孟佳佳，陶 娟，趙立梅

（1.江蘇省淮安市水利規(guī)劃辦公室，江蘇淮安223005；2.江蘇省淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇淮安223005；3.江蘇省水利廳，江蘇南京210024）

淮安市古黃河水利樞紐工程水流條件計(jì)算

孟佳佳1，陶 娟2，趙立梅3

（1.江蘇省淮安市水利規(guī)劃辦公室，江蘇淮安223005；2.江蘇省淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇淮安223005；3.江蘇省水利廳，江蘇南京210024）

本文從古黃河水利樞紐工程初設(shè)方案出發(fā)，采用2維水流數(shù)學(xué)模型，通過(guò)100、200、500m3/s等水流條件，研究了工程建成前后樞紐上下游河段水流運(yùn)動(dòng)特性，為初設(shè)方案的最終確定和樞紐的運(yùn)行管理提供了重要依據(jù)。研究表明：當(dāng)節(jié)制閘開啟相同數(shù)量的閘門時(shí)，對(duì)稱開啟要優(yōu)于非對(duì)稱開啟，其閘門上下游流速相對(duì)較小，流態(tài)較為均勻，其中閘門全部開啟時(shí)流速最小。

數(shù)學(xué)模型；水流條件；初設(shè)方案；樞紐工程

1 概述

淮安市古黃河水利樞紐工程位于漣水縣城下游約3km的古黃河上（樁號(hào)42+150），工程的主要功能是適當(dāng)抬高古黃河（楊莊閘至漣水縣城段）河道水位，并利用河川庫(kù)容提高城市供水保證率。由于古黃河河床為粉質(zhì)沙土，易受洪水沖刷，水土流失嚴(yán)重，局部河段河槽彎度加大，水流紊亂，深泓逼岸，存在險(xiǎn)工患段，因此在古黃河上修建水利設(shè)施必須首先考慮水流運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。為此，我們采用2維水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)初設(shè)方案工程附近河段水流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算研究。

工程內(nèi)容包括興建節(jié)制閘、水電站及公路橋3結(jié)合的樞紐工程。初設(shè)方案樞紐平面布置如圖1所示。

（1）節(jié)制閘。節(jié)制閘與水電站一字布置，均位于古黃河河槽內(nèi)，節(jié)制閘位于河道深泓（南側(cè)），水電站位于河道凹彎段（北側(cè)）。節(jié)制閘及水電站上游側(cè)設(shè)有公路橋，橋面總寬26m，橋面高程14.32～13.78m，荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。

節(jié)制閘閘室總凈寬40m，共5孔，單孔凈寬8m，左岸為2孔一聯(lián)，右岸3孔一聯(lián)，每聯(lián)呈“山”字形結(jié)構(gòu)，共2聯(lián)。閘室垂直水流向分別為19.2和28.4m，總長(zhǎng)47.6m，順?biāo)蚍譃?段，長(zhǎng)度分別為11.98m（公路橋）和21.0m（節(jié)制閘），底板面高程3.5m，底板厚1.3m。

（2）水電站。水電站為河床式水電站，廠房共6孔、2塊底板，3孔一聯(lián)共用1塊底板，單塊底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)28m，垂直水流方向?qū)?8.8m。

（3）上下游銜接。上、下游引河底高程4m，上游河底寬100m，下游河底寬106m，高程9m處設(shè)5m寬青坎，堤頂高程為13.50m，青坎以下河坡為1∶4，以上河坡為1∶2.5，護(hù)底及青坎以下護(hù)坡為C20灌砌塊石結(jié)構(gòu)，厚35cm，青坎及青坎至堤頂采用生態(tài)護(hù)坡。水電站和節(jié)制閘之間設(shè)有空箱導(dǎo)流墻，上游導(dǎo)流墻長(zhǎng)度為52.8m，下游導(dǎo)流墻長(zhǎng)度為57.2m。

2 2維水流數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程組

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

圖1 初設(shè)方案樞紐平面布置

式中：u、v—ξ、η方向流速分量，m/s；Z—水位，m；H—水深，m；C—謝才系數(shù)；σξξ、σηη、σξη、σηξ—紊動(dòng)切應(yīng)力，可表示為：

式中：vt—紊動(dòng)黏性系數(shù)，k—紊動(dòng)動(dòng)能，ε—紊動(dòng)動(dòng)能耗散率，可應(yīng)用k-ε紊流模型計(jì)算確定；一般情況下，vt=Ku*H（K=0.5～ 1.0；u*—摩阻流速，m/s；），或者取vt為某一常數(shù)。

2.2 基本方程的離散與求解

為數(shù)值求解平面2維水深平均水流運(yùn)動(dòng)方程組（1）、（2）和（3），需將此方程組離散。筆者采用具有良好積分守恒性的控制體積法離散方程，并利用SIMPLER計(jì)算程式求解耦合方程，對(duì)于某一給定流量級(jí)，根據(jù)Partaker和Spalding提出的SIMPLER程式，反復(fù)迭代直到流場(chǎng)結(jié)果滿足精度。

2.3 計(jì)算域選取及計(jì)算網(wǎng)格生成

針對(duì)河道蜿蜒曲折的特點(diǎn)，本研究選用正交貼體曲線坐標(biāo)擬合邊界，以便較好地模擬河道邊界，同時(shí)使廢網(wǎng)格大大減少。根據(jù)研究?jī)?nèi)容，為了較好地模擬水流運(yùn)動(dòng)，本數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍以樞紐為起點(diǎn)，向上游延伸6km，向下游延伸5km（如圖2所示），上自尹莊村，下至七堡，模擬河段全長(zhǎng)約11km。

2.4 計(jì)算工況

河道入流量為100、200m3/s，水電站及節(jié)制閘聯(lián)合運(yùn)行，其中水電站泄流量為60m3/s，上游側(cè)特征水位為7.50m；河道入流量為500m3/s，水電站上游側(cè)特征水位為9.3m時(shí)樞紐上游河道流場(chǎng)。河道入流量為100、200、500m3/s時(shí)樞紐下游河道流場(chǎng)。

圖2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

3 初設(shè)方案水流流場(chǎng)計(jì)算

3.1 上游流量為100m3/s時(shí)上下游流場(chǎng)

河道入流量為100m3/s，樞紐水位控制在7.5m，水電站全部開啟下泄60m3/s流量，節(jié)制閘分別采取1#閘室開啟下泄40m3/s流量；3#閘室開啟下泄40m3/s流量；節(jié)制閘1#、2#、3#、4#、5#閘門全部開啟各自下泄8m3/s流量3種運(yùn)行方式的研究成果如下。節(jié)制閘門全開時(shí)樞紐下游流場(chǎng)如圖3所示。

3.1.1 特征水位7.5m時(shí)上游流場(chǎng)

（1）3種運(yùn)行方式下，上游河道流態(tài)及流速基本不變。其中，尹莊村至六堡河道最大流速約為0.40～0.50m/s，六堡至夾板莊河彎段河道斷面最大流速約為0.50～0.65m/s。

（2）3種開啟方式下，水電站前沿流速及流態(tài)基本一致，而節(jié)制閘前流態(tài)隨開啟方式不同而有所差異。水電站前沿進(jìn)流平順，電站進(jìn)流流速為0.38～0.49m/s，分水隔墩上游水流偏向水電站一側(cè)。當(dāng)開啟1#閘門時(shí)，節(jié)制閘上游水流向1#閘門匯集，閘門進(jìn)口處最大流速1.38m/s；當(dāng)開啟3#閘門時(shí)，節(jié)制閘上游水流向3#閘門附近匯集，閘門進(jìn)口處最大流速1.11m/s；節(jié)制閘閘門全部打開時(shí)，閘門進(jìn)口處最大流速0.26m/s，節(jié)制閘上游護(hù)底附近水流均勻流向5個(gè)閘門。

3.1.2 樞紐下游流場(chǎng)

（1）電站出口處水流平順，護(hù)坦位置處流速約0.34～0.49m/s，中隔墩位置以下電站出流的流向偏向節(jié)制閘側(cè)。

（2）當(dāng)節(jié)制閘開啟1#閘門時(shí)，消力池內(nèi)最大流速為1.29m/s，節(jié)制閘下游右側(cè)出現(xiàn)一長(zhǎng)軸長(zhǎng)約90m、短軸長(zhǎng)約60m的橢圓形順時(shí)針回流，回流流速為0.04～0.42m/s。

（3）當(dāng)節(jié)制閘開啟3#閘門時(shí)，消力池附近最大流速為1.14m/s，節(jié)制閘下游右側(cè)出現(xiàn)一長(zhǎng)軸長(zhǎng)約75m、短軸長(zhǎng)約45m的橢圓形順時(shí)針回流，回流流速為0.03～0.35m/s。

（4）當(dāng)節(jié)制閘閘門全部打開時(shí)，節(jié)制閘下游回流消失，消力池內(nèi)最大流速0.23m/s，樞紐出口處斷面最大流速0.51m/s。

（5）樞紐下游韓后堆至東河堆處水流已基本混合均勻，斷面最大流速為0.55m/s，東河堆下游附近河道略有縮窄，斷面最大流速增大至0.70m/s左右，西小堆至出口七堡一線河道最大斷面流速穩(wěn)定在0.45～0.60m/s左右。

3.2 上游流量為200m3/s時(shí)上下游流場(chǎng)

河道入流量為200m3/s，樞紐水位控制在7.5m，水電站全部開啟下泄60m3/s流量，節(jié)制閘分別采取1#閘室全部開啟下泄100m3/s、2#閘室開啟下泄40m3/s；1#、5#閘室對(duì)稱開啟各自下泄70m3/s；2#、4#閘室對(duì)稱開啟各自下泄70m3/s；節(jié)制閘1#、2#、3#、4#、5#閘門全部開啟各自下泄28m3/s流量共4種運(yùn)行方式的研究成果如下。節(jié)制閘門全開時(shí)樞紐下游流場(chǎng)如圖4所示。

3.2.1 特征水位7.5m時(shí)上游流場(chǎng)

（1）4種運(yùn)行方式下，上游河道流態(tài)及流速基本不變。其中，尹莊村至六堡河道最大流速為0.63～0.89m/s，六堡至夾板莊河彎段河道最大流速為0.92～1.33m/s。

圖3 樞紐下游流場(chǎng)圖（100m3/s節(jié)制閘門全開時(shí)）

圖4 樞紐下游流場(chǎng)圖（200m3/s節(jié)制閘門全開時(shí)）

（2）水電站節(jié)制閘聯(lián)合運(yùn)行，樞紐兩側(cè)同時(shí)過(guò)流，其中水電站泄流量為60m3/s，節(jié)制閘泄流量為140m3/s。全開1#閘門、部分開啟2#閘門時(shí)，水電站閘室進(jìn)流流速為0.20～0.57m/s，節(jié)制閘泄流量較大，流速較水電站一側(cè)大，最大流速3.68 m/s，節(jié)制閘上游護(hù)底附近水流向1#、2#閘門附近為0.34～0.50m/s，節(jié)制閘上游護(hù)底附近水流向兩側(cè)1#、5#閘門附近分流，最大流速2.55m/s；對(duì)稱開啟2#、4#閘門時(shí)，水電站閘室進(jìn)流流速為0.34～0.50m/s，節(jié)制閘上游護(hù)底附近水流向2#、4#閘門附近對(duì)稱分流，最大流速1.97m/s；節(jié)制閘閘門全部打開時(shí)，水電站閘室進(jìn)流流速為0.34～0.50m/ s，節(jié)制閘上游護(hù)底附近水流均勻流向5個(gè)閘門，最大流速0.95m/s。

3.2.2 樞紐下游流場(chǎng)

（1）水電站出口處水流平順，其中護(hù)坦附近流速約0.26～0.35m/s，中隔墩位置以下電站出流的流向偏向節(jié)制閘側(cè)。

（2）節(jié)制閘全開1#閘門、部分開啟2#閘門時(shí)，消力池附近最大流速2.37m/s，節(jié)制閘下游右側(cè)出現(xiàn)一長(zhǎng)軸長(zhǎng)約80m、短軸長(zhǎng)約50m的橢圓形順時(shí)針回流，回流流速0.07～0.70m/s，樞紐出口處斷面最大流速達(dá)到0.98m/s。

（3）節(jié)制閘對(duì)稱開啟1#、5#閘門時(shí)，消力池附近最大流速1.69m/s，節(jié)制閘下游右側(cè)出現(xiàn)一長(zhǎng)軸長(zhǎng)約60m、短軸長(zhǎng)約30m的橢圓形順時(shí)針回流，回流流速0.07～0.50m/s，樞紐出口處斷面最大流速0.74m/s。

（4）節(jié)制閘對(duì)稱開啟2#、4#閘門時(shí)，消力池附近最大流速1.36m/s，節(jié)制閘下游右側(cè)出現(xiàn)一長(zhǎng)軸長(zhǎng)約50m、短軸長(zhǎng)約33m的橢圓形順時(shí)針回流，回流流速0.12～0.48m/s，樞紐出口處斷面最大流速0.63m/s。

（5）當(dāng)節(jié)制閘閘門全部打開時(shí)，下游回流消失，消力池內(nèi)最大流速0.58m/s，樞紐出口處斷面最大流速0.51m/s。

（6）樞紐下游韓后堆至東河堆一帶水流已基本混合均勻，斷面最大流速約0.58～0.66m/s，其中東河堆下游附近河道略有縮窄，斷面最大流速增大至0.77m/s左右，西小堆至出口七堡一線河道最大斷面流速穩(wěn)定在0.50～0.68m/s左右。

3.3 上游流量為500m3/s時(shí)上下游流場(chǎng)

流量入流量500m3/s，樞紐上游特征水位9.3m，水電站停止運(yùn)行，節(jié)制閘1#、2#、3#、4#、5#閘門全部開啟各自下泄100m3/s流量時(shí)的研究成果如下。節(jié)制閘門全開時(shí)樞紐下游流場(chǎng)如圖5所示。

圖5 樞紐下游流場(chǎng)圖（500m3/s節(jié)制閘門全開時(shí)）

3.3.1 特征水位9.3m時(shí)上游流場(chǎng)

（1）樞紐上游水流流態(tài)平穩(wěn)，其中尹莊村至六堡河道斷面最大流速約為0.95～1.19m/s，六堡至夾板莊河彎段河道斷面最大流速約為1.11～1.79m/s，樞紐入口處斷面最大流速1.11m/s。

（2）由于水電站停止運(yùn)行，水流全部通過(guò)節(jié)制閘下泄，中隔墩上游水流流向偏向節(jié)制閘一側(cè)，水電站上游護(hù)底附近出現(xiàn)一長(zhǎng)軸長(zhǎng)約46m，短軸長(zhǎng)約28m的逆時(shí)針回流，回流流速0.07～0.32m/s。節(jié)制閘5孔閘門全部開啟，閘前流態(tài)較為平順，最大流速為2.51m/s。

3.3.2 樞紐下游流場(chǎng)

（1）節(jié)制閘5孔閘門全部開啟，水電站下游出現(xiàn)一長(zhǎng)軸長(zhǎng)145m、短軸長(zhǎng)53m的橢圓形逆時(shí)針回流，回流流速0.05～0.55m/s。消力池附近最大流速1.81m/s，樞紐出口處斷面最大流速達(dá)到1.09m/s。

（2）樞紐下游韓后堆至東河堆一帶水流已基本混合均勻，斷面最大流速約0.98～1.06m/s，東河堆下游附近河道略有縮窄，斷面最大流速增大至1.31m/s左右，西小堆至出口七堡一線河道最大斷面流速穩(wěn)定在0.75～1.11m/s左右。

4 結(jié)論

本研究采用2維水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)淮安市古黃河水利樞紐工程建成前后樞紐上下游河道水流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論。①流量為100m3/s，上游特征水位為7.5m時(shí)，水電站過(guò)流較為平順，節(jié)制閘一側(cè)水流向開啟閘門附近匯集。下游護(hù)底附近流速約0.20～1.20m/s，節(jié)制閘下游右側(cè)出現(xiàn)回流。②流量為200m3/s，上游特征水位為7.5m時(shí)，水電站過(guò)流較為平順，節(jié)制閘一側(cè)水流向開啟閘門附近匯集。下游護(hù)底附近流速約0.20～2.00m/s，節(jié)制閘下游右側(cè)出現(xiàn)回流。③流量為500m3/s，上游特征水位為9.3m時(shí)，樞紐上游護(hù)底附近流速約0.37～1.99m/s，水電站上游護(hù)底附近出現(xiàn)回流。④節(jié)制閘開啟相同數(shù)量的閘門時(shí)，對(duì)稱開啟要優(yōu)于非對(duì)稱開啟，其閘門上下游流速相對(duì)較小，流態(tài)較為均勻，其中閘門全部開啟時(shí)流速最小。

［1］吳昌新，王道虎，吳兵，等.淮安市古黃河水利樞紐工程總體布局研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2012（04）.

［2］PatankarS.V.NumericalHeatTransferandFluidFlow［M］.Mcgram-Hill，1980.

［3］李國(guó)斌，馬進(jìn)榮.三峽樞紐壩下通航水流條件平面二維數(shù)學(xué)模型研究［J］.水利水電技術(shù)，1996（04）.

［4］張為，何俊，袁晶，等.二維水流數(shù)學(xué)模型在馬家咀航道整治工程防洪評(píng)價(jià)中的應(yīng)用.［J］.中國(guó)水運(yùn)，2010（12）.

［5］朱旭，楊斌，房春艷.重慶寸灘三期工程平面二維水流數(shù)值模擬.［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（08）.

［6］馮建中，泮鼎倫，毅力，等.西塞山電廠取水口河段河床演變分析.［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2007（05）.

［7］何善國(guó).金雞灘水利樞紐工程技術(shù)方案比選研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（09）.

［8］魏強(qiáng).塔里木河流域下坂地水利樞紐工程統(tǒng)一調(diào)度管理初探［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2012（05）.

［9］吳持恭.水力學(xué)（下冊(cè)）［M］.北京：高等教育出版社，1984.

TV131.3

文章編號(hào)：1672-2469（2015）12-0081-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.029

孟佳佳（1984年—），女，工程師。