陳 輝，劉志雄，江耀祖

(長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

引航道通航水流條件是船閘布置設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題，一般引航道出口距樞紐較近，樞紐下泄主流至引航道出口處擴(kuò)散形成與引航道航道中心線成一定夾角的斜流，特別當(dāng)引航道航道中心線與河流主流存在較大夾角時，這種斜流效應(yīng)加重，威脅著船舶(隊)安全進(jìn)出引航道，從而造成礙航甚至斷航.本文研究對象為某航電樞紐下引航道，該引航道與下游河道存在近40°的夾角，這一區(qū)域水流條件的好壞直接影響到船舶能否順利進(jìn)閘.另外，該樞紐下游河勢為近90°的彎道，其彎道水流特性對下游引航道通航水流條件的影響也是工程關(guān)心的問題之一.擬通過數(shù)值模擬的手段研究不同流量下引航道口門區(qū)及其連接段的水位、流速分布，確定其最高通航流量.

1 工程概況

本文研究的航電樞紐工程為河床式布置，主要由擋水建筑物、泄洪建筑物、電站廠房和通航建筑物等組成.電站建筑物布置在河床靠左側(cè)，泄洪建筑物布置在河床中部，船閘布置在右岸.船閘按照Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，船閘緊鄰泄洪壩段的右側(cè)，布置于河道的右岸，下游引航道直線段長185m，往下游依次以長213.1 m，圓心角74°的圓弧段，250m的直線段與下游天然航道銜接.引航道底高程為147.00m，底寬大于38 m，口門寬度為60m.樞紐及下游引航道布置見圖1.

圖1 樞紐及下游引航道布置Fig.1 Layout of the project with downstream approach channel

下游引航道口門區(qū)為出口以下150m范圍，出口下150～270m為引航道與下游河道連接段.口門區(qū)通航水流條件限值有:①平行航線的縱向流速不大于2.0m/s;②垂直航線的橫向流速不大于0.3m/s;③回流流速不大于0.4 m/s.

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程及邊界條件

2.1.1 曲線坐標(biāo)系下基本方程 為較好擬合不規(guī)則河道及船閘引航道邊界，模型采用正交曲線網(wǎng)格對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分.正交曲線坐標(biāo)系下基本方程如下:

2.1.2 流場定解條件 流場定解條件包括邊界條件和初始條件.邊界條件有開邊界和閉邊界條件.開邊界即進(jìn)、出口水邊界，在非恒定流計算中模型進(jìn)、出口邊界一般給定水位，在恒定流計算中按進(jìn)口給定流量、出口給定水位.閉邊界即陸域邊界，模型中令其法向流速分量為0.初始條件包括初始水位和初始流速條件，初始水位直接采用出口邊界水位給出，初始流速為零.初始條件的偏差在迭代計算中會很快消失，不會影響最終計算結(jié)果精度.

2.2 數(shù)值求解方法

根據(jù)推導(dǎo)，曲線坐標(biāo)系下模型基本方程可表示成如下一般形式:該方程的數(shù)值離散采用有限體積法，該方法的優(yōu)點在于能很好保證水流模型中水量和動量守恒.方程離散采用了自動迎風(fēng)格式，離散方程的求解采用SIMPLE算法.為避免水位鋸齒波，采用了交錯網(wǎng)格技術(shù).

2.3 數(shù)學(xué)模型相關(guān)問題處理

2.3.1 計算河段網(wǎng)格布置 計算區(qū)域為樞紐下游200m至引航道出口下500m長約1km的河段.二維計算網(wǎng)格采用正交曲線網(wǎng)格形式，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為300×133個，沿水流方向網(wǎng)格間距3～4 m，垂直水流方向網(wǎng)格間距1～2m，引航道口門區(qū)計算區(qū)域的網(wǎng)格布置見圖2(圖中為使網(wǎng)格清晰，對縱向和橫向網(wǎng)格分別以5和4的間距進(jìn)行了變稀顯示處理).

2.3.2 動邊界模擬 在計算過程中，計算域內(nèi)部分節(jié)點在漲水時會被“淹沒”，在落水時會“干出”.為正確反映這部分節(jié)點的干濕變化，模型中采用了以下動邊界模擬技術(shù):選定一臨界水深(hmin取0.001 m)，當(dāng)某時刻某節(jié)點實際水深(水位減去河底高程)小于臨界水深時，認(rèn)為該節(jié)點“干出”，令該點流速為0，水深為臨界水深，水位值由附近非“干出”點水位值外插值得到;當(dāng)某時刻某節(jié)點實際水深大于臨界水深時，則恢復(fù)程序計算.

2.3.3 參數(shù)取值 二維水流數(shù)模計算涉及的主要參系數(shù)有河道糙率、紊動黏性系數(shù)等.河道糙率實際上是一個綜合阻力系數(shù)，反映了計算河段的河床河岸阻力、河道形態(tài)變化、水流阻力及河道地形概化等因素的綜合影響.計算所需的糙率采用分區(qū)域給定，根據(jù)實測水文資料河床糙率確定為0.030，而引航道內(nèi)開挖邊界的糙率確定為0.014.紊動黏性系數(shù)采用υt=αu*h公式計算，α為常數(shù)，取為0.5;u*為摩阻流速.

圖2 引航道口門區(qū)計算區(qū)域的網(wǎng)格布置Fig.2 Grid layout of the approach channel entrance

3 計算成果及分析

3.1 數(shù)值模擬計算結(jié)果

對3種通航流量Q=2530，4000，6000m3/s下的下游引航道通航水流條件進(jìn)行了數(shù)值模擬.

3.1.1 水面比降 表1為各級流量下口門區(qū)的水面比降值，圖3(a)，(b)和(c)分別為Q=6000，4000和2530m3/s條件下引航道水位等值線圖.由計算結(jié)果可知:各級流量下口門區(qū)水面平順，水面縱橫比降均較小，隨下泄流量的降低水面比降亦隨之減小.Q=6000m3/s條件下，最大水面縱比降為0.80‰，最大水面橫比降為－0.40‰，連接段水面存在一定的縱比降－1.80‰，橫比降相對較小.所以，各級流量下水面比降較小，滿足通航要求.

表1 各級流量下口門區(qū)水面比降Tab.1 Water surface slope at the entrance

3.1.2 流態(tài)及流速分布 下泄主流在下游彎道處略偏左岸下行，至下游引航道出口處，主流逐漸向右岸擴(kuò)散，在口門區(qū)及連接段形成與航道中心線存在一定夾角的斜流，斜流效應(yīng)明顯，斜流夾角為10°～45°，橫向流速較大，影響口門區(qū)通航水流條件.同時在口門右岸形成一個順時針方向的三角形回流區(qū)，回流強度較弱，引航道出口下150m斷面下游河道水流全斷面順流.引航道內(nèi)僅出口處為弱回流，其余為較弱的往復(fù)流.

當(dāng)下游水位受頂托上升至淹沒引航道左側(cè)邊坡頂時，口門區(qū)主流變寬，口門區(qū)回流向右岸縮窄，且回流進(jìn)入引航道內(nèi)，上溯至出口以上約100m.

圖3 不同流量下引航道水位某值線與流速矢量Fig.3 Water level isolines and velocity vector diagrams of the approach channel with different discharges

圖3(d)，(e)和(f)分別為Q=6000，4000和2530m3/s條件下引航道流速矢量圖.Q=2530m3/s和4000m3/s條件下，口門區(qū)V縱≤2m/s，縱向流速最大值為1.96m/s，口門區(qū)橫向流速V橫≤0.3m/s，橫向流速最大值為0.30m/s.口門區(qū)內(nèi)回流較弱，最大回流流速為0.36m/s，下游引航道內(nèi)通航水流條件滿足通航標(biāo)準(zhǔn).Q=6000m3/s條件下，口門區(qū)右航線(出口下100～150m)通航水流條件較差，下游引航道內(nèi)通航水流條件不滿足通航標(biāo)準(zhǔn)，口門區(qū)該處縱向流速最大值為2.66m/s，橫向流速最大值為0.55m/s，而口門區(qū)左航線位于回流區(qū)內(nèi)，縱向流速相對較小.由于流速矢量與航線夾角較大，橫向流速較大，該處縱向流速最大值為1.85m/s，橫向流速最大值為0.45m/s，回流流速最大值為0.41 m/s.綜上所述，下游引航道內(nèi)最大通航流量宜為4000m3/s，若要提高通航流量，可適當(dāng)減小航道中心線與河道主流的夾角.

3.2 數(shù)值計算結(jié)果與物模試驗結(jié)果對比分析

將數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗(模型幾何比尺為1∶100)相應(yīng)流量下口門區(qū)的相同測點流速進(jìn)行了對比分析(見表2).可見，各級流量下數(shù)、物模流速分布吻合較好，流速最大誤差為0.10m/s，該數(shù)學(xué)模型能較好地模擬引航道內(nèi)通航水流條件.

表2 數(shù)、物?？陂T區(qū)流速比較Tab.2 Velocity comparison of the numerical and physical models (m/s)

4 結(jié)語

采用數(shù)值模擬手段，研究了不同流量下引航道口門區(qū)及其連接段區(qū)域的水位、流速分布，得出以下結(jié)論:(1)當(dāng)引航道航道中心線與河流主流存在較大夾角時，引航道口門區(qū)的斜流效應(yīng)明顯，影響口門區(qū)通航水流條件;(2)Q=6000m3/s條件下，口門區(qū)右航線(出口下100～150m)通航水流條件較差，下游引航道內(nèi)水流條件不滿足通航標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Q≤4000m3/s時，下游引航道內(nèi)水流條件滿足通航要求;(3)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果吻合較好，流速最大誤差值為0.10m/s，該數(shù)學(xué)模型能較好地模擬引航道內(nèi)通航水流條件.

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