周小青，孟慶博，張康樂

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

引航道作為通航建筑物重要的組成部分，是保證船舶安全停泊、船舶交錯(cuò)避讓和順利進(jìn)出閘的連接通道[1]。通航建筑物的進(jìn)出口，即船閘上、下游引航道與河流（或運(yùn)河）相連接的口門區(qū)，該區(qū)域水流一般由斜向水流和回流兩部分組成，是過閘船舶進(jìn)出引航道的咽喉[2]。

我國(guó)河流數(shù)量眾多，流域覆蓋面積廣。自然河流彎曲程度高，在河流上修建梯級(jí)水利樞紐，為使樞紐間水位滿足航運(yùn)要求并考慮各梯級(jí)間的水位銜接，一些水利樞紐不得不建在彎曲河段[3]。引航道中動(dòng)水與靜水交匯時(shí)，口門區(qū)受泄水建筑物和導(dǎo)航分水建筑物等的影響，上游口門河道斷面變窄，下游口門河道斷面放寬，河道橫斷面在收縮（上游引航道）和擴(kuò)大（下游引航道）的情況下，引航道水流會(huì)因此彎曲，又由于有些水利工程建在彎曲河段，故極易形成斜向水流。由于斜向水流會(huì)產(chǎn)生回流和分離型小旋渦，致使航行船舶產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和漂移，甚至偏離正常的航線，致使船隊(duì)沖撞岸堤或者過水建筑物而發(fā)生海事，影響通航。

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，水利工程通航建筑物總投資中引航道的投資能夠占到30%～55%[2]。所以引航道口門區(qū)的通航水流條件影響分析不僅在經(jīng)濟(jì)方面意義重大，還對(duì)保證船舶順利航行及下游航道安全有著重要的意義。

1 概 況

柳江流域橫跨黔、湘、桂三省區(qū)，地理位置為：東經(jīng)107°27′～110°34′，北緯23°41′～26°30′，發(fā)源于貴州省獨(dú)山縣南部的里納九十九灘。廣西柳江大埔水電站工程壩址控制流域面積為26 765 km2，占柳江流域總面積的45.9%，多年平均流量為797 m3/s?？値?kù)容為6.059 億m3，正常蓄水位為93.0 m，為日調(diào)節(jié)型水電站。大埔水電站是一座具有發(fā)電、航運(yùn)、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用效益的工程，為Ⅲ等工程，樞紐主要建筑物攔河閘壩、水電站廠房、通航船閘按三級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，船閘布置在河床左側(cè)，船閘等級(jí)Ⅵ級(jí)（遠(yuǎn)期Ⅴ級(jí)）。洛古水電站與大埔水電站共用大壩，具有獨(dú)立廠房，廠房設(shè)在右岸，開發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主。洛古電站裝機(jī)容量為40MW，引用流量為402 m3/s，額定水頭為11.3 m，增加發(fā)電量為10 239萬(wàn)kW·h。洛古水電站工程總布置仍維持原大埔水電站布置形式，呈“一”字形展開，從左至右依次布置為左側(cè)連接壩段、主廠房段、安裝場(chǎng)段、右側(cè)連接壩段，其中左側(cè)連接壩段下游側(cè)與原大埔安裝場(chǎng)之間布置GIS 樓。

國(guó)內(nèi)許多通航建筑物主要是船閘，由于連接段的水流條件不能滿足航行要求，給進(jìn)出口門區(qū)的船舶、船隊(duì)帶來(lái)極大的困難，致使通航建筑物無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)通航流量[4]。湖南的五強(qiáng)溪船閘，由于下游口門區(qū)航道與主流夾角較大，下泄水流斜向沖入口門區(qū)航道形成斜向水流及回流，橫流、波浪都很大，壩下通航水流條件很差，在遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)通航流量時(shí)，船舶、船隊(duì)就已停航不能過閘。

2 研究?jī)?nèi)容和方法

2.1 研究?jī)?nèi)容

為了分析對(duì)上、下游引航道口門區(qū)的通航水流條件，本文擬采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算分析論證，數(shù)值模擬的任務(wù)為：

1）分析計(jì)算確定施工導(dǎo)流期臨時(shí)航道的最大通航流量，驗(yàn)證施工圍堰的過流能力；

2）論證引航道布置的合理性；

3）對(duì)上、下游引航道口門區(qū)的通航水流條件進(jìn)行計(jì)算分析；

4）分析各流量級(jí)下，上、下游口門區(qū)通航水流條件；

5）分析計(jì)算各流量級(jí)下船閘上、下游引航道口門區(qū)及上下游橋區(qū)范圍內(nèi)的縱向流速、橫向流速和回流流速的大小及范圍。

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

2.2.1 二維模型基本原理與離散方法

二維水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程如下：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中 H——水深；

Z——水位，Z=H+B，B 為地面高程；

M 與N 分別為x 和y 方向的單寬流量；

u 和v 分別為x 和y 方向上的流速分量；

n——糙率系數(shù)；

g——重力加速度；

q——源匯項(xiàng)。

方程沒有考慮科勢(shì)力和紊動(dòng)項(xiàng)的影響。

二維淺水動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法，按數(shù)值離散基本原理的不同可以分為有限差分法、有限元法和有限體積法。其中有限差分法的應(yīng)用非常廣泛，目前模擬河道二維非恒定水流運(yùn)動(dòng)比較經(jīng)典的格式為交替方向隱格式（ADI），但是該格式采用的是連續(xù)性的數(shù)值逼近思想，在模擬強(qiáng)間斷水面的潰壩洪水和潰堤洪水容易遭到失敗。有限元法在20 世紀(jì)70 年代開始應(yīng)用到計(jì)算水力學(xué)中，并且不斷發(fā)展，由最初的普通有限元方法發(fā)展到可以計(jì)算間斷的間斷有限元法，但是對(duì)非恒定流計(jì)算時(shí)，每一時(shí)間步都要求解一個(gè)大型的線性方程，耗時(shí)較多，因而在工程應(yīng)用中受到一定限制。有限體積法是20 世紀(jì)80 年代發(fā)展起來(lái)的一種新型微分方程離散方法，結(jié)合了有限差分和有限元法的特點(diǎn)，能夠處理復(fù)雜邊界問題，同時(shí)在間斷模擬方面也有著獨(dú)特的效果，因此，近年來(lái)該方法成為淺水流動(dòng)模擬的一個(gè)主流方法。

2.2.2 模型概化及網(wǎng)格剖分

此次計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)合顯式有限差分法與有限體積法的優(yōu)點(diǎn)，劃分網(wǎng)格時(shí)可以較好地適應(yīng)地形，能夠計(jì)算河道、河堤、閘及地表不透水面積的影響。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)地形的適應(yīng)性好，網(wǎng)格的邊可以沿著擋水建筑物（堤防）、導(dǎo)水建筑（閘門）或者邊界走，使地形概化更接近實(shí)際，現(xiàn)應(yīng)用較廣。

此次網(wǎng)格剖分范圍為壩軸線至下游1.5 km 范圍內(nèi)的柳江河道，以兩岸堤防和天然高程為網(wǎng)格剖分的邊界約束條件進(jìn)行網(wǎng)格剖分。為提高模型計(jì)算效率，在保證計(jì)算精度條件下，模型計(jì)算范圍內(nèi)共剖分13 298個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格最大尺寸為120 m2，局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格尺寸為30 m2。網(wǎng)格剖分圖如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格剖分圖

3 結(jié)果與分析

本次選取最高通航流量（工況一）、多年平均流量（工況二）、洛古水電站滿發(fā)流量（工況三）和最低通航流量（工況四）共4 種工況進(jìn)行通航水流條件數(shù)值計(jì)算，特征工況見表1。

表1 洛古電站通航水流條件計(jì)算特征工況

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139-2014）規(guī)定：航道直線段寬度為30 m，轉(zhuǎn)彎半徑為180 m。沿航道每隔30 m 設(shè)1個(gè)斷面，共布置30 個(gè)斷面，每個(gè)斷面從左至右布置3 個(gè)點(diǎn)，共計(jì)90 個(gè)特征點(diǎn)。下游航跡線如圖2 所示。

圖2 下游航跡線及特征點(diǎn)圖

3.1 工況一

該工況為下游最高通航流量工況，流量為4 000 m3/s。大浦水電站引用流量為935 m3/s，洛古水電站引用流量為402 m3/s，其他流量由閘壩泄流，開啟閘門為左區(qū)閘門。各斷面特征點(diǎn)的特征流速如圖3 所示。

圖3 工況一下游航跡線特征斷面特征值

根據(jù)船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范，Ⅴ～Ⅶ級(jí)船閘口門區(qū)平行航線的縱向流速限速1.5 m/s, 垂直航線的橫向流速限速0.25 m/s,回流流速限速0.4 m/s。

工況一口門區(qū)水流表面垂直航線的橫向流速最大為0.23 m/s；平行航線的縱向流速在口門區(qū)附近滿足要求，最大流速1.66 m/s 位于下游主流河道內(nèi)，已經(jīng)遠(yuǎn)離口門區(qū)；回流最大流速為0.22 m/s?？陂T區(qū)附近的流速參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

最高通航流量的流場(chǎng)圖見圖4。由流場(chǎng)圖可知，工程河段下游河道較為順直，洛古水電站斜沖主河道的水流與大浦水電站以及閘門下泄的水流相互抵消后，沿著河床直接下泄至下游，因此在口門區(qū)附近的橫向流速和回流較小。

圖4 最高通航流量流場(chǎng)圖（Q=4 000 m3/s)

3.2 工況二

工況二流量為790 m3/s，為多年平均流量。洛古水電站引用流量為402 m3/s，大浦水電站引用流量為388 m3/s。各斷面特征點(diǎn)的特征流速如圖5 所示，流場(chǎng)圖如圖6 所示。

圖5 工況二下游航跡線特征斷面特征值

圖6 多年平均流量流場(chǎng)圖（Q=790 m3/s)

工況二口門區(qū)水流表面垂直航線的橫向流速最大為0.16 m/s；平行航線的縱向流速最大為1.01 m/s；口門區(qū)附近的流速參數(shù)均滿足規(guī)范要求，可以通航。

3.3 工況三

工況三流量為402 m3/s，為洛古水電站滿發(fā)流量，也是最不利工況，由洛古水電站直接下泄。各斷面特征點(diǎn)的特征流速如圖7 所示，流場(chǎng)圖如圖8 所示。

圖7 工況三下游航跡線特征斷面特征值

圖8 洛古電站滿發(fā)流量流場(chǎng)圖（Q=790 m3/s)

工況三口門區(qū)水流表面垂直航線的橫向流速最大為0.14 m/s；平行航線的縱向流速最大為0.86 m/s；口門區(qū)附近的流速參數(shù)均滿足規(guī)范要求，可以通航。單開洛古水電站時(shí)，由于引航道外側(cè)導(dǎo)墻附近地勢(shì)較高，形成洲灘，阻擋了水流沖向左岸，使其沿主河道流往下游。

3.4 工況四

工況四流量為105 m3/s，為最低通航流量，由洛古水電站直接下泄。各斷面特征點(diǎn)的特征流速如圖9 所示，流場(chǎng)圖如圖10 所示。

圖9 工況四下游航跡線特征斷面特征值

圖10 最低通航流量流場(chǎng)圖（Q=105 m3/s)

工況四口門區(qū)水流表面垂直航線的橫向流速最大為0.02 m/s；平行航線的縱向流速最大為0.05 m/s；口門區(qū)附近的流速參數(shù)均滿足規(guī)范要求，可以通航。

綜上所述，在以上工況條件下的流速參數(shù)均滿足通航要求，故修建洛古水電站后原有河道的通航并未受到不利影響。

4 結(jié) 論

為了分析對(duì)上、下游引航道口門區(qū)的通航水流條件，本次采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算分析論證。此次計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格剖分范圍為壩軸線至下游1.5 km 范圍內(nèi)的柳江河道，以兩岸堤防和天然高程為網(wǎng)格剖分的邊界約束條件進(jìn)行網(wǎng)格剖分。本研究分別選取最高通航流量、多年平均流量、洛古電站滿發(fā)流量、最低通航流量為特征工況進(jìn)行4 種情況下的通航水流條件計(jì)算，結(jié)論如下：

1）工況一：口門區(qū)水流的橫向流速不超過0.23 m/s；水流的縱向最大流速（1.66 m/s）位于下游主流河道內(nèi)，已經(jīng)遠(yuǎn)離口門區(qū)；回流最大流速為0.22 m/s。故口門區(qū)附近的所有流速參數(shù)滿足規(guī)范要求。

2）工況二：口門區(qū)水流的橫向最大流速和縱向最大流速分別為0.16 m/s 和1.01 m/s，且不存在回流，故口門區(qū)附近的流速參數(shù)滿足規(guī)范要求。

3）工況三：口門區(qū)水流的橫向最大流速為0.14 m/s，縱向最大流速為0.86 m/s，口門區(qū)附近的流速參數(shù)滿足要求。僅開洛古水電站的情況下，引航道外側(cè)導(dǎo)墻附近由于地勢(shì)較高，故形成洲灘，原本沖向左岸的水流受其阻擋，并最終沿主河道流向下游。

4）工況四：口門區(qū)水流表面垂直航線的橫向最大流速為0.02 m/s，平行航線的縱向流速最大為0.05 m/s，故口門區(qū)附近的流速參數(shù)滿足規(guī)范要求。

綜上所述，在以上4 種工況條件下計(jì)算得到的流速參數(shù)均滿足通航要求，因此洛古水電站的建成對(duì)原有河道的通航并無(wú)不利影響。