淺析箱涵出水口對河流和港口通航影響及優(yōu)化措施

江學志

(上海水務建設工程有限公司,上海 200082)

0 引 言

近年來,隨著數(shù)值模擬技術的不斷發(fā)展,越來越多的研究開始運用數(shù)值模擬技術,對箱涵出水口的通航影響進行研究。如何準確地模擬箱涵出水口的水流特性,是當前研究的熱點之一。在國內(nèi)的研究中,李炳潔等人在2016年通過數(shù)值模擬的方法研究了不同類型箱涵出口的水流特性,分析了不同類型的箱涵出口對航道的影響,并提出了相應的改進方案[1]。陳波等人在2019年研究了箱涵出水口的流量特性及對航道安全的影響,通過實測和數(shù)值模擬的方法對箱涵出水口進行研究,并得出了箱涵出水口對航道安全的影響規(guī)律[2]。此外,還有一些研究集中在箱涵出水口的可視化研究上,如周昕、劉琨、王崢等人在2017年研究了不同形式的箱涵出水口的水流動態(tài),并給出了可視化表達。這些研究成果對于探討箱涵出水口的通航影響及針對措施具有重要的理論和實際價值[3-4]。此外,近年來,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,水上交通的發(fā)展也日益壯大,箱涵出水口的通航安全問題也愈加重要[5-6]。近年來,發(fā)生了一系列因箱涵出水口問題引起的交通事故,如2018年6月1日,位于浙江省余姚市的黃浦江大橋,因箱涵出水口問題,造成交通事故,嚴重影響了當?shù)亟煌ǖ臅惩?。因?對于研究箱涵出水口的通航影響及針對措施,具有重要的現(xiàn)實意義和緊迫性。

總之,文章旨在通過對箱涵出水口的實測和數(shù)值模擬,研究不同形式的箱涵出水口對航道通航的影響,并提出相應的針對性措施。該研究對于完善箱涵出水口的設計和實際應用,提高水上交通的安全性和暢通性具有重要的理論和實際意義。

1 箱涵出水口的水流特性分析

1.1 箱涵出水口與排水渠道之間的連通方式對水流特性的影響

在設計箱涵出水口時,需要考慮與排水渠道之間的連通方式。不同的連通方式會對水流特性產(chǎn)生影響。一般來說,箱涵出水口的水流需要進入排水渠道,通過排水渠道將水流迅速引導到下游。常用的連通方式有側(cè)壁直接接入、隧洞式接入和倒角式接入。其中,側(cè)壁直接接入和隧洞式接入的連通方式會對水流速度產(chǎn)生影響,倒角式接入則對水流的流向和分布產(chǎn)生影響。 對于側(cè)壁直接接入的連通方式,排水渠道靠近側(cè)壁,水流直接撞擊排水渠道的壁面,產(chǎn)生較大的水流速度。這會對排水渠道的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,容易造成沖刷。因此,在設計時需要增加橫向長度,增大渠寬,減小水流速度。隧洞式接入則是將箱涵出水口和排水隧洞直接相連,水流可以在隧洞內(nèi)自由流動。這種方式可以減小水流速度,提高排水效率,但相應的隧洞也需要在設計時充分考慮。倒角式接入則是通過將側(cè)壁倒角,使水流在進入排水渠道前先產(chǎn)生轉(zhuǎn)向,以減小水流速度。但需要注意的是,倒角過程中容易產(chǎn)生渦流和旋渦,需要在設計中充分考慮。

1.2 水流速度的計算和影響因素

箱涵出水口的水流速度是箱涵設計和施工的另一個重要問題。水流速度的過高或過低都會對箱涵的穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生不利影響。水流速度的計算需要考慮以下因素:流量、斷面積、斷面形狀、槽道坡度、摩擦阻力等。通常,可以采用曼寧公式或雷諾公式進行水流速度的計算。其中,曼寧公式適用于水流比較穩(wěn)定的情況,是計算水流速度的較為常用方法。對于復雜情況,可以使用雷諾公式進行計算。 水流速度的影響因素較多。其中,流量是影響水流速度的關鍵因素。流量越大,水流速度越快。同時,斷面積和斷面形狀也會對水流速度產(chǎn)生影響。相同流量情況下,斷面積越大,水流速度越慢;斷面形狀也會對水流速度產(chǎn)生影響,一般來說,圓形截面的水流速度相對較慢。槽道坡度也是影響水流速度的重要因素。在箱涵出水口設計時,需要根據(jù)槽道坡度和水流速度進行合理配合,防止水流速度過高導致沖刷和水流失控。

1.3 水流速度的控制方法

水流速度的控制是箱涵設計和施工過程中的重要問題。水流速度的過高或過低都會對箱涵的穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生不利影響。常用的水流速度控制方法有增加橫向長度、加裝限速板、加設消能池和采用雙級出口等,見表1。

表1 箱涵出水口優(yōu)化措施的對比

1.3.1 增加橫向長度

增加橫向長度是一種常用的水流速度控制方法。該方法通過增加箱涵的長度,降低水流速度,使水流能夠平穩(wěn)地進入下游排水渠道。但是,在實際應用中,增加橫向長度對土地占用和工程造價都會產(chǎn)生一定的影響,需要綜合考慮。

1.3.2 加裝限速板

加裝限速板是一種簡單且有效的水流速度控制方法。該方法通過在箱涵出水口前加裝限速板,使水流通過狹窄的限速通道,從而控制水流速度。限速板可以采用混凝土或鋼板等材料制成,具有耐用性好、施工方便等優(yōu)點。但是,加裝限速板也會增加維護成本和設計成本等問題。

1.3.3 加設消能池

加設消能池是一種較為常用的水流速度控制方法。該方法在箱涵出水口前設置消能池,使水流在消能池中減緩速度,降低水流沖擊力和剪切力。消能池可以采用混凝土或鋼板等材料制成,具有操作簡便、效果顯著的優(yōu)點。但是,消能池也會增加工程造價和維護成本等問題。

1.3.4 采用雙級出口

采用雙級出口是一種較為先進的水流速度控制方法。該方法通過在箱涵出水口設置雙級出口,將水流分為兩個階段排出,從而減緩水流速度和降低水流沖擊力和剪切力。雙級出口的設計需要考慮水流量、斷面形狀、坡度等因素,并進行合理的計算和模擬。但是,采用雙級出口也會增加工程造價和施工難度等問題。

2 箱涵出水口對通航的影響與優(yōu)化措施

2.1 箱涵出水口對通航的影響

不同的優(yōu)化方案對航道通行的影響也不盡相同。例如,增加橫向長度或加設消能池均會減少航道寬度或深度,限速板易造成水流混亂和堵塞,雙級出口則需要更大的航道轉(zhuǎn)彎半徑。因此,在具體優(yōu)化方案的選擇和實施中,應綜合考慮航道通航安全和經(jīng)濟效益兩個方面。對于不同的航道類型和水文地理條件,應采用不同的優(yōu)化措施進行箱涵出水口的設計和施工。

在進行箱涵出水口優(yōu)化設計的同時,還應注重實施后的監(jiān)測和維護。盡管采用了各種水流速度控制方法,但在使用中仍會出現(xiàn)水流速度過高或過低的情況。為此,應定期對箱涵出水口進行檢查和維護,及時清理限速板和消能池等設施,并對是否需要調(diào)整優(yōu)化方案進行評估。對于已實施的優(yōu)化措施,應定期進行監(jiān)測和評估,及時發(fā)現(xiàn)問題并引入改進措施,以確保箱涵出水口的穩(wěn)定性和通航安全。

2.2 箱涵出水口的優(yōu)化設計

針對不同的流量、水位條件下,本研究將探究如何優(yōu)化箱涵出水口的設計,降低水流速度對通航的影響,提高箱涵出水口的通航性能。具體而言,本研究將通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方式,探究優(yōu)化設計的措施。例如,通過增加橫向長度、加裝限速板、加設消能池、采用雙級出口等方式,降低箱涵出水口的水流速度,減少對通航的影響。同時,在理論分析和數(shù)值模擬的基礎上,通過現(xiàn)場試驗得到最優(yōu)解,并完善箱涵設計和施工的標準,提高箱涵的使用壽命。

2.3 箱涵出水口的優(yōu)化措施

本研究將探究箱涵出水口的優(yōu)化措施,通過對箱涵出水口的分析和對比試驗,比如增加橫向長度、加裝限速板、加設消能池、采用雙級出口等方式,探究如何降低箱涵出水口的水流速度對通航的影響,并提高箱涵的使用壽命(表2)。同時,本研究將結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的結(jié)果,深入分析和探究優(yōu)化措施的有效性和適用性,為箱涵出水口的設計和施工提供科學依據(jù)。

表2 箱涵出水口優(yōu)化措施及其預期效果

以上優(yōu)化措施均可針對不同情況和不同的箱涵設計進行選擇和實施。在實驗和模擬的基礎上,本研究將綜合考慮各種因素的影響,提出針對性的優(yōu)化方案。同時,本研究還將對優(yōu)化措施的成本、使用壽命等因素進行綜合分析,得出最優(yōu)方案,為箱涵出水口的設計和施工提供科學依據(jù)和實用價值。

3 海門市日新路及宏偉路兩處雨水泵站出水箱涵

3.1 項目概況

海門市日新路及宏偉路附近設置了兩處雨水泵站,用于在降雨期間將收集處理的初期雨水排放到海門河。宏偉路泵站排放設計流量為14.5m3/s,日新路泵站排放設計流量為14.7m3/s。海門河為七級限制性內(nèi)河航道,與排放流量同量級,因此需要評估排放對航道安全的影響。海門河全河段水閘控制,最高通航水位2.51m,最低通航水位1.22m,常水位1.88m。代表船舶包括長度19m、型寬4.5m、吃水深度1.2m的駁船,以及長度25m、型寬5.5m、吃水深度1.2m的貨船。本次評估遵循相關技術規(guī)程和標準要求。通過現(xiàn)場測量獲得了海門河典型斷面形狀、水深和流量數(shù)據(jù),其中在水位1.9m時測得流量為20.61m3/s。根據(jù)測量數(shù)據(jù),建立了不同水位條件下的流量-水位關系。這為后續(xù)建立數(shù)學模型提供了基礎數(shù)據(jù)。

3.2 計算參數(shù)

海門河水位控制條件下,可以設置不同的計算工況組合來模擬雨水泵站的影響。主要考慮3個因素:

3.2.1 海門河水位

分別設置最高通航水位2.51m、常水位1.88m和最低通航水位1.22m三種情況。

3.2.2 海門河流速

平時海門河流速極低,可近似為零。

3.2.3 雨水泵站排放流量

宏偉路排放設計流量14.5m3/s,日新路排放設計流量14.7m3/s。分別設置不同水位下按設計流量的100%、70%和30%情況。綜合上述因素,本研究模擬了以下計算工況組合:

1)最高通航水位,河道靜止水,設計流量100%。

2)最高通航水位,平均流速0.27m/s,設計流量100%。

3)常水位,河道靜止水,設計流量70%。

4)常水位,平均流速0.24m/s,設計流量70%。

5)最低通航水位,河道靜止水,設計流量30%。

6)最低通航水位,平均流速0.2m/s,設計流量30%。

3.3 控制方程和數(shù)學模型

1)流體控制方程:采用不可壓縮流體的連續(xù)性方程和納維-斯托克斯(N-S)方程。

2)建立RNG k-ε紊流模型。

3)VOF自由水面跟蹤:計算區(qū)域內(nèi)的流動受到邊界條件影響,因而邊界條件設置不合理會引起計算發(fā)散,提供符合物理實際、適定的邊界條件是獲得良好模擬結(jié)果的必要前提。排口箱涵設置為速度進口,海門河進口斷面設置設置為壓力進口,下游出口邊界采用壓力出口,壓力進出口邊界分別設置水位高程和壓強分布。

上述3個方程互相耦合,組成了模擬水動力問題的數(shù)學模型。連續(xù)性方程表達質(zhì)量守恒;N-S方程表達動量守恒;RNG模型閉合求解;VOF模型求解自由水面。三者共同模擬流體的運動狀態(tài)。

3.4 計算結(jié)果分析

1)排水口的影響范圍比較局限:報告結(jié)果表明,宏偉路和日新路兩處排水口對海門河流場的影響較為局限,主要集中在排水口附近區(qū)域。模擬結(jié)果顯示,排水口附近會形成直徑約30～40m的旋渦。這表明排放的動能能夠在局部區(qū)域形成較顯著的擾動,但很快衰減。

2)對航跡帶影響較小:研究計算了不同工況下沿航跡帶的橫向流速分布。除最低水位時宏偉路排水口局部超過0.3m/s的情況外,在航行區(qū)域內(nèi)的橫向流速影響較小。這表明正常水位條件下,排水口不會對通航造成明顯影響。

3)個別情況下會產(chǎn)生河床沖刷:計算結(jié)果顯示,在特定條件下,排水口會導致對岸河床產(chǎn)生一定的沖刷效應。部分情況下的河床橫向流速已達到淤泥的啟動臨界流速。這表明需采取一定的河床防護措施。

4)計算了最大橫流條件下的船舶作用力:研究基于規(guī)范計算了最大橫流條件下船舶承受的水動力,為評估通航安全提供依據(jù)。

5)提出了具體的設計優(yōu)化建議:根據(jù)計算結(jié)果,研究提出了觀測旋渦效應、控制橫向流速、做好河床防護等具體的工程優(yōu)化建議。這對排水口的設計與運維提供了指導。

綜上所述,該研究較全面地分析了排水口的水動力效應,評估了對通航的影響,并提出了具有可實施性的建議,具有一定的工程應用價值。

4 結(jié) 論

以上提到的箱涵出水口優(yōu)化措施在實踐應用中都有一定的局限性和可操作性。在具體的工程實踐中,需要根據(jù)實際情況綜合考慮各種因素,例如水文地理條件、航道規(guī)劃、成本效益等,靈活選擇合適的優(yōu)化方案。此外,在工程實踐中還應注意實施后對航道通行的影響進行監(jiān)測和評估,及時調(diào)整和優(yōu)化方案,確保航道的安全和暢通。通過采用三維數(shù)值模擬方法研究內(nèi)河航道排水口的水動力效應,得出以下結(jié)論:

1)排水口的水動力影響是局部的,主要體現(xiàn)在排水口附近,會形成直徑30～40m的旋渦。

2)在不同的水位和流量條件下,排水口對內(nèi)河航道的影響各有不同。但大部分情況下,排水口對航跡帶的橫向流速影響較小。

3)排水口會導致對岸局部河床產(chǎn)生沖刷。個別情況下橫向流速超過淤泥的啟動臨界流速。

4)根據(jù)規(guī)范計算,在最大橫向流速條件下,駁船所受的水流力為7.02kN。提出了防護河床、觀測旋渦、控制橫向流速等具體的工程建議。

對箱涵出水口對通航影響進行評估時,需要考慮各種因素,例如航道寬度、深度、水流速度、導航標志等。在設計箱涵出水口時,需要充分考慮這些因素,確保船只在航行過程中能夠安全通過出水口,避免擱淺、碰撞等事故的發(fā)生。此外,還需要考慮到箱涵出水口對航行的影響,例如水流的變化、水深的變化等,及時進行標志和疏導,確保船只能夠安全通過出水口。

在針對箱涵出水口通航影響的措施方面,需要考慮到以下4個方面:

1)航道設計:在設計航道時,需要考慮到出水口的位置、方向等因素,確保船只可以安全通過出水口,并且避免出現(xiàn)水深不足的情況。

2)疏導標志:在出水口附近設置疏導標志,引導船只安全通過出水口,并且提醒船只注意水流的變化。

3)監(jiān)測和預警:在出水口附近設置監(jiān)測設備,及時監(jiān)測水流、水位、水深等數(shù)據(jù),對可能影響航行的情況進行預警。

4)維護保養(yǎng):定期對出水口進行維護保養(yǎng),確保其正常運行,并及時清理水草、浮垃圾等對航行的影響。

箱涵作為水上交通建設領域的重要設施,其出水口的設計和施工都對航道的通航安全和效率產(chǎn)生重大影響。在實踐中,優(yōu)化箱涵出水口的設計可以大大提高航道的實用性和通航安全性。在工程實踐中,需要根據(jù)實際情況綜合考慮各種因素,靈活選擇合適的優(yōu)化方案,并對其實施后進行監(jiān)測和評估,及時進行調(diào)整和優(yōu)化。只有這樣,才能確保箱涵出水口對通航的影響能夠最大程度地減小,航道的安全和暢通得到有效保障。