江学志

(上海水务建设工程有限公司,上海 200082)

0 引 言

近年来,随着数值模拟技术的不断发展,越来越多的研究开始运用数值模拟技术,对箱涵出水口的通航影响进行研究。如何准确地模拟箱涵出水口的水流特性,是当前研究的热点之一。在国内的研究中,李炳洁等人在2016年通过数值模拟的方法研究了不同类型箱涵出口的水流特性,分析了不同类型的箱涵出口对航道的影响,并提出了相应的改进方案[1]。陈波等人在2019年研究了箱涵出水口的流量特性及对航道安全的影响,通过实测和数值模拟的方法对箱涵出水口进行研究,并得出了箱涵出水口对航道安全的影响规律[2]。此外,还有一些研究集中在箱涵出水口的可视化研究上,如周昕、刘琨、王峥等人在2017年研究了不同形式的箱涵出水口的水流动态,并给出了可视化表达。这些研究成果对于探讨箱涵出水口的通航影响及针对措施具有重要的理论和实际价值[3-4]。此外,近年来,随着经济的快速发展,水上交通的发展也日益壮大,箱涵出水口的通航安全问题也愈加重要[5-6]。近年来,发生了一系列因箱涵出水口问题引起的交通事故,如2018年6月1日,位于浙江省余姚市的黄浦江大桥,因箱涵出水口问题,造成交通事故,严重影响了当地交通的畅通。因此,对于研究箱涵出水口的通航影响及针对措施,具有重要的现实意义和紧迫性。

总之,文章旨在通过对箱涵出水口的实测和数值模拟,研究不同形式的箱涵出水口对航道通航的影响,并提出相应的针对性措施。该研究对于完善箱涵出水口的设计和实际应用,提高水上交通的安全性和畅通性具有重要的理论和实际意义。

1 箱涵出水口的水流特性分析

1.1 箱涵出水口与排水渠道之间的连通方式对水流特性的影响

在设计箱涵出水口时,需要考虑与排水渠道之间的连通方式。不同的连通方式会对水流特性产生影响。一般来说,箱涵出水口的水流需要进入排水渠道,通过排水渠道将水流迅速引导到下游。常用的连通方式有侧壁直接接入、隧洞式接入和倒角式接入。其中,侧壁直接接入和隧洞式接入的连通方式会对水流速度产生影响,倒角式接入则对水流的流向和分布产生影响。 对于侧壁直接接入的连通方式,排水渠道靠近侧壁,水流直接撞击排水渠道的壁面,产生较大的水流速度。这会对排水渠道的稳定性产生不利影响,容易造成冲刷。因此,在设计时需要增加横向长度,增大渠宽,减小水流速度。隧洞式接入则是将箱涵出水口和排水隧洞直接相连,水流可以在隧洞内自由流动。这种方式可以减小水流速度,提高排水效率,但相应的隧洞也需要在设计时充分考虑。倒角式接入则是通过将侧壁倒角,使水流在进入排水渠道前先产生转向,以减小水流速度。但需要注意的是,倒角过程中容易产生涡流和旋涡,需要在设计中充分考虑。

1.2 水流速度的计算和影响因素

箱涵出水口的水流速度是箱涵设计和施工的另一个重要问题。水流速度的过高或过低都会对箱涵的稳定性和使用寿命产生不利影响。水流速度的计算需要考虑以下因素:流量、断面积、断面形状、槽道坡度、摩擦阻力等。通常,可以采用曼宁公式或雷诺公式进行水流速度的计算。其中,曼宁公式适用于水流比较稳定的情况,是计算水流速度的较为常用方法。对于复杂情况,可以使用雷诺公式进行计算。 水流速度的影响因素较多。其中,流量是影响水流速度的关键因素。流量越大,水流速度越快。同时,断面积和断面形状也会对水流速度产生影响。相同流量情况下,断面积越大,水流速度越慢;断面形状也会对水流速度产生影响,一般来说,圆形截面的水流速度相对较慢。槽道坡度也是影响水流速度的重要因素。在箱涵出水口设计时,需要根据槽道坡度和水流速度进行合理配合,防止水流速度过高导致冲刷和水流失控。

1.3 水流速度的控制方法

水流速度的控制是箱涵设计和施工过程中的重要问题。水流速度的过高或过低都会对箱涵的稳定性和使用寿命产生不利影响。常用的水流速度控制方法有增加横向长度、加装限速板、加设消能池和采用双级出口等,见表1。

表1 箱涵出水口优化措施的对比

1.3.1 增加横向长度

增加横向长度是一种常用的水流速度控制方法。该方法通过增加箱涵的长度,降低水流速度,使水流能够平稳地进入下游排水渠道。但是,在实际应用中,增加横向长度对土地占用和工程造价都会产生一定的影响,需要综合考虑。

1.3.2 加装限速板

加装限速板是一种简单且有效的水流速度控制方法。该方法通过在箱涵出水口前加装限速板,使水流通过狭窄的限速通道,从而控制水流速度。限速板可以采用混凝土或钢板等材料制成,具有耐用性好、施工方便等优点。但是,加装限速板也会增加维护成本和设计成本等问题。

1.3.3 加设消能池

加设消能池是一种较为常用的水流速度控制方法。该方法在箱涵出水口前设置消能池,使水流在消能池中减缓速度,降低水流冲击力和剪切力。消能池可以采用混凝土或钢板等材料制成,具有操作简便、效果显著的优点。但是,消能池也会增加工程造价和维护成本等问题。

1.3.4 采用双级出口

采用双级出口是一种较为先进的水流速度控制方法。该方法通过在箱涵出水口设置双级出口,将水流分为两个阶段排出,从而减缓水流速度和降低水流冲击力和剪切力。双级出口的设计需要考虑水流量、断面形状、坡度等因素,并进行合理的计算和模拟。但是,采用双级出口也会增加工程造价和施工难度等问题。

2 箱涵出水口对通航的影响与优化措施

2.1 箱涵出水口对通航的影响

不同的优化方案对航道通行的影响也不尽相同。例如,增加横向长度或加设消能池均会减少航道宽度或深度,限速板易造成水流混乱和堵塞,双级出口则需要更大的航道转弯半径。因此,在具体优化方案的选择和实施中,应综合考虑航道通航安全和经济效益两个方面。对于不同的航道类型和水文地理条件,应采用不同的优化措施进行箱涵出水口的设计和施工。

在进行箱涵出水口优化设计的同时,还应注重实施后的监测和维护。尽管采用了各种水流速度控制方法,但在使用中仍会出现水流速度过高或过低的情况。为此,应定期对箱涵出水口进行检查和维护,及时清理限速板和消能池等设施,并对是否需要调整优化方案进行评估。对于已实施的优化措施,应定期进行监测和评估,及时发现问题并引入改进措施,以确保箱涵出水口的稳定性和通航安全。

2.2 箱涵出水口的优化设计

针对不同的流量、水位条件下,本研究将探究如何优化箱涵出水口的设计,降低水流速度对通航的影响,提高箱涵出水口的通航性能。具体而言,本研究将通过理论分析、数值模拟和现场试验的方式,探究优化设计的措施。例如,通过增加横向长度、加装限速板、加设消能池、采用双级出口等方式,降低箱涵出水口的水流速度,减少对通航的影响。同时,在理论分析和数值模拟的基础上,通过现场试验得到最优解,并完善箱涵设计和施工的标准,提高箱涵的使用寿命。

2.3 箱涵出水口的优化措施

本研究将探究箱涵出水口的优化措施,通过对箱涵出水口的分析和对比试验,比如增加横向长度、加装限速板、加设消能池、采用双级出口等方式,探究如何降低箱涵出水口的水流速度对通航的影响,并提高箱涵的使用寿命(表2)。同时,本研究将结合理论分析、数值模拟和现场试验的结果,深入分析和探究优化措施的有效性和适用性,为箱涵出水口的设计和施工提供科学依据。

表2 箱涵出水口优化措施及其预期效果

以上优化措施均可针对不同情况和不同的箱涵设计进行选择和实施。在实验和模拟的基础上,本研究将综合考虑各种因素的影响,提出针对性的优化方案。同时,本研究还将对优化措施的成本、使用寿命等因素进行综合分析,得出最优方案,为箱涵出水口的设计和施工提供科学依据和实用价值。

3 海门市日新路及宏伟路两处雨水泵站出水箱涵

3.1 项目概况

海门市日新路及宏伟路附近设置了两处雨水泵站,用于在降雨期间将收集处理的初期雨水排放到海门河。宏伟路泵站排放设计流量为14.5m3/s,日新路泵站排放设计流量为14.7m3/s。海门河为七级限制性内河航道,与排放流量同量级,因此需要评估排放对航道安全的影响。海门河全河段水闸控制,最高通航水位2.51m,最低通航水位1.22m,常水位1.88m。代表船舶包括长度19m、型宽4.5m、吃水深度1.2m的驳船,以及长度25m、型宽5.5m、吃水深度1.2m的货船。本次评估遵循相关技术规程和标准要求。通过现场测量获得了海门河典型断面形状、水深和流量数据,其中在水位1.9m时测得流量为20.61m3/s。根据测量数据,建立了不同水位条件下的流量-水位关系。这为后续建立数学模型提供了基础数据。

3.2 计算参数

海门河水位控制条件下,可以设置不同的计算工况组合来模拟雨水泵站的影响。主要考虑3个因素:

3.2.1 海门河水位

分别设置最高通航水位2.51m、常水位1.88m和最低通航水位1.22m三种情况。

3.2.2 海门河流速

平时海门河流速极低,可近似为零。

3.2.3 雨水泵站排放流量

宏伟路排放设计流量14.5m3/s,日新路排放设计流量14.7m3/s。分别设置不同水位下按设计流量的100%、70%和30%情况。综合上述因素,本研究模拟了以下计算工况组合:

1)最高通航水位,河道静止水,设计流量100%。

2)最高通航水位,平均流速0.27m/s,设计流量100%。

3)常水位,河道静止水,设计流量70%。

4)常水位,平均流速0.24m/s,设计流量70%。

5)最低通航水位,河道静止水,设计流量30%。

6)最低通航水位,平均流速0.2m/s,设计流量30%。

3.3 控制方程和数学模型

1)流体控制方程:采用不可压缩流体的连续性方程和纳维-斯托克斯(N-S)方程。

2)建立RNG k-ε紊流模型。

3)VOF自由水面跟踪:计算区域内的流动受到边界条件影响,因而边界条件设置不合理会引起计算发散,提供符合物理实际、适定的边界条件是获得良好模拟结果的必要前提。排口箱涵设置为速度进口,海门河进口断面设置设置为压力进口,下游出口边界采用压力出口,压力进出口边界分别设置水位高程和压强分布。

上述3个方程互相耦合,组成了模拟水动力问题的数学模型。连续性方程表达质量守恒;N-S方程表达动量守恒;RNG模型闭合求解;VOF模型求解自由水面。三者共同模拟流体的运动状态。

3.4 计算结果分析

1)排水口的影响范围比较局限:报告结果表明,宏伟路和日新路两处排水口对海门河流场的影响较为局限,主要集中在排水口附近区域。模拟结果显示,排水口附近会形成直径约30～40m的旋涡。这表明排放的动能能够在局部区域形成较显著的扰动,但很快衰减。

2)对航迹带影响较小:研究计算了不同工况下沿航迹带的横向流速分布。除最低水位时宏伟路排水口局部超过0.3m/s的情况外,在航行区域内的横向流速影响较小。这表明正常水位条件下,排水口不会对通航造成明显影响。

3)个别情况下会产生河床冲刷:计算结果显示,在特定条件下,排水口会导致对岸河床产生一定的冲刷效应。部分情况下的河床横向流速已达到淤泥的启动临界流速。这表明需采取一定的河床防护措施。

4)计算了最大横流条件下的船舶作用力:研究基于规范计算了最大横流条件下船舶承受的水动力,为评估通航安全提供依据。

5)提出了具体的设计优化建议:根据计算结果,研究提出了观测旋涡效应、控制横向流速、做好河床防护等具体的工程优化建议。这对排水口的设计与运维提供了指导。

综上所述,该研究较全面地分析了排水口的水动力效应,评估了对通航的影响,并提出了具有可实施性的建议,具有一定的工程应用价值。

4 结 论

以上提到的箱涵出水口优化措施在实践应用中都有一定的局限性和可操作性。在具体的工程实践中,需要根据实际情况综合考虑各种因素,例如水文地理条件、航道规划、成本效益等,灵活选择合适的优化方案。此外,在工程实践中还应注意实施后对航道通行的影响进行监测和评估,及时调整和优化方案,确保航道的安全和畅通。通过采用三维数值模拟方法研究内河航道排水口的水动力效应,得出以下结论:

1)排水口的水动力影响是局部的,主要体现在排水口附近,会形成直径30～40m的旋涡。

2)在不同的水位和流量条件下,排水口对内河航道的影响各有不同。但大部分情况下,排水口对航迹带的横向流速影响较小。

3)排水口会导致对岸局部河床产生冲刷。个别情况下横向流速超过淤泥的启动临界流速。

4)根据规范计算,在最大横向流速条件下,驳船所受的水流力为7.02kN。提出了防护河床、观测旋涡、控制横向流速等具体的工程建议。

对箱涵出水口对通航影响进行评估时,需要考虑各种因素,例如航道宽度、深度、水流速度、导航标志等。在设计箱涵出水口时,需要充分考虑这些因素,确保船只在航行过程中能够安全通过出水口,避免搁浅、碰撞等事故的发生。此外,还需要考虑到箱涵出水口对航行的影响,例如水流的变化、水深的变化等,及时进行标志和疏导,确保船只能够安全通过出水口。

在针对箱涵出水口通航影响的措施方面,需要考虑到以下4个方面:

1)航道设计:在设计航道时,需要考虑到出水口的位置、方向等因素,确保船只可以安全通过出水口,并且避免出现水深不足的情况。

2)疏导标志:在出水口附近设置疏导标志,引导船只安全通过出水口,并且提醒船只注意水流的变化。

3)监测和预警:在出水口附近设置监测设备,及时监测水流、水位、水深等数据,对可能影响航行的情况进行预警。

4)维护保养:定期对出水口进行维护保养,确保其正常运行,并及时清理水草、浮垃圾等对航行的影响。

箱涵作为水上交通建设领域的重要设施,其出水口的设计和施工都对航道的通航安全和效率产生重大影响。在实践中,优化箱涵出水口的设计可以大大提高航道的实用性和通航安全性。在工程实践中,需要根据实际情况综合考虑各种因素,灵活选择合适的优化方案,并对其实施后进行监测和评估,及时进行调整和优化。只有这样,才能确保箱涵出水口对通航的影响能够最大程度地减小,航道的安全和畅通得到有效保障。