胡雨涵，王志超，郝嘉凌，黃志文，李孜成

（1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029；2.河海大學(xué)，江蘇 南京，210098）

0 引言

贛江撫河下游尾閭綜合整治工程由贛江下游尾閭綜合整治工程、撫河下游尾閭綜合整治工程以及河湖水系連通工程三部分組成。贛江下游尾閭綜合整治工程位于江西省南昌市，工程的主要目標(biāo)任務(wù)為建閘抬水，從而改善水環(huán)境水景觀(guān)，改善通航條件，促進(jìn)城市和旅游發(fā)展。其中南昌市水利樞紐工程是以上綜合整治工程的重要環(huán)節(jié)之一，是贛江下游尾閭綜合整治控制性工程。本文針對(duì)其中主支上的象山樞紐施工一期臨時(shí)通航水流條件問(wèn)題展開(kāi)研究。

目前，在對(duì)通航水流條件問(wèn)題的研究中，物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬法應(yīng)用較多。與物理模型試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬具有經(jīng)濟(jì)、快速、修改方便等優(yōu)點(diǎn)，并且不受比尺的限制[1]，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在數(shù)值模擬技術(shù)研究和應(yīng)用方面均有長(zhǎng)足的進(jìn)展和豐富的成果。劉曉東[2]等人建立了基于四叉樹(shù)網(wǎng)格的二維水流數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了邊界和重要研究區(qū)域的網(wǎng)格加密，并在其基礎(chǔ)上較好地模擬了太湖邊界的復(fù)雜流場(chǎng)和濃度場(chǎng)，此外模型還具備了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。劉新成等[3]人利用三角形網(wǎng)格進(jìn)行河網(wǎng)概化，并在此基礎(chǔ)上建立二維有限元潮流數(shù)學(xué)模型，成功模擬了長(zhǎng)江口和杭州灣潮流場(chǎng)，進(jìn)而又對(duì)長(zhǎng)江口和杭州灣交匯處水體交換的范圍進(jìn)行了定量計(jì)算。陳青毅等[4]人采用三維淺水方程和物質(zhì)擴(kuò)散方程模擬了河口水庫(kù)流態(tài)，根據(jù)長(zhǎng)江口青草沙水庫(kù)工程的初步運(yùn)行方案，計(jì)算了不同風(fēng)場(chǎng)條件和水庫(kù)引排水條件下庫(kù)區(qū)的流場(chǎng)。黃牧濤等[5]人采用三角形網(wǎng)格和垂向σ坐標(biāo)進(jìn)行河網(wǎng)概化，建立了湖泊三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，并采用顯隱結(jié)合的方法求解三維水動(dòng)力方程組。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水動(dòng)力數(shù)值模擬方法必將朝著更高精度和更高效率方向發(fā)展。

鑒此，本文應(yīng)用水動(dòng)力數(shù)值模擬技術(shù)，建立象山樞紐施工一期工程的平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析不同水位流量邊界條件下施工河段的水流特征，為工程施工導(dǎo)流期間的臨時(shí)通航提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

象山樞紐建于贛江下游尾閭河段主支之上，位于江西省南昌市新建區(qū)象山鎮(zhèn)鴨洲村附近，距象山鎮(zhèn)6 km，距南昌市約35km，主要任務(wù)是調(diào)控贛江下游尾閭河段的枯水期水位，改善水環(huán)境和水景觀(guān)等問(wèn)題。主體工程于2021年2月開(kāi)工建設(shè)，計(jì)劃2026年完工。主支南昌～湖口段航道現(xiàn)狀等級(jí)為Ⅱ級(jí)，全年通航，施工期間需維持正常通航，因此，施工期通航問(wèn)題是樞紐施工方案的重要內(nèi)容之一。

1.1 總平面布置

象山樞紐主要由泄水閘、船閘、魚(yú)道、泄水閘與船閘連接段和兩岸上下游連接堤防組成。河床布置泄水閘，中部布置大孔閘，左岸布置魚(yú)道，右岸布置船閘，兩岸退建和加固堤防與現(xiàn)有堤線(xiàn)連接。

根據(jù)地形地質(zhì)條件、水文及施工因素，本工程施工方案分兩期施工。其中一期工程施工方案為先疏浚左側(cè)灘地，待左側(cè)灘地具備通航條件，在一期圍堰保護(hù)下施工右側(cè)泄水閘和船閘，預(yù)計(jì)26個(gè)月完工，施工洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。一期工程施工平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 一期工程施工平面布置

1.2 通航方案

一期工程施工臨時(shí)航道進(jìn)出口與現(xiàn)有航道連接，臨時(shí)航道最小彎曲半徑690m，航道底高程4.0m，最低通航水位7.90m。臨時(shí)通航期間流速、流態(tài)應(yīng)滿(mǎn)足自航條件。依據(jù)GB50139－2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和贛江代表船舶特征，航道最大縱向流速應(yīng)≤2.0m/s、橫向流速應(yīng)≤0.3m/s、回流速度應(yīng)≤0.4m/s、水深應(yīng)≥2.8m。

2 數(shù)值研究

2.1 基本原理

本研究采用DHI MIKE軟件進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，當(dāng)中的MIKE21 FM模塊采用了基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法對(duì)平面二維水動(dòng)力方程進(jìn)行離散求解，針對(duì)不規(guī)則岸線(xiàn)問(wèn)題時(shí)有較好的擬合效果。此外MIKE21 FM在水動(dòng)力基本方程中考慮的因素比較全面，所以目前應(yīng)用廣泛[6～9]。當(dāng)不考慮源匯項(xiàng)、風(fēng)場(chǎng)作用、地球自轉(zhuǎn)、波浪影響、密度變化等因素，則水動(dòng)力基本方程可為以下形式：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：t為時(shí)間，s；z為水位，m；d為靜止水深，m；h=d+z為總水深，m；、分別為x、y方向上的沿水深平均速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρ為水的密度，kg/m3；τb為壁面剪應(yīng)力，N/m2；Tij為水平剪切力項(xiàng)，包括粘性力、紊流應(yīng)力和水平對(duì)流，其中v 是水平渦流粘度，m2/s。

將控制方程轉(zhuǎn)換成Godunov格式然后用有限體積方法離散，采用Roe格式的近似Riemann解計(jì)算界面通量[10，11]。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將工程大堤和圍堰作為網(wǎng)格剖分的邊界約束條件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分9 756個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格平均面積為600m2，計(jì)算區(qū)域以非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格為主，利用矩形網(wǎng)格對(duì)航道區(qū)域進(jìn)行加密，模型網(wǎng)格布置見(jiàn)圖2。

圖2 施工一期模型網(wǎng)格布置

2.3 邊界條件

洪水條件上邊界采用外洲1月～4月各月洪峰流量頻率計(jì)算成果，下邊界采用當(dāng)日外洲站日平均流量與設(shè)計(jì)流量相近時(shí)閘址最低日平均水位；枯水條件下邊界采用主支閘址2003-2018年1月、2月、3月和4月的各月最低水位，上邊界流量采用閘址水位與該最低水位接近時(shí)的閘址最大流量，具體見(jiàn)表1。

表1 航道流態(tài)模擬計(jì)算邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果分析

在臨時(shí)航道區(qū)域壩軸線(xiàn)上下游距離4.5km范圍內(nèi)布置15個(gè)流速監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖3所示，提取各點(diǎn)水位和流速特征值，如表2所示。各水流工況下，臨時(shí)航道水流特征基本符合流量大則縱向流速和橫向流速大的規(guī)律，最大縱向流速為1.62m/s，最大橫向流速為0.26m/s，最低水位為8.70m，均滿(mǎn)足臨時(shí)通航對(duì)水深、流速的要求。

圖3 航道流速監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意圖

表2 臨時(shí)航道的水流特征值

因工況4各項(xiàng)流速特征值最大，故以該工況為例展開(kāi)臨時(shí)航道流態(tài)分析，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)流速特征值和流場(chǎng)圖分別如表3和圖4所示。沿臨時(shí)航道，流速分布特征為先大后小再增大，橫向流速先小后大。臨時(shí)航道入口流速為1.39m/s，由于下游河道漸寬，P1至P5河段流速逐漸減小至1.08m/s。下游河段由于圍堰導(dǎo)致的河道縮窄，同時(shí)縮窄后水面坡降增加等因素，P6至P15河段航道流速整體上呈增加趨勢(shì)，出口附近最大流速為1.64m/s。臨時(shí)航道入口附近橫向流速較小，橫向流速較大的點(diǎn)主要分布在航道轉(zhuǎn)彎段附近，如監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4、P6、P9、P11、P13、P14，絕對(duì)值在 0.10m/s至 0.15m/s之間。臨時(shí)航道出口下游銜接向左岸的轉(zhuǎn)彎河道，因此臨時(shí)航道出口橫向流速較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P15具有0.26m/s偏向左岸的橫向流速。

表3 工況4各監(jiān)測(cè)點(diǎn)流速特征值

圖4 工況4流場(chǎng)圖

4 結(jié)論

（1）經(jīng)對(duì)施工一期臨時(shí)航道水流條件展開(kāi)計(jì)算分析，結(jié)果表明，各水流工況下，臨時(shí)航道水流特征基本符合流量大則縱向流速和橫向流速大的規(guī)律，最大縱向流速為1.62m/s，最大橫向流速為0.26m/s，最低水位為8.70m，均滿(mǎn)足臨時(shí)通航對(duì)水深、流速的要求。

（2）沿臨時(shí)航道，流速分布特征為先大后小再增大，橫向流速先小后大。臨時(shí)航道入口附近橫向流速較小，橫向流速較大的點(diǎn)主要分布在航道轉(zhuǎn)彎段附近。臨時(shí)航道出口下游銜接向左岸的轉(zhuǎn)彎河道，因此臨時(shí)航道出口橫向流速較大。

（3）數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了概化處理，施工過(guò)程為動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，建議加強(qiáng)水流監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整航跡線(xiàn)。