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        地面沉降對西河閘流態(tài)的影響

        2015-03-23 03:02:46劉思清
        海河水利 2015年4期
        關(guān)鍵詞:西河流態(tài)閘室

        于 翚,劉思清

        (海河水利委員會科技咨詢中心,天津 300170)

        天津素有九河下梢之稱,密布海河流域排洪河道,主要有海河干流、獨流減河、西河、北運河、永定新河、潮白新河、薊運河等。從控導(dǎo)洪水、蓄淡防潮等不同興利除害角度出發(fā),這些河道的上下游先后建有多座控制性水閘,如海河閘、西河閘、獨流減河進(jìn)洪閘、工農(nóng)兵擋潮閘、屈家店閘等。多年來,這些水閘在泄洪、擋水、擋潮、蓄水方面都發(fā)揮了重要作用。然而,由于近三四十年的北方干旱,天津濱海區(qū)嚴(yán)重超采地下水,造成這一區(qū)域的地面劇烈沉降。據(jù)統(tǒng)計,2002—2010年,天津南部地區(qū)的河流上游區(qū)地面累計沉降量約為0.4 m、河流下游區(qū)累計沉降量約為0.3 m,北部地區(qū)的河流上游區(qū)地面累計沉降量約為0.2 m、河流下游區(qū)累計沉降量約為0.1 m。以上不同區(qū)域相對標(biāo)準(zhǔn)海平面的不均勻沉降,使泄洪河道形成倒坡,一方面,在河道擋水工況下,相同的設(shè)計水位使水閘上游擋水水深加大,閘體擋水所承受的水壓荷載增加,對閘體穩(wěn)定安全十分不利;另一方面,在水閘泄洪工況下,因地面沉降形成的閘前水深加大將使閘下水流的流態(tài)發(fā)生變化、流速分布發(fā)生改變、水躍位置也發(fā)生變化,從而易于發(fā)生局部沖刷甚至形成水毀現(xiàn)象。筆者以西河閘為代表,研究地面沉降對該閘不同工況產(chǎn)生的流態(tài)影響,以為水閘安全運行提供參考。

        1 典型水閘概況

        西河閘[1-2]位于天津市西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)北,上距大清河、子牙河匯流點15 km,下距北運河與子牙河的匯流點16.5 km,以防洪為主,兼有蓄水、航運、灌溉等功能,是大清河系洪水進(jìn)入海河干流的最后一道屏障,是天津市防洪的西大門。該閘建于1958年,于2003年以原有閘底板為基礎(chǔ),開展了閘體的除險加固。

        按防洪調(diào)度方案,大清河發(fā)生50年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水,通過西河閘向海河干流宣泄400 m3/s,閘上設(shè)計洪水位6.413 m;當(dāng)不與永定河洪水遭遇時,可以通過西河閘向海河干流宣泄800 m3/s;遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水等特殊情況,西河閘可泄1 000 m3/s,其中海河干流承泄800 m3/s、新開河承泄200 m3/s。

        根據(jù)西河閘周邊地區(qū)水準(zhǔn)點的復(fù)核測量,1965—2010年,該地區(qū)累計沉降量達(dá)1.811 m,其中2002年以前沉降1.451 m、以后時段沉降0.36 m。

        2 計算方法及基本控制方程

        2.1 計算方法

        本次采用VOF(The Vo1ume of F1uid)法,研究地面沉降對西河閘流態(tài)影響。VOF 法是利用流體體積函數(shù)求解不可壓縮、黏性、瞬變和具有自由面流動的一種數(shù)值方法[3-4],適用于2 種或多種互不穿透流體間界面的跟蹤計算。

        2.2 基本控制方程

        連續(xù)性方程為:

        動量方程為:

        K方程為:

        ε方程為:

        式中:Ui為i 方向的速度分量(m/s);x 為方向;t 為時間(s);P 為 壓 強(qiáng)(Pa);ρ為 流 體 密 度(kg/m3);,δij是Kronecker 符號;Fi為作用于單位質(zhì)量水體的體積力(N/m3)是單位質(zhì)量紊流動能(J);G為剪切產(chǎn)生項,表達(dá)式;Uj為j方向的速度分量(m/s);ε為紊流動能耗散率;v為運動黏性系數(shù);vt為紊流運動黏性系數(shù),它由紊流動能k及紊流動能耗散率ε確定;Cμ、C1ε、C2ε、σk和σε是模型通用常數(shù),分別取0.09、1.44、1.92、1.0和1.3。

        k-?方程是在數(shù)值計算過程中所設(shè)置的一種二方程湍流模型。

        3 數(shù)值模擬

        3.1 計算工況

        按照大清河洪水調(diào)度方案,基本設(shè)定了以下3種工況:

        (1)設(shè)計洪水位情況下,控泄流量400 m3/s,閘上水位6.413 m,閘下水位3.473 m,6 孔開啟。此時的閘門開度應(yīng)為e=1.35 m。

        (2)最高洪水位情況下,控泄流量800 m3/s,閘上水位6.913 m,閘下水位4.413 m,6 孔開啟。此時的閘門開度應(yīng)為e=2.6 m。

        (3)最大泄量情況下,控泄流量1 000 m3/s,閘上水位6.413 m,閘下水位4.833 m,6 孔開啟。此時的閘門開度應(yīng)為e=3.8 m。

        筆者從以上3 種工況中選擇控泄流量400 m3/s和控泄流量1 000 m3/s 進(jìn)行閘體沉降前后閘下水流流態(tài)的分析比較。

        3.2 計算區(qū)域

        計算區(qū)域包括閘室上游段、閘室段和閘室下游段。其中,閘室上游段包括長25.0 m 的鋪蓋、長10 m 干砌石護(hù)底、長8.0 m 防沖槽和長17 m 的上游河道;閘室段包括6孔閘門;閘室下游段包括長20 m的消力池、長19 m 鉛絲籠塊石海漫、長21 m 干砌石海漫、長10 m拋石防沖槽和長40 m的下游河道。西河閘計算區(qū)域,如圖1所示。

        圖1 西河閘計算區(qū)域

        3.3 邊界條件和網(wǎng)格劃分

        以距閘室上游60 m的防沖槽為入流邊界,給定上游水位6.413 m;以距閘室下游110 m的下游拋石防沖槽為出流邊界,分別給定流量為400、1 000 m3/s;固壁邊界采用無滑移條件;液面為自由表面。

        在網(wǎng)格劃分時,將閘室及其上下游段分為3 段進(jìn)行網(wǎng)格劃分。閘室上游約10 m 至閘室下游約30 m 處網(wǎng)格劃分得比較密集,網(wǎng)格均取0.5 m;遠(yuǎn)離閘室的上下游流態(tài)比較穩(wěn)定的區(qū)域(包括閘室上游10~100 m 區(qū)域、閘室下游30~150 m 區(qū)域)網(wǎng)格劃分得比較稀疏,網(wǎng)格均取1.2 m。在模型中,上游閘底板高程為11.6 m,下游閘底板高程為10.1 m,網(wǎng)格總數(shù)約為42.5萬。

        4 模擬計算

        4.1 順?biāo)鞣较虻牟煌盍鲬B(tài)變化

        目前的西河閘與水閘初建時比較,隨著當(dāng)?shù)氐孛娴南鲁?,閘室沉降了1.811 m,也就是說,在其上游東淀滯洪區(qū)滯蓄水位相同的情況下,閘前水深增加了1.811 m。如,沉降前,閘底板高程上游-3.047 m、下游-4.547 m;沉降后,閘底板高程變?yōu)樯嫌?4.858 m、下游-6.358 m。在東淀遇50年一遇洪水、第六埠水位為6.44 m 時,西河閘閘上水位為6.413 m,閘前水深由原來的9.460 m 增加到11.271 m。除了使閘體受水壓荷載發(fā)生大的變化以外,下泄水流的流態(tài)也會受到一定的影響。以大清河洪水調(diào)度方案擬定的西河閘承泄洪水功能(400 m3/s,特殊情況1 000 m3/s)為例,利用模型進(jìn)行水流模擬計算,對同一泄量將順?biāo)鞣较虿煌畈课坏牧魉倮L制為沉降前和沉降后2個流場圖(如圖2-3所示),其中(a)圖為沉降前流場、(b)圖為沉降后的流場。

        圖2 控泄400 m3/s沉降前后閘孔流場

        圖3 控泄1 000 m3/s沉降前后閘孔流場

        從圖2 可以看出,閘下接近水面的低流速區(qū)發(fā)生了大的變化,閘體沉降后(b圖)比沉降前(a圖)低流速區(qū)域明顯加大,而且向下游有所延伸。這樣的結(jié)果說明2 個問題,一是沉降后使閘下消力池內(nèi)的水流旋滾不夠充分,消能效果變差;二是中下層水流躍出了消力池,可能會引起下游河道的沖刷。圖3是水閘下泄1 000 m3/s的情況,以上流場變化問題更為明顯,沉降前閘下消力池內(nèi)表層基本不存在或很少有低值流速區(qū),而閘體沉降后表層水流出現(xiàn)大面積低值區(qū),這樣造成了中下層水流的流速加大,水躍現(xiàn)象躍出了消力池,而由下游河道來承擔(dān)高速水流的沖擊。1 000 m3/s工況下,沉降后消力池內(nèi)表面水流旋滾不充分,造成上層水體回流最大流速由沉降前的0.95 m/s降至沉降后的0.85 m/s,底層最大流速由沉降前的5.92 m/s增加至沉降后的6.9 m/s。

        4.2 不同斷面的表層水流流態(tài)變化

        西河閘的結(jié)構(gòu)為橫向6孔,在6 孔全部開啟時,流速分布為邊孔流速低、中孔流速高。閘室沉降前后,流速分布都是這樣的規(guī)律。但是,閘室沉降后,各個局部的表層流速發(fā)生了一些變化。水閘控泄分為400、1 000 m3/s 2種工況,順?biāo)鞣较蚓嚅l門不同距離的各斷面表層流速比較如圖4-5所示。圖中實線代表沉降前流速值,虛線代表沉降后流速值。

        圖4 400 m3/s沉降前后沿橫斷面的表層流速分布比較

        圖5 1 000 m3/s沉降前后沿橫斷面的表層流速分布比較

        閘下游消力池段,沉降后因水深增加水躍旋滾變?nèi)?,消力池?nèi)上層水體沉降后的回流流速小于沉降前的回流流速。400 m3/s工況下,消力池中部4斷面沉降前后表層回流平均流速由1.39 m/s 降至0.97 m/s。1 000 m3/s工況下,消力池中部5斷面沉降前后表層回流流速由1.01 m/s降至0.94 m/s。

        而消力池末端消力坎處,上層水體沉降后的回流流速大于沉降前的回流流速。400 m3/s 工況下,消力池末端消力坎前的5斷面沉降前后平均表層回流流速由0.85 m/s增至0.97 m/s。1 000 m3/s工況下,消力池末端消力坎前的6斷面沉降前后平均表層回流流速由0.62 m/s增至0.95 m/s。

        以上情況說明水閘沉降后,高速水流向下游有所移動,消能作用有所消弱。

        5 結(jié)論

        西河閘在地面沉降后順?biāo)鞣较虻牟煌盍鲬B(tài)產(chǎn)生變化。閘下消力池內(nèi)的水流旋滾不夠充分,消能效果變差,中下層水流躍出了消力池,將會引起下游河道的沖刷。隨著下泄流量增加,流場變化更加明顯,隨著中下層水流的流速加大,水躍現(xiàn)象躍出了消力池,下游河道承擔(dān)了高速水流的沖擊。

        [1]水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院.西河閘除險加固工程初步設(shè)計報告002XC-A[R].天津:水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院,2001.

        [2]海河下游管理局西河閘管理處.西河閘工程現(xiàn)狀分析報告[R].天津:海河下游管理局西河閘管理處,2005.

        [3]馬福喜,王金瑞. 三維水流數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報,1998,(1):39-44.

        [4]許唯臨,廖華勝,楊永全,等.溪洛渡水墊塘流場的數(shù)值計算[J].四川聯(lián)合大學(xué)學(xué)報,1998,2(5):34-38.

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