徐 军，金海银，李 雷

(1.无锡市水利设计研究院有限公司 江阴分院，江苏 江阴 214400； 2.江阴市澄江水利农机管理服务站，江苏 江阴 214400； 3.江阴市重点水利工程建设管理处，江苏 江阴 214431)

1 概 述

某地涵工程建于上世纪70年代，共5孔，每孔3 m×3 m。该地涵现已运行近50年，其结构老化，已多次进行加固改建，现已不能满足现状运行要求。拆建地涵结构有上洞首、十二节洞身，连接原有的下洞首。地涵连接小闫河，最大过涵流量为68 m3/s；徐洪河与地涵正交，拆建后地涵剖面图见图1。当小闫河过涵流量不满足调水要求时，从徐洪河引进部分流量区域调水需求。徐洪河航道现状等级为5级航道，规划航道为3级，船舶吨级1 000 t，代表船型尺度见表1[1]。当地涵从徐洪河引进部分流量时，地涵范围内的正交河道产生横向流速。横向流速危及过船安全，有必要对地涵段正交河道进行数值计算，分析横向流速大小。

图1 拆建地涵剖面图

表1 通航代表船型

2 相关规范规定

根据《内河通航标准》(GB 50139-2014)、《运河通航标准》(JTS180-2-2011)的有关规定，内河航道中的流速、流态和比降等水流条件应满足设计船舶或航队安全航行要求[1]；运河航道中纵向流速不超过1.0 m/s；运河中的取、泄水口和其他汇流口的水域，航道横向流速不应超过0.3 m/s，回流流速不应超过0.4 m/s[2]。

3 数学模型

第二节洞身在徐洪河设置引水口，两侧共两节扶壁式挡土墙；徐洪河河道河底宽45 m，河底高程15.3 m(废黄河高程，下同)，河道边坡1∶3。根据地涵工程建筑物及河道布置情况，按照1∶1(单位：m)比例，建立水流三维数学模型，其中河道长度大于5倍水面宽，满足规范要求。见图2、图3。

图2 第二节洞身

图3 三维模型

4 计算设置

4.1 控制方程

该地涵工程水流流动区域三维数值模拟采用三维雷诺时均N-S方程来描述其不可压缩湍流流动，方程式如下:

连续性方程：

雷诺时均N-S方程：

式中：ρ流体密度；t为时间；ui(i=x，y，z)为速度沿i方向的分量；p为压力；v为流体的运动黏性系数。

4.2 可实现k-e模型方程

计算湍流模型选择realizable k-e方程，对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离、强流线弯曲、漩涡和旋转、二次流有很好的表现。

4.3 边界条件设置

进口设置为速度进口；出口设置为自由出流，水流与空气接触面为刚盖假定，其余壁面均设为无滑移壁面条件，设定参考大气压力为1atm。所有边壁均设为无滑移壁面；迭代残差值为5×10-4。

5 结果分析

计算工况考虑极限工况，即上洞首闸门关闭，从第二节洞身进水口引水满足区域调水需求。徐洪河规划3级航道，最高通航水位22.50 m，最低通航水位18.50 m，在最低、最高通航水位之间满足调水流量。地涵流量计算依据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL 482-2011)附录C有关公式[3]，地涵最大计算流量为99 m3/s，实际最大流量为68 m3/s。第二节洞身进水口引水流量按实际通过流量，即极限工况流量分别为46.8和68 m3/s。

5.1 计算工况一

当上洞首闸门关闭，第二节洞身进水口引水，水位20.87 m,流量46.8 m3/s，即为计算工况一。计算工况一结果云图见图4。

第二节洞身引水口两侧挡墙外出现范围较小的回流区，引水口内出现较大的高强度回流，回流流速在0.4 m/s以内，较大的高强度回流会影响引水口进水流量。主河道流态较为平顺，河道内无回流等不良流态，引水口两侧5倍水面宽长度内主流流速范围在0.4～0.6 m/s，不超过三级航道过船纵向流速上限2.0 m/s。横向流速分布，引水口内分布范围在0.2～0.8 m/s；主河道分布范围在0～0.2 m/s，小于三级航道横向流速上限0.3 m/s。

5.2 计算工况二

当上洞首闸门关闭，第二节洞身进水口引水，水位20.92 m,流量68 m3/s，即为计算工况二。计算工况二结果云图见图5。

图5 计算工况二结果云图

引水口两侧挡墙外出现范围较小的回流区，引水口内出现较大的高强度回流，回流流速在0.6 m/s以内。主河道流态较为平顺，河道内无回流等不良流态，引水口两侧5倍水面宽长度内主流流速范围在0.4～0.6 m/s，不超过三级航道过船纵向流速上限2.0 m/s。横向流速分布，引水口内分布范围在0.2～1.2 m/s；主河道分布范围在0～0.2 m/s，小于三级航道横向流速上限0.3 m/s。

综上所述，主河道流态较为平顺，河道内无回流等不良流态，主流流速大小不超过三级航道过船纵向流速上限2.0 m/s，横向流速小于三级航道横向流速上限0.3 m/s，不影响三级航道船舶行驶安全。

6 结 语

通过数值模拟，分析了主河道岸边设置引水口后三级航道流态、流速分布，结论如下：

1) 主河道流态较为平顺，河道内无回流等不良流态，主流流速大小不超过三级航道过船纵向流速上限2.0 m/s。

2) 主河道横向流速分布小于三级航道横向流速上限0.3 m/s。

3) 主河道岸边设置引水口后不影响三级航道船舶行驶安全。