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浍河南坪船闸引航道流场数值模拟研究

2022-04-01张子浩

治淮 2022年3期
关键词:船闸步长航道

张子浩

(安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室 蚌埠 233000)

1 工程概况

浍河位于淮河左岸,是淮河较大支流之一。上游发源于河南省商丘境内,流经夏邑,永城至张瓦房进入安徽省濉溪县临涣、南坪,经宿州市蕲县,于固镇县九湾镇汇入香涧湖,再经五河县城西南汇入淮河。自临涣至五河,全长约171km。

浍河南坪船闸位于淮北市濉溪县南坪镇,南坪节制闸处,上距临涣闸30.5km,下距蕲县闸18km。南坪船闸布置在节制闸左侧88.5m 处,S305 公路桥从上导航墙通过。船闸上下闸首顺水流向长度均26m,闸室段200m,上下游主导航墙长度均为50m,采用反对称布置,闸首口门及闸室净宽均为23m,为单级船闸。南坪船闸建成后,临涣闸以下段航道将全面通航,可较大缓解淮北市交通运输压力,促进当地经济发展和已建工程经济效益发挥。

2 模型建立

针对南坪船闸河道特点,采用建立在三角形网格上的专业二维模型MIKE21FM 进行模拟计算,该模型具有边界适应性好,计算速度快、考虑水动力条件全面等特点,并在长江口深水航道治理、淮河干流刘台子航段裁弯等多个工程得到应用,取得较好效果,为解决航道整治中遇到的水流问题提供了有力的技术支撑。

2.1 水流方程

模型的水流运动方程为基于Boussinesq 假定和静水压力假定的垂向平均不可压缩流体雷诺平均Navier-Stokes 方程。

2.1.1 连续方程

2.1.2 x 方向动量方程

2.1.3 y 方向动量方程

式中:x,y 为笛卡尔坐标系坐标;t 为时间;η 为水位;d 为静止水深;h=η+d 为总水深;u、v分别为x、y 方向上的速度分量,字母上带横杠是平均值,例如为沿水深平均的流速,由以下公式定义:f 是柯氏力系数,f=2ωsin,ω 为地球自转角速度,为当地纬度;g为重力加速度;ρ 为水的密度;sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量;S 为源项;(us,vs)为源项水流流速。

Tij为水平粘滞应力项,包括粘性力、紊流应力和水平对流,这些量根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出:

式中:A 为系数。

粘滞应力梯度项可转换为:

式中:Ex、Ey分别为水流的涡粘系数(m2/s),可由Smagorinsky 公式计算:

式中:Δ为单元面积(m2);Cs为系数,取0.25~1.0。

2.2 网格划分和计算参数

根据工程河段特点,选取为浍河南坪闸上游3km 至南坪港下游1km 全长约4km 河道构建水动力模型计水沙数学模型。二维模型采用三角形网格,网格分为三级步长,即总体网格步长为20m;闸室附近网格步长1~2m;闸上、下游1km 范围内为过渡性网格,步长为2~10m。网格数量24201 个,节点数量10003。

时间步长:最小时间步长0.01s。

糙率:根据《安徽省包浍河初步治理工程报告》,该段河道主槽糙率为0.022~0.024,河道滩地糙率为0.036~0.04。

紊动黏性系数:采用Smagorinsky 公式确定,本文取0.28。

2.3 计算控制条件

地形选择:采用2014年实测地形图资料,1954北京坐标系,1985 国家高程标准。

计算工况:根据船闸引航道设计标准和浍河水文条件,选取3 组典型工况进行计算分析。具体工况选择见表1。

表1 模型计算工况表

3 计算结果分析

3.1 上游引航道

上游引航道与浍河交汇处流场见图1。10年一遇洪水工况,上引航道内最大横向流速0.27m/s,流态平顺,满足航道规范要求;5年一遇洪水工况,上引航道内最大横向流速0.28m/s,流态平顺,满足航道规范要求。

图1 南坪船闸上游引航道流场图

3.2 下游引航道

3.2.1 原设计方案

下游引航道航行区流场见图2。10年一遇洪水工况,下游引航道航行区无回流,基本无流速;引航道边坡处出现回流,回流流速0.05~0.45m,引航道与浍河交汇处航道最大横向流速0.43m/s,超出横向流速最大限值0.3m/s;5年一遇洪水工况,下游引航道航行区无回流,基本无流速;引航道边坡处出现回流,回流流速0.05~0.5m,引航道与浍河交汇处航道最大横向流速0.44m/s,超出横向流速最大限值0.3m/s;常遇大洪水工况,引航道边坡处出现回流,回来流速0.05~0.3m;引航道与浍河交汇处航道最大横向流速0.28m/s,满足航道最大横向流速要求。

图2 南坪船闸下游引航道流场图

3.2.2 优化方案

针对下游引航道航行区横向流速超出横向流速最大限值0.3m/s,根据数值模拟结果分析,主要是由于南坪船闸下游引航道与浍河主流线夹角较大,大洪水时期航道横向流速较大,导致横向流速超出规范要求。

为了减小航道横向流速,在船闸及引航道工程位置不变的情况下,对浍河河道滩地进行疏浚,使其主流线向右岸移动,可以降低引航道口门区横向流量。疏浚量6~7万m3,疏浚后浍河主流线向南移动,航道最大横向流速0.27m/s,小于规范规定最大横向流速0.3m/s,满足航道规范要求。

4 结论

根据研究河段特点,建立了浍河南坪闸上游3km 至南坪港下游1km 二维水动力数学模型,模型分析了南坪船闸引航道及南坪港流态及流速分布情况,结果表明:

(1)上游引航道:水流平顺,流态较好,航道内最大横向流速均小于规范值,满足航道规范要求。

(2)下游引航道:10年一遇和5年一遇洪水工况引航道与浍河交汇处最大横向流速均超过规范值0.3m/s,不符合内河通航标准要求。为了减小航道横向流速,在船闸及引航道工程位置不变的情况下,对浍河河道滩地进行疏浚,疏浚后各工况下航道内最大横向流速均小于规范值,满足航道规范要求■

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