趙泱軍，蘇葉平，丁 浩，2，王振華，楊天立，楊 帆

（1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

0 引 言

船閘引航道口門(mén)區(qū)位于河流動(dòng)水與引航道靜水的交界處，上游口門(mén)特征為河道斷面由寬變窄，下游口門(mén)特征為河道斷面由窄變寬，易形成斜流，其水流條件是船舶、船隊(duì)安全暢通過(guò)擋水建筑物滿(mǎn)足航運(yùn)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，諸多學(xué)者對(duì)引航道口門(mén)區(qū)開(kāi)展了不少的研究工作，主要研究手段為物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。如：顏志慶等［1］通過(guò)物理模型試驗(yàn)分析了犬木塘樞紐壩址門(mén)口區(qū)的水流特征，明確了通過(guò)上游航線(xiàn)的調(diào)整、隔流墻及菱形墩的布置等技術(shù)措施，可顯著減小口門(mén)區(qū)縱橫向流速和回流流速，有效改善通航水流條件；李壽千等［2］采用物理模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了江蘇省界牌水利樞紐水動(dòng)力條件及存在問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出了感潮河段支流口門(mén)樞紐布置方法研究；余凱等［3］通過(guò)模型試驗(yàn)研究了贛江井岡山航電樞紐船閘下游口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件，提出了縮短隔流墻并增設(shè)透水段的技術(shù)方案，能較好地解決口門(mén)區(qū)橫向流速、回流較大等問(wèn)題。王建平等［4］提出了將工程措施前置上移，構(gòu)建口門(mén)緩流區(qū)并輔以局部工程措施的技術(shù)方案以改善彎曲河道船閘口門(mén)區(qū)水流條件較差、難以滿(mǎn)足船舶安全通行要求的技術(shù)難題；葉玉康等［5］以大源渡航電樞紐二線(xiàn)船閘口門(mén)區(qū)通航水流條件模型試驗(yàn)和船模航行試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了彎曲河段口門(mén)區(qū)船舶航行的特點(diǎn)，并給出了改善口門(mén)區(qū)水流條件的技術(shù)方案。王彪等［6］通過(guò)京南水利樞紐二線(xiàn)船閘整體水工模型試驗(yàn)，分析了彎曲收縮河段多線(xiàn)船閘口門(mén)區(qū)及連接段的水流流態(tài)并提出了改善措施。祁永升等［7］基于定床正態(tài)河工物理模型對(duì)多種開(kāi)閘泄流方式及導(dǎo)流墩布置數(shù)量、間距、角度等進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，提出了常規(guī)開(kāi)閘和邊孔補(bǔ)流的泄流方式。蔡創(chuàng)等［8］在湘江近尾洲水工模型上進(jìn)行小尺度船模試驗(yàn)研究，分析了上下游航道的船舶航行情況，確定了船閘的最佳布置方式。蔣孜偉等［9］通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)分析了景洪樞紐下游引航道的流速分布情況。Gucma 等［10］提出了一種系統(tǒng)化優(yōu)化引航道參數(shù)的方法，用于安全水深下航道寬度的計(jì)算，并應(yīng)用于兩個(gè)工程實(shí)例。Yang等［11］利用口門(mén)區(qū)外局部典型時(shí)刻平面流場(chǎng)的變化、回流區(qū)的大小、出口通道的橫向流速和縱向流速，對(duì)不同方案的通航水流條件進(jìn)行了分析和比較。結(jié)果表明，擋潮閘建成后，導(dǎo)墻外主流水流的大小和方向基本不變，出港水流流態(tài)與是否建造潮汐閘門(mén)無(wú)關(guān)，建造閘門(mén)的影響主要在導(dǎo)墻頂部的水域內(nèi)。Jeremy 等［12］結(jié)合英格蘭東部斯托爾/奧威爾河口，闡述了加深引航道對(duì)水流條件的改善作用。Wang 等［13］通過(guò)物理模型試驗(yàn)和遙控航船模型相結(jié)合，研究了它們?cè)诟鞣N流速下航行的流動(dòng)條件，并通過(guò)下游導(dǎo)流區(qū)的拆除、側(cè)灘的疏浚、通航墻布置的改變，提出了滿(mǎn)足通航要求的最優(yōu)方案。

船閘口門(mén)區(qū)通航水流條件中橫向流速指標(biāo)是衡量船舶能否安全進(jìn)出引航道口門(mén)區(qū)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，為明確馬甸樞紐船閘口門(mén)區(qū)的水流條件是否滿(mǎn)足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》的要求，本文采用二維數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算馬甸樞紐船閘不同運(yùn)行工況下的上、下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出相應(yīng)的措施和運(yùn)行調(diào)度方案，對(duì)確保船舶安全快速過(guò)閘提供了一定參考。

1 工程概況

泰興市馬甸水利樞紐位于泰興市濱江鎮(zhèn)馬甸社區(qū)古馬干河上，距古馬干河入江口約5.2 km，是通南三泰排水區(qū)重要的引排口門(mén)。馬甸水利樞紐由1 座泵站、1 座船閘和1 座節(jié)制閘組成，如圖1所示。船閘下、下閘首均采用鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu)，閘室采用整體塢式結(jié)構(gòu)，船閘的下閘首為兼有擋洪作用，為2 級(jí)水工建筑物，上閘首及閘室不直接關(guān)系到防洪作用，為3 級(jí)水工建筑物。工作閘門(mén)采用鋼質(zhì)三角門(mén)，液壓直推式啟閉機(jī)啟閉，廊道閥門(mén)為鋼質(zhì)平板門(mén)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。

圖1 馬甸水利樞紐的平面布置圖Fig.1 Plane layout of Madian hydro-junction

考慮到工程完工后，泵站引水、節(jié)制閘排澇或引水時(shí)可能對(duì)船閘引航道及口門(mén)區(qū)通航水流條件產(chǎn)生影響，因此，本項(xiàng)目采用二維數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算不同運(yùn)行工況下的上、下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出有利于船舶安全停泊和航行的措施和運(yùn)行調(diào)度方案。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

針對(duì)馬甸水利樞紐的布置特點(diǎn)，充分考慮泵站及節(jié)制閘運(yùn)行對(duì)船閘引航道口門(mén)區(qū)的影響，建立了馬甸船閘引航道口門(mén)區(qū)水流條件計(jì)算模型，計(jì)算范圍為馬甸水利樞紐上、下游河道共2.2 km 的區(qū)域，如圖2 所示。計(jì)算網(wǎng)格采用能適應(yīng)復(fù)雜邊界水體流動(dòng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在樞紐局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，近固面邊界區(qū)域因分子黏性較大，雷諾數(shù)較低，為避免在壁面處加密網(wǎng)格，對(duì)固體邊界采用滑移邊界條件處理，邊界區(qū)域的網(wǎng)格均為三角形網(wǎng)格，單元邊長(zhǎng)取0.5～1.5 m，上游引航道計(jì)算模型網(wǎng)格單元數(shù)量為11.3 萬(wàn)個(gè)，下游引航道計(jì)算網(wǎng)格單元數(shù)量為10.7 萬(wàn)個(gè)。

圖2 馬甸樞紐引航道計(jì)算模型網(wǎng)格圖Fig.2 Grid diagram of approach channel calculation model of Madian hub

2.2 計(jì)算方法與參數(shù)

SMS（Surface grater Modeling System）水動(dòng)力學(xué)軟件是美國(guó)Brigham 大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室（EMRL）和美國(guó)陸軍水道實(shí)驗(yàn)站（USACE-WES）開(kāi)發(fā)的，該軟件能很好地模擬和分析地表水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律［14-16］，馬甸水利樞紐引航道口門(mén)區(qū)的水流模擬采用SMS 軟件中的RMA2 模塊，該模塊主要用于沿水深平均的二維水動(dòng)力計(jì)算，在平面二維水動(dòng)力數(shù)值模擬中控制方程是將三維流動(dòng)基本方程沿水深積分后平均而得，模型利用流體動(dòng)力學(xué)有限單元法計(jì)算基本方程的數(shù)值解，其求解過(guò)程分為3部分：將控制方程分別在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散，其中時(shí)間離散采用差分法，空間離散采用有限單元法；通過(guò)伽遼金加權(quán)余量法把控制方程從偏微分方程組轉(zhuǎn)變成代數(shù)方程組；根據(jù)給定的初始條件和邊界條件求解代數(shù)方程組，得到方程組的數(shù)值解。

為解決傳統(tǒng)干濕法水量平衡和計(jì)算精度的問(wèn)題，借鑒文獻(xiàn)［17］中動(dòng)邊界的處理方法，陸地采用干濕法做動(dòng)邊界處理，當(dāng)水深減小至小于0.1 m 時(shí)定義為干邊界，作陸域處理，當(dāng)水深增大至0.3 m 時(shí)定義為水域，在0.1～0.3 m 間區(qū)域定義為灘地。上游引航道口門(mén)區(qū)水流條件計(jì)算時(shí)，模型上游采用水位邊界，節(jié)制閘和泵站采用流量邊界；下游引航道口門(mén)水流條件計(jì)算時(shí)，模型下游采用水位邊界，節(jié)制閘和泵站采用流量邊界，計(jì)算區(qū)域的主河道糙率采用0.022 5～0.025，灘地糙率為0.035～0.035，引航道局部小范圍的糙率采用0.022 5，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)采用0.001 h。數(shù)值計(jì)算中不考慮船閘自身的運(yùn)行情況，僅計(jì)算不同引水或排澇運(yùn)行校核工況時(shí)節(jié)制閘和泵站對(duì)引航道口門(mén)區(qū)水流條件的影響，計(jì)算工況計(jì)算如表1 所示，其中：節(jié)制閘排澇校核工況時(shí)上游為汛期排澇水位，下游為長(zhǎng)江多年平均最低潮位；節(jié)制閘引水校核工況時(shí)上游為灌溉期正常水位，下游為長(zhǎng)江多年平均高潮位；泵站引水工況時(shí)上游為最低通航水位，下游為泵站運(yùn)行最低水位。

表1 不同工況計(jì)算參數(shù)表Tab.1 Calculation parameter table for different working conditions

3 上游引航道口門(mén)區(qū)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 節(jié)制閘運(yùn)行工況

為了分析節(jié)制閘排澇或引水校核工況時(shí)引航道口門(mén)區(qū)的流速分布，在航道口門(mén)區(qū)4 個(gè)橫斷面布置了20 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為UK1～UK20，如圖3（a）所示。在工況1 節(jié)制閘排澇校核工況時(shí)，上游引航道口門(mén)的各測(cè)點(diǎn)速度如圖3（b）所示，圖3（b）、3（c）中v為合速度，vz為縱向流速，vt為橫向流速，各測(cè)點(diǎn)最大縱為0.343 m/s、最大橫向流速為0.154 m/s，均滿(mǎn)足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對(duì)Ⅴ級(jí)航道的船閘引航道口門(mén)區(qū)流速的要求。在工況2 節(jié)制閘引水校核工況時(shí)，上游引航道口門(mén)的各測(cè)點(diǎn)速度如圖3（c）所示，節(jié)制閘引水流量較大、且上游河道水位1.70 m 相對(duì)較低，口門(mén)區(qū)測(cè)點(diǎn)UK1、UK6、UK11、UK16 的橫向流速較大，分別為0.335、0.425、0.412 和0.365 m/s，均超過(guò)了《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》規(guī)定的Ⅴ級(jí)航道船閘引航道口門(mén)區(qū)橫向流速上限值。工況1 和工況2 時(shí)上游引航道口門(mén)區(qū)速度等值線(xiàn)如圖4所示，上游引航道口門(mén)流態(tài)較好，未見(jiàn)大范圍的回流區(qū)，設(shè)計(jì)航寬范圍內(nèi)主流基本沿航線(xiàn)方向。

圖3 上游引航道口門(mén)區(qū)各測(cè)點(diǎn)布置及速度分布（節(jié)制閘運(yùn)行）Fig.3 Layout and velocity distribution of each measuring point in the entrance area of upstream approach channel（control gate operation）

圖4 上游引航道口門(mén)區(qū)速度等值線(xiàn)圖（節(jié)制閘運(yùn)行，單位：m/s）Fig.4 Velocity contour map of upstream approach channel entrance area（control gate operation）

在工況1 時(shí)，各特征斷面的縱向流速和橫向流速均由隔島向河道右岸呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，未出現(xiàn)回流現(xiàn)象；在工況2時(shí)，各斷面的縱向流速均又隔島向河道右岸呈逐漸減小的趨勢(shì)，橫向流速的分布成相反趨勢(shì)，橫向流速呈與主流方向相反，但未形成大尺寸范圍的回流。

3.2 泵站運(yùn)行工況

馬甸樞紐中泵站緊鄰船閘的右岸布置，且船閘引航道在泵站一側(cè)為開(kāi)敞式，無(wú)隔流措施，在泵站運(yùn)行時(shí)易對(duì)船閘引航道口門(mén)區(qū)產(chǎn)生影響，為分析泵站運(yùn)行時(shí)船閘引航道口門(mén)區(qū)流態(tài)及流速，結(jié)合設(shè)計(jì)航線(xiàn)，在上游引航道口門(mén)區(qū)設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5（a）所示。在節(jié)制閘不引水、泵站引水流量60 m3/s時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度如圖5（b）所示，圖5（b）中v為合速度，vz為縱向流速，vt為橫向流速?？陂T(mén)區(qū)各測(cè)點(diǎn)最大縱向流速為0.289 m/s，最大橫向流速為0.03 m/s，均滿(mǎn)足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對(duì)Ⅴ級(jí)航道的船閘引航道口門(mén)區(qū)流速的要求。由圖6 可知，上游引航道靠近泵站側(cè)的隔水墻下游存在部分斜向水流，隔水墻距離越大的區(qū)域縱向流速增大，但橫向流速逐漸減小。

圖5 上游引航道口門(mén)區(qū)各測(cè)點(diǎn)布置及速度分布（泵站運(yùn)行）Fig.5 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of upstream approach channel（pump station operation）

圖6 上游引航道口門(mén)區(qū)速度等值線(xiàn)圖（泵站運(yùn)行，單位：m/s）Fig.6 Velocity contour map of upstream approach channel entrance area（pumping station operation）

4 下游引航道口門(mén)區(qū)計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 節(jié)制閘運(yùn)行工況

節(jié)制閘排澇或引水運(yùn)行時(shí)，水流同樣會(huì)對(duì)下游引航道口門(mén)區(qū)產(chǎn)生影響，若口門(mén)區(qū)橫向流速過(guò)大，也會(huì)對(duì)過(guò)閘船舶航行安全產(chǎn)生影響，為明確下游引航道口門(mén)區(qū)的速度分布特征，在下游口門(mén)區(qū)的4 個(gè)橫斷面共布置了20 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)橫斷面設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖7（a）所示。節(jié)制閘各工況運(yùn)行時(shí)，下游引航道口門(mén)的速度分布如圖7（b）和圖7（c）所示，圖中v為合速度，vz為縱向流速，vt為橫向流速。在工況1 節(jié)制閘排澇校核工況時(shí)，下游水位為1.10 m，口門(mén)區(qū)測(cè)點(diǎn)11 和測(cè)點(diǎn)16 的橫向流速分別為0.286 和0.352 m/s，均超過(guò)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對(duì)Ⅴ級(jí)航道的船閘引航道口門(mén)區(qū)橫向流速上限值0.25 m/s的要求。工況2 節(jié)制閘引水校核工況時(shí)，口門(mén)區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的流速不大，最大縱向流速為0.286 m/s，最大橫向流速為0.13 m/s，均滿(mǎn)足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對(duì)Ⅴ級(jí)航道的船閘引航道口門(mén)區(qū)流速的要求。兩個(gè)工況的下游引航道口門(mén)區(qū)的速度等值線(xiàn)如圖8 所示，工況1 時(shí)，各特征斷面的縱向流速和橫向流速分布均未呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律；工況2時(shí)，各特征斷面的主要測(cè)點(diǎn)的縱向流速和橫向流速分布均呈相同的分布規(guī)律，由隔島側(cè)向左岸側(cè)速度逐漸減小，節(jié)制閘排澇校核工況和引水校核工況時(shí)下游引航道口門(mén)區(qū)均未見(jiàn)明顯回流。

圖7 下游引航道口門(mén)區(qū)各測(cè)點(diǎn)布置及速度分布（節(jié)制閘運(yùn)行）Fig.7 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of downstream approach channel（control gate operation）

4.2 泵站運(yùn)行工況

在下游引航道口門(mén)區(qū)設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共35個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖9（a）所示，因泵站與船閘位于同側(cè)布置，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置相比節(jié)制閘運(yùn)行時(shí)位置有所前移。在工況3泵站引水時(shí)，泵站引水流量為60 m3/s，下游河道水位為最低通航水位0 m，口門(mén)區(qū)各測(cè)點(diǎn)的速度分布如圖8（b）所示?？陂T(mén)區(qū)各測(cè)點(diǎn)最大縱向流速為0.336 m/s，最大橫向流速為0.086 m/s，均滿(mǎn)足《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ305-2001）》對(duì)Ⅴ級(jí)航道的船閘引航道口門(mén)區(qū)流速的要求。工況3 時(shí)，下游引航道口門(mén)區(qū)流態(tài)較好，未見(jiàn)明顯回流區(qū)，設(shè)計(jì)航寬范圍內(nèi)主流基本沿航線(xiàn)方向，如圖10所示。

圖8 下游引航道口門(mén)區(qū)速度等值線(xiàn)圖（節(jié)制閘運(yùn)行，單位：m/s）Fig.8 Velocity contour map of downstream approach channel entrance area（control gate operation）

圖9 下游引航道口門(mén)區(qū)各測(cè)點(diǎn)布置及速度分布（泵站運(yùn)行）Fig.9 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of downstream approach channel（pumping station operation）

圖10 下游引航道口門(mén)區(qū)各測(cè)點(diǎn)布置及速度分布（泵站運(yùn)行，單位：m/s）Fig.10 Layout and velocity distribution of each measuring point in the entrance area of downstream approach channel（pumping station operation）

5 結(jié) 論

馬甸樞紐工程主要建筑物有節(jié)制閘、船閘和引水泵站，針對(duì)工程完工后，泵站引水、節(jié)制閘排澇或引水時(shí)可能對(duì)船閘引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件產(chǎn)生影響，數(shù)值分析了3 種不同運(yùn)行工況時(shí)上、下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件，對(duì)確保船舶安全快速過(guò)閘有著十分重要的意義，主要結(jié)論如下。

（1）在馬甸樞紐工程中，節(jié)制閘排澇校核工況時(shí)，船閘上引航道口門(mén)區(qū)水流條件均較好，但在節(jié)制閘引水校核工況時(shí)，上游引航道口門(mén)區(qū)局部范圍橫向流速不滿(mǎn)足要求。在節(jié)制閘引水校核工況和泵站引水工況時(shí)，船閘下游引航道的口門(mén)區(qū)水流條件較好，但在節(jié)制閘排澇校核工況時(shí)，下游河道水位較低，口門(mén)區(qū)局部范圍橫向流速較大，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）在泵站引水工況時(shí)，船閘上、下游引航道靠近泵站側(cè)的隔水墻末端附近均存在部分斜向水流，建議在上、下游引航道隔水墻末端增加弧立式隔流設(shè)施，以便馬甸樞紐船閘更好地運(yùn)行。