江學(xué)志

(上海水務(wù)建設(shè)工程有限公司,上海 200082)

0 引 言

近年來(lái),隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展,越來(lái)越多的研究開(kāi)始運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)箱涵出水口的通航影響進(jìn)行研究。如何準(zhǔn)確地模擬箱涵出水口的水流特性,是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。在國(guó)內(nèi)的研究中,李炳潔等人在2016年通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了不同類型箱涵出口的水流特性,分析了不同類型的箱涵出口對(duì)航道的影響,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案[1]。陳波等人在2019年研究了箱涵出水口的流量特性及對(duì)航道安全的影響,通過(guò)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的方法對(duì)箱涵出水口進(jìn)行研究,并得出了箱涵出水口對(duì)航道安全的影響規(guī)律[2]。此外,還有一些研究集中在箱涵出水口的可視化研究上,如周昕、劉琨、王崢等人在2017年研究了不同形式的箱涵出水口的水流動(dòng)態(tài),并給出了可視化表達(dá)。這些研究成果對(duì)于探討箱涵出水口的通航影響及針對(duì)措施具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值[3-4]。此外,近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水上交通的發(fā)展也日益壯大,箱涵出水口的通航安全問(wèn)題也愈加重要[5-6]。近年來(lái),發(fā)生了一系列因箱涵出水口問(wèn)題引起的交通事故,如2018年6月1日,位于浙江省余姚市的黃浦江大橋,因箱涵出水口問(wèn)題,造成交通事故,嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)亟煌ǖ臅惩?。因?對(duì)于研究箱涵出水口的通航影響及針對(duì)措施,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性。

總之,文章旨在通過(guò)對(duì)箱涵出水口的實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬,研究不同形式的箱涵出水口對(duì)航道通航的影響,并提出相應(yīng)的針對(duì)性措施。該研究對(duì)于完善箱涵出水口的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用,提高水上交通的安全性和暢通性具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 箱涵出水口的水流特性分析

1.1 箱涵出水口與排水渠道之間的連通方式對(duì)水流特性的影響

在設(shè)計(jì)箱涵出水口時(shí),需要考慮與排水渠道之間的連通方式。不同的連通方式會(huì)對(duì)水流特性產(chǎn)生影響。一般來(lái)說(shuō),箱涵出水口的水流需要進(jìn)入排水渠道,通過(guò)排水渠道將水流迅速引導(dǎo)到下游。常用的連通方式有側(cè)壁直接接入、隧洞式接入和倒角式接入。其中,側(cè)壁直接接入和隧洞式接入的連通方式會(huì)對(duì)水流速度產(chǎn)生影響,倒角式接入則對(duì)水流的流向和分布產(chǎn)生影響。 對(duì)于側(cè)壁直接接入的連通方式,排水渠道靠近側(cè)壁,水流直接撞擊排水渠道的壁面,產(chǎn)生較大的水流速度。這會(huì)對(duì)排水渠道的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,容易造成沖刷。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)需要增加橫向長(zhǎng)度,增大渠寬,減小水流速度。隧洞式接入則是將箱涵出水口和排水隧洞直接相連,水流可以在隧洞內(nèi)自由流動(dòng)。這種方式可以減小水流速度,提高排水效率,但相應(yīng)的隧洞也需要在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮。倒角式接入則是通過(guò)將側(cè)壁倒角,使水流在進(jìn)入排水渠道前先產(chǎn)生轉(zhuǎn)向,以減小水流速度。但需要注意的是,倒角過(guò)程中容易產(chǎn)生渦流和旋渦,需要在設(shè)計(jì)中充分考慮。

1.2 水流速度的計(jì)算和影響因素

箱涵出水口的水流速度是箱涵設(shè)計(jì)和施工的另一個(gè)重要問(wèn)題。水流速度的過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)箱涵的穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生不利影響。水流速度的計(jì)算需要考慮以下因素:流量、斷面積、斷面形狀、槽道坡度、摩擦阻力等。通常,可以采用曼寧公式或雷諾公式進(jìn)行水流速度的計(jì)算。其中,曼寧公式適用于水流比較穩(wěn)定的情況,是計(jì)算水流速度的較為常用方法。對(duì)于復(fù)雜情況,可以使用雷諾公式進(jìn)行計(jì)算。 水流速度的影響因素較多。其中,流量是影響水流速度的關(guān)鍵因素。流量越大,水流速度越快。同時(shí),斷面積和斷面形狀也會(huì)對(duì)水流速度產(chǎn)生影響。相同流量情況下,斷面積越大,水流速度越慢;斷面形狀也會(huì)對(duì)水流速度產(chǎn)生影響,一般來(lái)說(shuō),圓形截面的水流速度相對(duì)較慢。槽道坡度也是影響水流速度的重要因素。在箱涵出水口設(shè)計(jì)時(shí),需要根據(jù)槽道坡度和水流速度進(jìn)行合理配合,防止水流速度過(guò)高導(dǎo)致沖刷和水流失控。

1.3 水流速度的控制方法

水流速度的控制是箱涵設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的重要問(wèn)題。水流速度的過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)箱涵的穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生不利影響。常用的水流速度控制方法有增加橫向長(zhǎng)度、加裝限速板、加設(shè)消能池和采用雙級(jí)出口等,見(jiàn)表1。

表1 箱涵出水口優(yōu)化措施的對(duì)比

1.3.1 增加橫向長(zhǎng)度

增加橫向長(zhǎng)度是一種常用的水流速度控制方法。該方法通過(guò)增加箱涵的長(zhǎng)度,降低水流速度,使水流能夠平穩(wěn)地進(jìn)入下游排水渠道。但是,在實(shí)際應(yīng)用中,增加橫向長(zhǎng)度對(duì)土地占用和工程造價(jià)都會(huì)產(chǎn)生一定的影響,需要綜合考慮。

1.3.2 加裝限速板

加裝限速板是一種簡(jiǎn)單且有效的水流速度控制方法。該方法通過(guò)在箱涵出水口前加裝限速板,使水流通過(guò)狹窄的限速通道,從而控制水流速度。限速板可以采用混凝土或鋼板等材料制成,具有耐用性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。但是,加裝限速板也會(huì)增加維護(hù)成本和設(shè)計(jì)成本等問(wèn)題。

1.3.3 加設(shè)消能池

加設(shè)消能池是一種較為常用的水流速度控制方法。該方法在箱涵出水口前設(shè)置消能池,使水流在消能池中減緩速度,降低水流沖擊力和剪切力。消能池可以采用混凝土或鋼板等材料制成,具有操作簡(jiǎn)便、效果顯著的優(yōu)點(diǎn)。但是,消能池也會(huì)增加工程造價(jià)和維護(hù)成本等問(wèn)題。

1.3.4 采用雙級(jí)出口

采用雙級(jí)出口是一種較為先進(jìn)的水流速度控制方法。該方法通過(guò)在箱涵出水口設(shè)置雙級(jí)出口,將水流分為兩個(gè)階段排出,從而減緩水流速度和降低水流沖擊力和剪切力。雙級(jí)出口的設(shè)計(jì)需要考慮水流量、斷面形狀、坡度等因素,并進(jìn)行合理的計(jì)算和模擬。但是,采用雙級(jí)出口也會(huì)增加工程造價(jià)和施工難度等問(wèn)題。

2 箱涵出水口對(duì)通航的影響與優(yōu)化措施

2.1 箱涵出水口對(duì)通航的影響

不同的優(yōu)化方案對(duì)航道通行的影響也不盡相同。例如,增加橫向長(zhǎng)度或加設(shè)消能池均會(huì)減少航道寬度或深度,限速板易造成水流混亂和堵塞,雙級(jí)出口則需要更大的航道轉(zhuǎn)彎半徑。因此,在具體優(yōu)化方案的選擇和實(shí)施中,應(yīng)綜合考慮航道通航安全和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面。對(duì)于不同的航道類型和水文地理?xiàng)l件,應(yīng)采用不同的優(yōu)化措施進(jìn)行箱涵出水口的設(shè)計(jì)和施工。

在進(jìn)行箱涵出水口優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí),還應(yīng)注重實(shí)施后的監(jiān)測(cè)和維護(hù)。盡管采用了各種水流速度控制方法,但在使用中仍會(huì)出現(xiàn)水流速度過(guò)高或過(guò)低的情況。為此,應(yīng)定期對(duì)箱涵出水口進(jìn)行檢查和維護(hù),及時(shí)清理限速板和消能池等設(shè)施,并對(duì)是否需要調(diào)整優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于已實(shí)施的優(yōu)化措施,應(yīng)定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并引入改進(jìn)措施,以確保箱涵出水口的穩(wěn)定性和通航安全。

2.2 箱涵出水口的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的流量、水位條件下,本研究將探究如何優(yōu)化箱涵出水口的設(shè)計(jì),降低水流速度對(duì)通航的影響,提高箱涵出水口的通航性能。具體而言,本研究將通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式,探究?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的措施。例如,通過(guò)增加橫向長(zhǎng)度、加裝限速板、加設(shè)消能池、采用雙級(jí)出口等方式,降低箱涵出水口的水流速度,減少對(duì)通航的影響。同時(shí),在理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到最優(yōu)解,并完善箱涵設(shè)計(jì)和施工的標(biāo)準(zhǔn),提高箱涵的使用壽命。

2.3 箱涵出水口的優(yōu)化措施

本研究將探究箱涵出水口的優(yōu)化措施,通過(guò)對(duì)箱涵出水口的分析和對(duì)比試驗(yàn),比如增加橫向長(zhǎng)度、加裝限速板、加設(shè)消能池、采用雙級(jí)出口等方式,探究如何降低箱涵出水口的水流速度對(duì)通航的影響,并提高箱涵的使用壽命(表2)。同時(shí),本研究將結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果,深入分析和探究?jī)?yōu)化措施的有效性和適用性,為箱涵出水口的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。

表2 箱涵出水口優(yōu)化措施及其預(yù)期效果

以上優(yōu)化措施均可針對(duì)不同情況和不同的箱涵設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇和實(shí)施。在實(shí)驗(yàn)和模擬的基礎(chǔ)上,本研究將綜合考慮各種因素的影響,提出針對(duì)性的優(yōu)化方案。同時(shí),本研究還將對(duì)優(yōu)化措施的成本、使用壽命等因素進(jìn)行綜合分析,得出最優(yōu)方案,為箱涵出水口的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)用價(jià)值。

3 海門(mén)市日新路及宏偉路兩處雨水泵站出水箱涵

3.1 項(xiàng)目概況

海門(mén)市日新路及宏偉路附近設(shè)置了兩處雨水泵站,用于在降雨期間將收集處理的初期雨水排放到海門(mén)河。宏偉路泵站排放設(shè)計(jì)流量為14.5m3/s,日新路泵站排放設(shè)計(jì)流量為14.7m3/s。海門(mén)河為七級(jí)限制性內(nèi)河航道,與排放流量同量級(jí),因此需要評(píng)估排放對(duì)航道安全的影響。海門(mén)河全河段水閘控制,最高通航水位2.51m,最低通航水位1.22m,常水位1.88m。代表船舶包括長(zhǎng)度19m、型寬4.5m、吃水深度1.2m的駁船,以及長(zhǎng)度25m、型寬5.5m、吃水深度1.2m的貨船。本次評(píng)估遵循相關(guān)技術(shù)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得了海門(mén)河典型斷面形狀、水深和流量數(shù)據(jù),其中在水位1.9m時(shí)測(cè)得流量為20.61m3/s。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),建立了不同水位條件下的流量-水位關(guān)系。這為后續(xù)建立數(shù)學(xué)模型提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 計(jì)算參數(shù)

海門(mén)河水位控制條件下,可以設(shè)置不同的計(jì)算工況組合來(lái)模擬雨水泵站的影響。主要考慮3個(gè)因素:

3.2.1 海門(mén)河水位

分別設(shè)置最高通航水位2.51m、常水位1.88m和最低通航水位1.22m三種情況。

3.2.2 海門(mén)河流速

平時(shí)海門(mén)河流速極低,可近似為零。

3.2.3 雨水泵站排放流量

宏偉路排放設(shè)計(jì)流量14.5m3/s,日新路排放設(shè)計(jì)流量14.7m3/s。分別設(shè)置不同水位下按設(shè)計(jì)流量的100%、70%和30%情況。綜合上述因素,本研究模擬了以下計(jì)算工況組合:

1)最高通航水位,河道靜止水,設(shè)計(jì)流量100%。

2)最高通航水位,平均流速0.27m/s,設(shè)計(jì)流量100%。

3)常水位,河道靜止水,設(shè)計(jì)流量70%。

4)常水位,平均流速0.24m/s,設(shè)計(jì)流量70%。

5)最低通航水位,河道靜止水,設(shè)計(jì)流量30%。

6)最低通航水位,平均流速0.2m/s,設(shè)計(jì)流量30%。

3.3 控制方程和數(shù)學(xué)模型

1)流體控制方程:采用不可壓縮流體的連續(xù)性方程和納維-斯托克斯(N-S)方程。

2)建立RNG k-ε紊流模型。

3)VOF自由水面跟蹤:計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)受到邊界條件影響,因而邊界條件設(shè)置不合理會(huì)引起計(jì)算發(fā)散,提供符合物理實(shí)際、適定的邊界條件是獲得良好模擬結(jié)果的必要前提。排口箱涵設(shè)置為速度進(jìn)口,海門(mén)河進(jìn)口斷面設(shè)置設(shè)置為壓力進(jìn)口,下游出口邊界采用壓力出口,壓力進(jìn)出口邊界分別設(shè)置水位高程和壓強(qiáng)分布。

上述3個(gè)方程互相耦合,組成了模擬水動(dòng)力問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。連續(xù)性方程表達(dá)質(zhì)量守恒;N-S方程表達(dá)動(dòng)量守恒;RNG模型閉合求解;VOF模型求解自由水面。三者共同模擬流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

1)排水口的影響范圍比較局限:報(bào)告結(jié)果表明,宏偉路和日新路兩處排水口對(duì)海門(mén)河流場(chǎng)的影響較為局限,主要集中在排水口附近區(qū)域。模擬結(jié)果顯示,排水口附近會(huì)形成直徑約30～40m的旋渦。這表明排放的動(dòng)能能夠在局部區(qū)域形成較顯著的擾動(dòng),但很快衰減。

2)對(duì)航跡帶影響較小:研究計(jì)算了不同工況下沿航跡帶的橫向流速分布。除最低水位時(shí)宏偉路排水口局部超過(guò)0.3m/s的情況外,在航行區(qū)域內(nèi)的橫向流速影響較小。這表明正常水位條件下,排水口不會(huì)對(duì)通航造成明顯影響。

3)個(gè)別情況下會(huì)產(chǎn)生河床沖刷:計(jì)算結(jié)果顯示,在特定條件下,排水口會(huì)導(dǎo)致對(duì)岸河床產(chǎn)生一定的沖刷效應(yīng)。部分情況下的河床橫向流速已達(dá)到淤泥的啟動(dòng)臨界流速。這表明需采取一定的河床防護(hù)措施。

4)計(jì)算了最大橫流條件下的船舶作用力:研究基于規(guī)范計(jì)算了最大橫流條件下船舶承受的水動(dòng)力,為評(píng)估通航安全提供依據(jù)。

5)提出了具體的設(shè)計(jì)優(yōu)化建議:根據(jù)計(jì)算結(jié)果,研究提出了觀測(cè)旋渦效應(yīng)、控制橫向流速、做好河床防護(hù)等具體的工程優(yōu)化建議。這對(duì)排水口的設(shè)計(jì)與運(yùn)維提供了指導(dǎo)。

綜上所述,該研究較全面地分析了排水口的水動(dòng)力效應(yīng),評(píng)估了對(duì)通航的影響,并提出了具有可實(shí)施性的建議,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

以上提到的箱涵出水口優(yōu)化措施在實(shí)踐應(yīng)用中都有一定的局限性和可操作性。在具體的工程實(shí)踐中,需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮各種因素,例如水文地理?xiàng)l件、航道規(guī)劃、成本效益等,靈活選擇合適的優(yōu)化方案。此外,在工程實(shí)踐中還應(yīng)注意實(shí)施后對(duì)航道通行的影響進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估,及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化方案,確保航道的安全和暢通。通過(guò)采用三維數(shù)值模擬方法研究?jī)?nèi)河航道排水口的水動(dòng)力效應(yīng),得出以下結(jié)論:

1)排水口的水動(dòng)力影響是局部的,主要體現(xiàn)在排水口附近,會(huì)形成直徑30～40m的旋渦。

2)在不同的水位和流量條件下,排水口對(duì)內(nèi)河航道的影響各有不同。但大部分情況下,排水口對(duì)航跡帶的橫向流速影響較小。

3)排水口會(huì)導(dǎo)致對(duì)岸局部河床產(chǎn)生沖刷。個(gè)別情況下橫向流速超過(guò)淤泥的啟動(dòng)臨界流速。

4)根據(jù)規(guī)范計(jì)算,在最大橫向流速條件下,駁船所受的水流力為7.02kN。提出了防護(hù)河床、觀測(cè)旋渦、控制橫向流速等具體的工程建議。

對(duì)箱涵出水口對(duì)通航影響進(jìn)行評(píng)估時(shí),需要考慮各種因素,例如航道寬度、深度、水流速度、導(dǎo)航標(biāo)志等。在設(shè)計(jì)箱涵出水口時(shí),需要充分考慮這些因素,確保船只在航行過(guò)程中能夠安全通過(guò)出水口,避免擱淺、碰撞等事故的發(fā)生。此外,還需要考慮到箱涵出水口對(duì)航行的影響,例如水流的變化、水深的變化等,及時(shí)進(jìn)行標(biāo)志和疏導(dǎo),確保船只能夠安全通過(guò)出水口。

在針對(duì)箱涵出水口通航影響的措施方面,需要考慮到以下4個(gè)方面:

1)航道設(shè)計(jì):在設(shè)計(jì)航道時(shí),需要考慮到出水口的位置、方向等因素,確保船只可以安全通過(guò)出水口,并且避免出現(xiàn)水深不足的情況。

2)疏導(dǎo)標(biāo)志:在出水口附近設(shè)置疏導(dǎo)標(biāo)志,引導(dǎo)船只安全通過(guò)出水口,并且提醒船只注意水流的變化。

3)監(jiān)測(cè)和預(yù)警:在出水口附近設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)備,及時(shí)監(jiān)測(cè)水流、水位、水深等數(shù)據(jù),對(duì)可能影響航行的情況進(jìn)行預(yù)警。

4)維護(hù)保養(yǎng):定期對(duì)出水口進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng),確保其正常運(yùn)行,并及時(shí)清理水草、浮垃圾等對(duì)航行的影響。

箱涵作為水上交通建設(shè)領(lǐng)域的重要設(shè)施,其出水口的設(shè)計(jì)和施工都對(duì)航道的通航安全和效率產(chǎn)生重大影響。在實(shí)踐中,優(yōu)化箱涵出水口的設(shè)計(jì)可以大大提高航道的實(shí)用性和通航安全性。在工程實(shí)踐中,需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮各種因素,靈活選擇合適的優(yōu)化方案,并對(duì)其實(shí)施后進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估,及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。只有這樣,才能確保箱涵出水口對(duì)通航的影響能夠最大程度地減小,航道的安全和暢通得到有效保障。