地面沉降对西河闸流态的影响

2015-03-23刘思清

海河水利 2015年4期

于翚，刘思清

（海河水利委员会科技咨询中心，天津 300170）

天津素有九河下梢之称，密布海河流域排洪河道，主要有海河干流、独流减河、西河、北运河、永定新河、潮白新河、蓟运河等。从控导洪水、蓄淡防潮等不同兴利除害角度出发，这些河道的上下游先后建有多座控制性水闸，如海河闸、西河闸、独流减河进洪闸、工农兵挡潮闸、屈家店闸等。多年来，这些水闸在泄洪、挡水、挡潮、蓄水方面都发挥了重要作用。然而，由于近三四十年的北方干旱，天津滨海区严重超采地下水，造成这一区域的地面剧烈沉降。据统计，2002—2010年，天津南部地区的河流上游区地面累计沉降量约为0.4 m、河流下游区累计沉降量约为0.3 m，北部地区的河流上游区地面累计沉降量约为0.2 m、河流下游区累计沉降量约为0.1 m。以上不同区域相对标准海平面的不均匀沉降，使泄洪河道形成倒坡，一方面，在河道挡水工况下，相同的设计水位使水闸上游挡水水深加大，闸体挡水所承受的水压荷载增加，对闸体稳定安全十分不利；另一方面，在水闸泄洪工况下，因地面沉降形成的闸前水深加大将使闸下水流的流态发生变化、流速分布发生改变、水跃位置也发生变化，从而易于发生局部冲刷甚至形成水毁现象。笔者以西河闸为代表，研究地面沉降对该闸不同工况产生的流态影响，以为水闸安全运行提供参考。

1 典型水闸概况

西河闸[1-2]位于天津市西青区杨柳青镇北，上距大清河、子牙河汇流点15 km，下距北运河与子牙河的汇流点16.5 km，以防洪为主，兼有蓄水、航运、灌溉等功能，是大清河系洪水进入海河干流的最后一道屏障，是天津市防洪的西大门。该闸建于1958年，于2003年以原有闸底板为基础，开展了闸体的除险加固。

按防洪调度方案，大清河发生50年一遇设计标准洪水，通过西河闸向海河干流宣泄400 m3/s，闸上设计洪水位6.413 m；当不与永定河洪水遭遇时，可以通过西河闸向海河干流宣泄800 m3/s；遇超标准洪水等特殊情况，西河闸可泄1 000 m3/s，其中海河干流承泄800 m3/s、新开河承泄200 m3/s。

根据西河闸周边地区水准点的复核测量，1965—2010年，该地区累计沉降量达1.811 m，其中2002年以前沉降1.451 m、以后时段沉降0.36 m。

2 计算方法及基本控制方程

2.1 计算方法

本次采用VOF（The Vo1ume of F1uid）法，研究地面沉降对西河闸流态影响。VOF 法是利用流体体积函数求解不可压缩、黏性、瞬变和具有自由面流动的一种数值方法[3-4]，适用于2 种或多种互不穿透流体间界面的跟踪计算。

2.2 基本控制方程

连续性方程为：

动量方程为：

K方程为：

ε方程为：

式中：Ui为i 方向的速度分量（m/s）；x 为方向；t 为时间（s）；P 为压强（Pa）；ρ为流体密度（kg/m3）；，δij是Kronecker 符号；Fi为作用于单位质量水体的体积力（N/m3）是单位质量紊流动能（J）；G为剪切产生项，表达式；Uj为j方向的速度分量（m/s）；ε为紊流动能耗散率；v为运动黏性系数；vt为紊流运动黏性系数，它由紊流动能k及紊流动能耗散率ε确定；Cμ、C1ε、C2ε、σk和σε是模型通用常数，分别取0.09、1.44、1.92、1.0和1.3。

k-ɛ方程是在数值计算过程中所设置的一种二方程湍流模型。

3 数值模拟

3.1 计算工况

按照大清河洪水调度方案，基本设定了以下3种工况：

（1）设计洪水位情况下，控泄流量400 m3/s，闸上水位6.413 m，闸下水位3.473 m，6 孔开启。此时的闸门开度应为e=1.35 m。

（2）最高洪水位情况下，控泄流量800 m3/s，闸上水位6.913 m，闸下水位4.413 m，6 孔开启。此时的闸门开度应为e=2.6 m。

（3）最大泄量情况下，控泄流量1 000 m3/s，闸上水位6.413 m，闸下水位4.833 m，6 孔开启。此时的闸门开度应为e=3.8 m。

笔者从以上3 种工况中选择控泄流量400 m3/s和控泄流量1 000 m3/s 进行闸体沉降前后闸下水流流态的分析比较。

3.2 计算区域

计算区域包括闸室上游段、闸室段和闸室下游段。其中，闸室上游段包括长25.0 m 的铺盖、长10 m 干砌石护底、长8.0 m 防冲槽和长17 m 的上游河道；闸室段包括6孔闸门；闸室下游段包括长20 m的消力池、长19 m 铅丝笼块石海漫、长21 m 干砌石海漫、长10 m抛石防冲槽和长40 m的下游河道。西河闸计算区域，如图1所示。

图1 西河闸计算区域

3.3 边界条件和网格划分

以距闸室上游60 m的防冲槽为入流边界，给定上游水位6.413 m；以距闸室下游110 m的下游抛石防冲槽为出流边界，分别给定流量为400、1 000 m3/s；固壁边界采用无滑移条件；液面为自由表面。

在网格划分时，将闸室及其上下游段分为3 段进行网格划分。闸室上游约10 m 至闸室下游约30 m 处网格划分得比较密集，网格均取0.5 m；远离闸室的上下游流态比较稳定的区域（包括闸室上游10～100 m 区域、闸室下游30～150 m 区域）网格划分得比较稀疏，网格均取1.2 m。在模型中，上游闸底板高程为11.6 m，下游闸底板高程为10.1 m，网格总数约为42.5万。

4 模拟计算

4.1 顺水流方向的不同水深流态变化

目前的西河闸与水闸初建时比较，随着当地地面的下沉，闸室沉降了1.811 m，也就是说，在其上游东淀滞洪区滞蓄水位相同的情况下，闸前水深增加了1.811 m。如，沉降前，闸底板高程上游-3.047 m、下游-4.547 m；沉降后，闸底板高程变为上游-4.858 m、下游-6.358 m。在东淀遇50年一遇洪水、第六埠水位为6.44 m 时，西河闸闸上水位为6.413 m，闸前水深由原来的9.460 m 增加到11.271 m。除了使闸体受水压荷载发生大的变化以外，下泄水流的流态也会受到一定的影响。以大清河洪水调度方案拟定的西河闸承泄洪水功能（400 m3/s，特殊情况1 000 m3/s）为例，利用模型进行水流模拟计算，对同一泄量将顺水流方向不同水深部位的流速绘制为沉降前和沉降后2个流场图（如图2-3所示），其中（a）图为沉降前流场、（b）图为沉降后的流场。

图2 控泄400 m3/s沉降前后闸孔流场

图3 控泄1 000 m3/s沉降前后闸孔流场

从图2 可以看出，闸下接近水面的低流速区发生了大的变化，闸体沉降后（b图）比沉降前（a图）低流速区域明显加大，而且向下游有所延伸。这样的结果说明2 个问题，一是沉降后使闸下消力池内的水流旋滚不够充分，消能效果变差；二是中下层水流跃出了消力池，可能会引起下游河道的冲刷。图3是水闸下泄1 000 m3/s的情况，以上流场变化问题更为明显，沉降前闸下消力池内表层基本不存在或很少有低值流速区，而闸体沉降后表层水流出现大面积低值区，这样造成了中下层水流的流速加大，水跃现象跃出了消力池，而由下游河道来承担高速水流的冲击。1 000 m3/s工况下，沉降后消力池内表面水流旋滚不充分，造成上层水体回流最大流速由沉降前的0.95 m/s降至沉降后的0.85 m/s，底层最大流速由沉降前的5.92 m/s增加至沉降后的6.9 m/s。

4.2 不同断面的表层水流流态变化

西河闸的结构为横向6孔，在6 孔全部开启时，流速分布为边孔流速低、中孔流速高。闸室沉降前后，流速分布都是这样的规律。但是，闸室沉降后，各个局部的表层流速发生了一些变化。水闸控泄分为400、1 000 m3/s 2种工况，顺水流方向距闸门不同距离的各断面表层流速比较如图4-5所示。图中实线代表沉降前流速值，虚线代表沉降后流速值。

图4 400 m3/s沉降前后沿横断面的表层流速分布比较

图5 1 000 m3/s沉降前后沿横断面的表层流速分布比较

闸下游消力池段，沉降后因水深增加水跃旋滚变弱，消力池内上层水体沉降后的回流流速小于沉降前的回流流速。400 m3/s工况下，消力池中部4断面沉降前后表层回流平均流速由1.39 m/s 降至0.97 m/s。1 000 m3/s工况下，消力池中部5断面沉降前后表层回流流速由1.01 m/s降至0.94 m/s。

而消力池末端消力坎处，上层水体沉降后的回流流速大于沉降前的回流流速。400 m3/s 工况下，消力池末端消力坎前的5断面沉降前后平均表层回流流速由0.85 m/s增至0.97 m/s。1 000 m3/s工况下，消力池末端消力坎前的6断面沉降前后平均表层回流流速由0.62 m/s增至0.95 m/s。

以上情况说明水闸沉降后，高速水流向下游有所移动，消能作用有所消弱。