徐軍偉，金海銀

(江陰市澄江水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 江陰 214400)

1 概 述

為確保過閘船舶航行安全，《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305-2001)對不同級別船閘口門區(qū)基于航線的縱橫向水面流速作出相應(yīng)的規(guī)定，詳見表1 ；引航道、口門區(qū)宜避免如泡漩、亂流等不良流態(tài)；Ⅰ～Ⅳ級船閘和水流泥沙條件復(fù)雜的Ⅴ～Ⅶ級船閘布置，宜通過泥沙、水流物理模型或數(shù)值模擬研究確定[1]。物模實驗?zāi)芊从乘髁鲃右?guī)律，可信度高，但是周期長、費用高；CFD數(shù)值模擬技術(shù)能全面反映水流流場要素，且計算精度隨著CFD數(shù)值模擬技術(shù)多年發(fā)展大幅提高，已被很多物模實驗所證明[2-3]。關(guān)于船閘引航道及口門區(qū)的水力計算，有關(guān)學(xué)者在恒定流、非恒定流基礎(chǔ)上分析了引航道及口門區(qū)復(fù)雜水流形成、發(fā)展、傳播過程機(jī)理，提出了有效措施改善通航水流，并通過物模實驗驗證船閘布置的可行性[4-5]。對于與引航道、口門區(qū)及引河主流成一定角度的航線，船舶行駛過程中口門區(qū)域水流流動復(fù)雜，給船舶航行安全帶來很大影響，須通過CFD數(shù)值模擬水力優(yōu)化獲得最佳航線方案。

表1 口門區(qū)水面最大流速限制

2 工程概況

奔牛水利樞紐工程位于新孟河與京杭運河交匯處，該樞紐工程由穿京杭運河立交地涵、船閘、節(jié)制閘和孟九橋4部分組成(圖1),其中船閘級別為Ⅵ級，設(shè)計過閘船型為100 t貨船，高水位通航時兼顧300 t貨船過閘，代表設(shè)計船型見表2[6-7]。該樞紐工程水工況引水流量565 m3/s，水位4.41 m，來流流量大，水位低，表流流速大。且立交地涵北側(cè)引河與節(jié)制閘下游引河區(qū)域水流交匯，導(dǎo)致船閘引航道附近及其口門區(qū)水流流態(tài)、流速分布變化較為復(fù)雜，又因船舶過閘航線與新孟河主流中心線成22°交角(圖2)，對船舶?？炕蚝叫袔磔^大的安全隱患，不利于船舶進(jìn)出閘。在上述復(fù)雜水流條件下，該樞紐工程初設(shè)階段急需物模實驗或CFD數(shù)值模擬計算優(yōu)化整個工程布局。

圖1 奔牛水利樞紐鳥瞰圖

圖2 奔牛水利樞紐計算區(qū)域

表2 代表設(shè)計船型

3 模型概化誤差與計算分析難點

3.1 數(shù)學(xué)模型概化誤差

奔牛水利樞紐船閘、節(jié)制閘口門區(qū)與新孟河側(cè)引河道底高程存在2.3 m高度落差，且該水流交匯區(qū)域流動條件不佳，存在大尺度回流等不良流態(tài)，造成口門區(qū)域附近存在微小的水面波動，且立交地涵與新孟河側(cè)引河道放坡連接，整個流動區(qū)域非嚴(yán)格意義的平面流動。參照以往工程經(jīng)驗，結(jié)合本工程布置特點，取新孟河鐵路橋墩東側(cè)水平段河道為該數(shù)學(xué)模型速度進(jìn)口；取立交地涵進(jìn)口處為出口面，自由出流；假定水流表面為沒有波動的平面，即剛蓋假定。上述設(shè)置與假定給計算分析結(jié)果帶來一定的誤差，綜合本工程物模實驗與數(shù)值模擬結(jié)果之一船閘引航道流速分布對比(圖3、圖4)，其誤差可在工程接受范圍內(nèi)。

3.2 計算分析難點

該樞紐航線以圓弧段、直線段連接經(jīng)過鐵路橋墩穿越引河道進(jìn)入船閘引航道，而新孟河側(cè)節(jié)制閘、船閘與京杭運河正交布置。如何獲取平行、垂直航線的水流表流縱橫向速度分布，成為計算分析難點。通常解決方法是編程定義矢量或旋轉(zhuǎn)幾何模型，以某段直線段航線平行于X坐標(biāo)進(jìn)行迭代計算。本文采用第二種方法，以船舶航行穿越新孟河主河道航線為最不利航線。

圖3 船閘引航道數(shù)模成果

圖4 船閘引航道物模實驗成果

4 控制方程

控制方程采用三維雷諾時均N-S方程來描述該樞紐船閘口門區(qū)水流不可壓縮湍流流動，方程式如下:

連續(xù)性方程：

雷諾時均N-S方程：

5 方案分析

為保證過閘船舶的航行安全，不僅在初設(shè)階段對該樞紐水流流動條件詳細(xì)論證外，還要對初設(shè)批復(fù)后該工程布置狀況進(jìn)行航評計算，并進(jìn)行水力優(yōu)化，使船閘口門區(qū)及引航線區(qū)域通航條件滿足《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305-2001)要求。

該工程船閘口門區(qū)及引航線區(qū)域表流縱橫向流速分布水力優(yōu)化的原則基于以下兩點：第一不改變工程方案布置，只調(diào)整船閘最不利引航線與引河中心線交角大小；第二不再調(diào)整船閘最不利引航線與引河中心線交角，即交角一定時只調(diào)整引河河岸線布置。

5.1 初步設(shè)計方案

該樞紐初步設(shè)計方案在新孟河側(cè)隔水墻前端布置隔流墩，原先設(shè)想其作用是改善船閘引航道口門區(qū)局部區(qū)域流態(tài)，減小最不利流速分布區(qū)域。設(shè)置隔流墩后，船閘引航道橫向流速分布見圖4。導(dǎo)流墩附近區(qū)域橫向流速小于0.25 m/s分布區(qū)域已減小，達(dá)到了改善效果，但其改善效果是基于船舶航行已進(jìn)入船閘引航道。從新孟河引河道進(jìn)入船閘引航道口門區(qū)這段航線縱橫向流速分布，原先物模實驗單位未給出成果。綜合考慮，采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)詳細(xì)論證。

初設(shè)方案中，船閘口門區(qū)平行于最不利航線縱橫向流速分布見圖5?？v向流速小于1.5 m/s，橫向流速介于0.25～0.30 m/s之間且分布區(qū)域廣，不符合《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305-2001)5.3.2條規(guī)定，嚴(yán)重威脅船舶航行安全。該樞紐初步設(shè)計方案航線設(shè)置不符合相應(yīng)規(guī)范要求，須重新調(diào)整船閘引航線或樞紐工程引河河岸線。

圖5 初設(shè)方案船閘引航道口門區(qū)表流縱橫向流速分布云圖

5.2 調(diào)整船閘最不利引航線

5.2.1 方案二

船舶在水流較好且無不良流態(tài)的航道沿著水流主流方向航行時，表流橫向流速速度較小甚至為零。但船舶航行方向與主流水流成一定角度時，表流橫向流速速度較大甚至分布區(qū)域廣。參照本工程初設(shè)方案船閘口門區(qū)關(guān)于航線的水力計算成果，本工程航線調(diào)整原則是減小最不利航線與引河中心線夾角，即夾角越小，符合船舶航行的橫向流速分布區(qū)域越廣。方案二在初步設(shè)計方案基礎(chǔ)上取消新孟河側(cè)隔水墻前端隔流墩，調(diào)整原最不利航線，即調(diào)整α為19.25°。

方案二中，船閘口門區(qū)基于最不利航線的縱橫向流速分布見圖6。平行于最不利航線的縱向流速最大值小于1.5 m/s，垂直于最不利航線的橫向流速介于0.25～0.30 m/s之間，且大范圍區(qū)域分布在最不利航線四周，在0.30～0.35 m/s范圍內(nèi)的區(qū)域與初設(shè)方案相比較有所減小。方案二數(shù)模成果仍不符合《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305-2001)5.3.2條規(guī)定，仍然嚴(yán)重威脅船舶航行安全。

圖6 方案二船閘引航道口門區(qū)表流縱橫向流速分布云圖

5.2.2 方案三

方案三在方案二基礎(chǔ)上，調(diào)整引河鐵路橋墩在引河中相對合理位置，使最不利航線接近平行于船閘引航道東側(cè)直立擋土墻。該方案的優(yōu)點是最不利航線與引河河道中心線夾角較小，有利于船閘口門區(qū)基于最不利航線的縱橫向流速分布不均勻程度一定程度上減小，使得縱橫向流速分布相對符合規(guī)范要求。見圖7。

通過調(diào)整鐵路橋墩在引河中位置，使得船閘引航道口門區(qū)表流不利橫向流速得到極大的改善，絕大部分區(qū)域橫向流速大小符合《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305-2001)5.3.2條規(guī)定，只有在隔水墻前端端部面積不超過幾個平方很小的區(qū)域不符合要求，見圖7(b)。隔水墻前端端部可設(shè)置導(dǎo)流墩來改善(詳見圖4成果)，使得表流橫向流速可在0.25 m/s范圍以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

調(diào)整鐵路橋墩在引河中位置可獲得該樞紐工程船閘過閘船舶最佳進(jìn)出航線，但該方案卻有先天性的不足，不足之處有以下幾點：

1) 本工程引水工況4.41 m為瞬時水位，非常水位，且船舶航行最不利橫向流速分布區(qū)域小，影響船舶航行的時間短。

2) 調(diào)整鐵路橋墩在引河中位置需要進(jìn)行鐵路橋墩方案論證，且獲得鐵路相關(guān)部門的支持。

3) 樞紐建設(shè)管轄部門與鐵路部門溝通、協(xié)調(diào)成本高。

圖7 方案三船閘引航道口門區(qū)表流縱橫向流速分布云圖

4) 若鐵路橋墩調(diào)整方案獲得通過，鐵路橋墩賠建、鐵路停運賠付等相關(guān)費用非該樞紐工程所能承擔(dān)。

該方案造成鐵路停用費用高、施工成本高，人為干預(yù)不可預(yù)測因素多，最終未能獲得相關(guān)管理部門支持。

綜上所述，調(diào)整鐵路橋墩在引河中位置的方案不可行后，在不縮短隔水墻長度情況下，船閘最不利引航線與引河中心線交角無法再繼續(xù)調(diào)整減小，最終確定船閘最不利引航線與引河中心線交角α為19.25°，所有方案表流縱向流速分布符合規(guī)范要求。

5.3 調(diào)整樞紐工程引河河岸線

確定船閘最不利引航線與引河中心線交角后，再調(diào)整樞紐工程引河河岸線的原則是擴(kuò)大船閘東側(cè)水域面積，其目的是擴(kuò)大表流流速0.20～0.25 m/s分布范圍。

方案四在工程起始處引河北側(cè)河道線移至征地紅線附近，擴(kuò)大了船閘側(cè)水域面積。引河河道進(jìn)口處斷面面積不變，與拓浚后的新孟河河口斷面型式相同。方案四未改變原方案二的引航線方案，即最不利航線引河中心線交角α仍為19.25°。見圖8。

圖8 方案四船閘引航道口門區(qū)表流橫向流速分布云圖

通過圖8可知，最不利引航線表流橫向流速分布區(qū)域絕大范圍在0.20～0.25 m/s，只有在隔水墻端部很小一部分區(qū)域表流橫向流速超過0.25 m/s，且超出面積范圍也很小。本方案表流橫向流速分布基本符合《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ 305-2001)5.3.2條規(guī)定。

6 結(jié) 語

通過原初步設(shè)計方案的水力分析以及3個方案的水力優(yōu)化，最不利引航線表流縱向流速分布范圍均滿足規(guī)范要求，表流橫向流速在引航線周圍超過0.25 m/s分布范圍在不斷的縮小，直至滿足規(guī)范要求。