李 昱，宋黎明，孫鵬明，吳 芳

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215100)

流域骨干引排工程的設(shè)計(jì)斷面一般按照引排流量確定，實(shí)施過程中常遇到一些無法遷移的重要穿河管線，河道浚深無法達(dá)到設(shè)計(jì)高程，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過流斷面減小，斷面平均流速增大，容易造成局部沖刷問題，且水流流態(tài)較差。工程中常采用“以寬代深”的模式解決此類問題，即通過橫向擴(kuò)大斷面，保證斷面過流面積不小于原設(shè)計(jì)斷面。

“以寬代深”模式下水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要由不同斷面的銜接段長度決定，銜接段長度越長，水流越能平穩(wěn)的過渡，對工程的建設(shè)和安全也有利，但是征地面積大，工程投資加大。本文以新孟河延伸拓浚工程為例，采用數(shù)值模擬的方式，計(jì)算了“西氣東輸”過河管線段采用“以寬代深”模式下最佳的銜接段長度，有效改善了水流結(jié)構(gòu)，并且節(jié)約了造價(jià)，有重要的實(shí)際意義。

1 工程概況

新孟河延伸拓浚工程是太湖流域骨干引排工程之一，工程河道總長116.47km，其中拓浚老河道79.84km，新開河道36.63km新孟河“西氣東輸”段河道底高程-2.00m，按管道防護(hù)要求，“以寬代深”段河底高程為0.50m，順?biāo)飨蜷L度為30m，河底采用50cm厚石籠進(jìn)行護(hù)底，上下游銜接段初擬長度為50m，如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型基本控制方程

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

2.2 數(shù)值求解方法

采用有限體積法對數(shù)學(xué)模型控制方程進(jìn)行離散，速度壓力耦合矯正采用SIMPLEC方法，動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)離散格式，所有參量的殘差控制標(biāo)準(zhǔn)取為1.0×10-5。

2.3 計(jì)算區(qū)域、邊界條件和網(wǎng)格劃分

所建立的模型進(jìn)口處為入流邊界，對不同的計(jì)算工況，根據(jù)流量和水位條件，給定入口過水?dāng)嗝娴牧魉倩蛄髁?；模型出口為水流出流邊界，根?jù)計(jì)算工況的不同給定不同的壓力邊界條件。

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，為了提高計(jì)算的精確性，對關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

圖1 “西氣東輸”管道段平面布置圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

由圖2可以看出，原河道主流受斷面突變影響，在上游銜接段產(chǎn)生大范圍的回流區(qū)，回流區(qū)的存在壓迫主流向河道中心線集中，導(dǎo)致局部流速增大，主流束窄。

圖3、圖4為各縱斷面的流速矢量圖，可以看出由于河底高程的抬高，且河底銜接段長度較短，導(dǎo)致河道坡度過大，縱向水流的橫向擴(kuò)散不充分，邊界部位產(chǎn)生回流區(qū)，進(jìn)一步擠壓主流，水流結(jié)構(gòu)紊亂。

圖2 表面流速分布圖(銜接段長度50m)

圖3 原河道縱斷面流速矢量圖

圖4 銜接段河道縱斷面流速矢量圖

圖5 表面流速分布圖(銜接段長度100m)

圖6 表面流速分布圖(銜接段長度150m)

圖7 表面流速分布圖(銜接段長度200m)

“以寬代深”模式的本質(zhì)是維持設(shè)計(jì)水位下過流面積不變，使縱向水流橫向擴(kuò)散，從而保證工程的引排能力，減少斷面變化可能造成的沖刷。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，上下游銜接段長度為50m時(shí)，上游銜接段范圍內(nèi)水流結(jié)構(gòu)紊亂，且主流集中在河道中心，流速較大，并沒有發(fā)揮“以寬代深”模式的作用。

4 不同銜接段長度的計(jì)算分析

由圖5可以看出，當(dāng)銜接段長度增至100m時(shí)，上游回流區(qū)消失，水流較為順暢，改善效果明顯，但是主流在“以寬代深”段的擴(kuò)散效果不明顯，主流比較集中。

由圖6、圖7可以看出，當(dāng)銜接段長度大于150m時(shí)，“以寬代深”段主流已經(jīng)充分?jǐn)U散，此時(shí)銜接段長度的增加對水流結(jié)構(gòu)的影響較小。

銜接段長度過短時(shí)水流擴(kuò)散不充分，銜接段長度過長時(shí)征地面積過大，工程總投資增大，綜上所述，本工程“西氣東輸”段“以寬代深”模式的銜接段長度以150m為宜。

5 結(jié)論

(1) 流域骨干引排工程如遇過河管線等特殊制約因素可采用“以寬代深”模式保證工程的過流能力與安全運(yùn)行。

(2) “以寬代深”模式下銜接段長度越長，水流調(diào)順效果越明顯。

(3) 實(shí)際工程運(yùn)用中如需采用“以寬代深”模式，宜通過計(jì)算的方式確定合適的銜接段長度，既保證工程穩(wěn)定安全的運(yùn)行，又節(jié)約投資。