。4)自由水面。多相流模型中的VOF模型，對溢洪道和下游河道區(qū)域波動較大的水氣交界面進(jìn)行追蹤。

1.1.3網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格對跌水工程段局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格邊長為0.2 m；匯流口處采用嵌入式網(wǎng)格進(jìn)行加密，最小網(wǎng)格尺寸為0.4 m×0.2 m×0.4 m(長×寬×高)，其余采用0.4 m×0.4 m×0.4 m，網(wǎng)格合計820萬個，網(wǎng)格劃分見圖2。計算初始時間步長為1 ms，采用進(jìn)出口流量不超過1%作為模型計算穩(wěn)定的判別條件。

圖2 數(shù)學(xué)模型平面布置

1.2 計算模型的驗證

為驗證數(shù)值計算的準(zhǔn)確性，將20 a一遇設(shè)計泄流通航工況下(支流王橋小河來流流量576 m3/s，控制跌水下游水位為23.86 m，干渠來流流量為731 m3/s)，跌水工程沿程水位、壓力、局部斷面流速及跌水段流態(tài)進(jìn)行對比驗證，結(jié)果見圖3、4和表1。由實測值和計算值對比結(jié)果可知，跌水工程沿程水位、壓力、局部斷面流速等吻合程度良好，實測值采用三維流速儀測量，物理模型干渠河道水深較淺，測量過程中水面波動對流速值測量結(jié)果影響較大，呈現(xiàn)上下波動，計算值相對較為平緩，相對誤差均在10%以內(nèi)，計算精度能滿足要求，該模型是可行的。

圖3 JH0+000斷面流速試驗值與計算值對比

圖4 跌水段水流流態(tài)試驗與計算對比

表1 計算值與實測值對比結(jié)果

2 計算工況

2.1 原布置方案

五老堰河跌水為3孔開敞式2級跌水，跌水下游與干渠堤后至一級坡間左右不對稱圓弧錐坡擴(kuò)散銜接，位于左岸，跌水中心線與干渠中心線交角為145°；斑鳩堰河跌水為3孔開敞式2級跌水；跌水下游與干渠堤后至一級坡間左右不對稱圓弧錐坡擴(kuò)散銜接，位于右岸，跌水中心線與干渠中心線交角為36°，兩跌水相距600 m，跌水工程總平面布置見圖5a)。模型范圍取五老堰河跌水上游500 m，斑鳩堰河跌水下游500 m(總長約1 600 m)，支流取涵上游長約200 m河段作為本次數(shù)值計算模擬范圍，包含工程全部主要建筑物，計算模型按照比尺1:1建立，整體三維模型見圖5b)。

圖5 跌水工程

2.2 計算工況及通航水流控制條件

根據(jù)規(guī)劃設(shè)計要求，數(shù)值模擬工況見表2。

表2 數(shù)值模擬計算工況

3 計算結(jié)果分析

3.1 原布置方案

3.1.1匯流口流場計算

5 a一遇通航工況五老堰跌水工程和斑鳩堰跌水工程水面下0.25和2.25 m水深的橫向流速分布見圖6?？梢钥闯?，水面下0.25和2.25 m流態(tài)及流速基本一致。斑鳩堰跌水工程中心線和干渠來流中心線交角成36°，且支流來流較小，匯流口通航區(qū)域流態(tài)較好，無明顯回流，橫向流速最大值為0.1 m/s，滿足通航安全要求。五老堰跌水工程中心線和干渠來流中心線交角成145°，與干流來流方向相反，跌水控制工程與干渠距離較近，支流來流較大，支流出流在匯流口處來不及轉(zhuǎn)彎，以近垂直的角度匯入干渠，水流流態(tài)較差，回流范圍明顯，最大回流流速0.31 m/s，橫向流速超0.15 m/s范圍較大，橫向流速最大值為0.38 m/s。兩跌水工程之間干渠河道，未出現(xiàn)明顯大范圍不良流態(tài)，橫向流速滿足通航要求。

圖6 5 a一遇通航工況流態(tài)及流速

20 a一遇通航工況五老堰跌水工程和斑鳩堰跌水工程水面下0.25和下2.25 m水深的橫向流速分布見圖7。可以看出，水面下0.25和2.25 m流態(tài)及流速基本一致。斑鳩堰跌水工程匯流口通航區(qū)域流態(tài)較好，無明顯回流，橫向流速最大值為0.20 m/s，滿足通航安全要求。五老堰跌水工程，支流出流在匯流口處來不及轉(zhuǎn)彎，以近垂直的角度匯入干渠，水流流態(tài)較差，橫向流速超規(guī)范值0.30 m/s，橫向流速最大值為0.70 m/s。兩跌水工程之間干渠河道未出現(xiàn)明顯大范圍不良流態(tài)，橫向流速滿足通航要求。

圖7 20 a一遇通航工況流態(tài)及流速

3.1.2導(dǎo)流墻效果分析

原布置方案中在匯流口區(qū)域布設(shè)了4個導(dǎo)流墻，給工程施工和后期跌水運行管理帶來諸多問題，利用數(shù)值模擬計算匯流口有無導(dǎo)流墻時的水流流態(tài)。計算結(jié)果表明，導(dǎo)流墻區(qū)域流態(tài)和流速分布基本一致，導(dǎo)流墻使水流略顯集中，改善效果不明顯，建議去除，有無導(dǎo)流墻匯流口流速見圖8。

圖8 斑鳩堰跌水工程匯流口通航區(qū)域有無導(dǎo)流墻流態(tài)及流速

3.2 優(yōu)化方案

3.2.1優(yōu)化方案1

五老堰跌水工程下游通航不能滿足要求，根據(jù)原布置方案流速分布情況以及水流特性，分析通航區(qū)域橫向流速超標(biāo)的原因。跌水控制工程與干渠距離較近，且與干流來流方向相反，水流來不及轉(zhuǎn)彎，以近垂直的角度匯入干渠，水流流態(tài)較差；支流流量大，出跌水位置后，水面流速仍然較大，尤其是20 a一遇通航工況出現(xiàn)了面流。針對上述原因和對導(dǎo)流墻效果分析，對原設(shè)計方案局部布置進(jìn)行第1次優(yōu)化調(diào)整，主要內(nèi)容包括：1)跌水的平面位置向后退約60 m；2)原布置方案的跌水工程中心線與干渠中心線夾角約145°，調(diào)整方案約127°；3)跌水工程上、下游翼墻與干渠連接弧度調(diào)整；4)導(dǎo)流墻調(diào)整，見圖9。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，優(yōu)化方案1的流態(tài)和流速均優(yōu)于原布置方案。5 a一遇通航工況，支流來水偏右匯入干渠，匯流口回流不明顯，匯流口通航區(qū)域最大橫向流速約0.13 m/s，滿足通航安全要求；20 a一遇通航工況匯流口左岸有明顯回流，回流區(qū)域面積約120 m2，最大回流流速0.21 m/s，通航區(qū)域最大橫向流速0.43 m/s，不滿足通航要求。優(yōu)化方案1的兩工況橫向流速分布見圖10。

圖10 優(yōu)化方案1匯流口通航區(qū)域橫向流速分布

3.2.2優(yōu)化方案2

針對通航20 a一遇工況，橫向流速不滿足要求，對體形做進(jìn)一步優(yōu)化。在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上右側(cè)邊墻向后、下游調(diào)整，連接圓弧更加平順，見圖11。優(yōu)化方案2的20 a一遇通航工況，通航區(qū)域最大橫向流速0.27 m/s，滿足0.3 m/s的通航要求，橫向流速見圖12。

圖11 優(yōu)化方案2

圖12 優(yōu)化方案2的流速分布

4 結(jié)論

1)基于RNGk-ε雙方程紊流數(shù)學(xué)模型，采用引江濟(jì)淮工程江淮溝通段楊大莊跌水工程水工模型試驗對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行率定與驗證，計算值與試驗值基本吻合，表明采用率定與驗證后的數(shù)學(xué)模型計算跌水工程消能效果及匯流口通航水流條件在技術(shù)上基本可行。

2)原布置方案的五老堰和斑鳩堰跌水工程之間，無明顯不良流態(tài)，橫向流速滿足要求，無顯著相互影響。斑鳩堰跌水工程原布置方案5和20 a一遇通航工況，通航均能滿足要求。五老堰跌水工程5 a一遇通航工況的最大橫向流速0.38 m/s，20 a一遇通航工況的最大橫向流速0.70 m/s，兩通航工況均不滿足通航安全要求。

3)根據(jù)五老堰跌水工程原布置方案流速分布情況以及水流特性，分析通航區(qū)域橫向流速超標(biāo)的原因，對原設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。優(yōu)化后的工程方案，匯流口區(qū)域橫向流速與回流流速均滿足設(shè)計要求，5和20 a一遇不利通航工況的最大橫向流速分別為0.13和0.27 m/s，滿足通航安全要求。