黃毓斌 覃海林 趙紅芳

摘要：大落差支流匯入主航道時(shí)對(duì)干流航道的影響較大，需采取相應(yīng)的治理措施。文章以平陸運(yùn)河典型支流入?yún)R為例，基于VOF法的RNG k-ε雙方程紊流數(shù)學(xué)模型對(duì)運(yùn)河水流特性及交匯口通航水流流態(tài)進(jìn)行二維和三維數(shù)值模擬，對(duì)大落差支流口的通航水流條件進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并根據(jù)原支流口平面布置方案的流速分布情況以及水流特性，對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。結(jié)果表明：在原方案20年一遇流量通航控制工況條件下，匯流口橫向流速值超標(biāo)；在考慮航道需求和增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案情況下航道通航效果良好，匯流口區(qū)域橫向流速滿足要求，最大橫向流速分別為0.27 m/s和0.26 m/s，可作為優(yōu)化方案。研究成果可為類似工程的優(yōu)化治理提供參考。

關(guān)鍵詞：支流；大落差；運(yùn)河；通航水流條件；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U617.2? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

“十四五”以來，我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)進(jìn)入高速發(fā)展期，在航道縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮在最低通航水位下使各個(gè)梯級(jí)的航道能夠充分銜接，達(dá)到設(shè)計(jì)通航標(biāo)準(zhǔn)。特別是當(dāng)較大落差的支流匯入主航道時(shí)，由于大落差的存在使得水流沖刷力強(qiáng)，對(duì)干流航道造成影響，因此需采取相應(yīng)的治理措施［1］。治理此類問題不僅可以保證航道的通暢，還可以防止因落差過大引發(fā)的洪水、塌方等自然災(zāi)害，對(duì)于保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。

目前，針對(duì)上述問題的研究方法主要有物理模型試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬技術(shù)［2］。物理模型試驗(yàn)中存在工作量大［3］、試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高、流場(chǎng)內(nèi)部流態(tài)分析困難、難以滿足工程需求等缺點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法的快速發(fā)展彌補(bǔ)了物理模型試驗(yàn)的諸多不足。沈立群等［4］以漢江碾盤山水電樞紐通航水流條件為例，建立樞紐工程區(qū)域物理模型，提出延長(zhǎng)隔流堤來滿足航道通航水流條件要求的引航道優(yōu)化方案。王鐵力等［5］結(jié)合淮柴閘樞紐工程設(shè)計(jì)，基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)建立水流三維數(shù)學(xué)模型，分析了該樞紐水流流動(dòng)特性，得出滿足通航安全的允許流速。張輝等［6］利用率定后的數(shù)學(xué)模型對(duì)引江濟(jì)淮工程韓橋跌水工程通航水流條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并提出滿足江淮溝通段臨河建筑物支流洪水入渠控制條件的優(yōu)化方案。東培華等［7］通過建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析不同代表流量條件下尹公洲水道內(nèi)水動(dòng)力特征，為尹公洲水道通航能力提升研究提供技術(shù)支撐。邵雨辰等［8］運(yùn)用MIKE水動(dòng)力模塊建立數(shù)值模型，對(duì)蕪申運(yùn)河三里埂提出相應(yīng)的工程措施，使航道內(nèi)水流條件滿足設(shè)計(jì)要求。雖然諸多學(xué)者對(duì)航道通航水流條件進(jìn)行了研究，并提出了許多改善銜接段通航水流條件的舉措，卻罕有大落差支流入?yún)R運(yùn)河治理優(yōu)化的數(shù)值模擬研究。

平陸運(yùn)河工程作為西部陸海新通道的重要組成和新開辟的江海聯(lián)運(yùn)戰(zhàn)略大通道，支流匯入口河段航道的正常通航是整個(gè)工程功能效益能否正常發(fā)揮的重要保障。而平陸運(yùn)河梯級(jí)樞紐基坑開挖尺度大，運(yùn)河河底與沿線支流口的河床高差一般達(dá)5～10 m。因此，支流匯入口布置對(duì)干流航道的影響是保障運(yùn)河正常通航亟待研究的重要問題。根據(jù)《運(yùn)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（JTS 180-2-2011）6.2.3節(jié)規(guī)定［9］，支流匯入口對(duì)應(yīng)的運(yùn)河航道內(nèi)橫向流速應(yīng)≤0.3 m/s。為保證人工運(yùn)河工程的通航安全，需對(duì)支流口銜接方式進(jìn)行合理布置，并對(duì)支流口的通航水流條件進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，提出支流口治理的推薦方案。

本文以平陸運(yùn)河典型支流沙埠江為例，對(duì)原方案通航水流條件進(jìn)行數(shù)值模擬。采用基于VOF法［10］的RNG k-ε（湍流動(dòng)能-湍流動(dòng)能耗散率）［11］雙方程紊流數(shù)學(xué)模型，對(duì)考慮航道需求下的沙埠江支流匯入口通航水流條件進(jìn)行數(shù)值模擬，并提出增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)且滿足沙埠江支流匯入運(yùn)河控制條件的優(yōu)化方案，可為類似的大落差運(yùn)河工程的設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐，具有重要的理論價(jià)值與工程應(yīng)用現(xiàn)實(shí)意義。

1 典型支流概況

平陸運(yùn)河工程涉及水系眾多，主要有郁江支流沙坪河、欽江流域及其支流沙埠江、舊州江等，全長(zhǎng)約140 km。沙埠江支流原本是欽江左岸的一條支流，平陸運(yùn)河修建后，原沙埠江支流先匯入欽江，再由欽江匯入運(yùn)河，沙埠江流域內(nèi)包含廣平河、楊屋河、欽江及運(yùn)河水流的相互運(yùn)動(dòng)，入?yún)R關(guān)系比較復(fù)雜。沙埠江支流口河段枯水河寬在3～4 m，流量為2.0～3.0 m3/s，一般洪水河寬可達(dá)5～10 m，原欽江河床與運(yùn)河河底的高差約為9.3 m。

2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 原方案

2.1.1 原方案布置

為減少運(yùn)河修建后廣平河支流對(duì)運(yùn)河通航水流條件的影響，對(duì)支流匯入運(yùn)河口段（即原欽江匯入運(yùn)河）進(jìn)行了銜接布置?，F(xiàn)狀情況下，由沙埠江至欽江匯入運(yùn)河口段河床底高程約為11.0 m，在河口段進(jìn)行放坡銜接，即由原欽江河底11.0 m放坡至運(yùn)河河底1.7 m高程，放坡長(zhǎng)度約為424 m，寬度約為30 m；放坡后，距離河口距離約261 m。

2.1.2 計(jì)算工況及相關(guān)參數(shù)

根據(jù)平陸運(yùn)河干流與支流入?yún)R關(guān)系分析，從最不利角度出發(fā)，模擬計(jì)算工況選取沙埠江支流20年一遇洪水流量遭遇運(yùn)河干流5年一遇的流量組合，其中支流流量Q=471 m3/s，尾水位為14.41 m，干流底高程為1.7 m。糙率取值0.025。

鑒于該研究河段內(nèi)欽江與運(yùn)河有多次交叉，原欽江被截彎取直，保留了多個(gè)截彎取直河段，水流流動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，且各支流與運(yùn)河銜接的坡度相對(duì)較緩，因此采用二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬求解。由于各支流、欽江與運(yùn)河呈繩套關(guān)系，為保證進(jìn)出口河段平順、單一且沒有匯流干擾等影響，模型選取了較大范圍進(jìn)行模擬。在整個(gè)模擬范圍內(nèi)，運(yùn)河干流長(zhǎng)約9.1 km，原欽江長(zhǎng)度約為16.5 km。其中，支流青塘河模擬計(jì)算范圍長(zhǎng)約1.5 km，沙埠江計(jì)算范圍長(zhǎng)約1.8 km，陳屋河計(jì)算范圍長(zhǎng)約0.55 km，楊屋河計(jì)算范圍長(zhǎng)約0.63 km，廣平河計(jì)算范圍長(zhǎng)約1.5 km。為保證計(jì)算精度，模型網(wǎng)格尺度為15.0～20.0 m，總體網(wǎng)格數(shù)量約210 000個(gè)。

2.1.3 航道內(nèi)橫流計(jì)算結(jié)果

原方案模擬得到的運(yùn)河航道內(nèi)的橫流云圖如圖1所示。由圖1可知，對(duì)于模擬范圍內(nèi)的支流口，≤0.3 m/s橫流標(biāo)準(zhǔn)的支流口包括舊村河、陳屋河和楊屋河；橫流＞0.3 m/s的支流口包括青塘河、沙埠江和廣平河。沙埠江超標(biāo)橫流范圍相對(duì)較大，約為30.0 m×16.0 m（長(zhǎng)×寬），沙埠江支流口附近運(yùn)河干流航道內(nèi)的橫流在0～0.38 m/s，最大橫流約0.38 m/s，＞0.3 m/s的橫流限值。因此沙埠江支流匯入后，運(yùn)河航道的通航水流條件不滿足要求。

2.2 考慮航道需求方案

2.2.1 考慮航道需求方案布置

分析沙埠江與欽江關(guān)系，原沙埠江匯入欽江故道后可能從右汊過流，右汊處于主汊位置，水流自右汊流入欽江后，從欽江匯入運(yùn)河的角度更大，對(duì)運(yùn)河的頂沖作用更為突出，可能會(huì)引起水流條件的惡化。因此，方案布置時(shí)將右汊進(jìn)行堵塞，從最不利情況出發(fā)，使沙埠江從左汊匯入欽江后一并進(jìn)行消能處理。

考慮航道需求，從原放坡點(diǎn)至支流河口266.8 m，原泥面12.0 m放坡至運(yùn)河的底高程1.7 m，坡度為1∶4，長(zhǎng)度約為51.2 m，寬度為30 m。其后，開挖消力池進(jìn)行消能，開挖深度為2.5 m，開挖高程至-0.8 m，長(zhǎng)度為80.0 m，再按照坡度1∶4放坡至運(yùn)河底高程1.7 m，長(zhǎng)度約為10 m。消力池建成后與運(yùn)河相接，保持1.7 m河底高程銜接至支流匯入口，長(zhǎng)度約為368.8 m。

2.2.2 三維模擬相關(guān)參數(shù)

根據(jù)干支流交匯關(guān)系，進(jìn)出口盡量選取在單一的平順段。在模型模擬范圍內(nèi)運(yùn)河河段長(zhǎng)約1.53 km，其中支流口上游段長(zhǎng)約790 m，下游段長(zhǎng)約740 m。整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。由于模擬范圍較大，為盡量捕捉到流動(dòng)細(xì)節(jié)，將網(wǎng)格總數(shù)設(shè)置為約413萬。按流動(dòng)區(qū)域類型，分為3個(gè)網(wǎng)格塊進(jìn)行模擬。在沙埠江支流口消能河段采用的X、Y方向上網(wǎng)格尺度為1.0 m，Z方向上網(wǎng)格尺度為0.5 m；在其他兩個(gè)網(wǎng)格塊中，X、Y方向上網(wǎng)格尺度為2.0 m，Z方向上網(wǎng)格尺度為1.0 m，最大相鄰網(wǎng)格變化比為2.0。

2.2.3 航道內(nèi)橫流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模擬計(jì)算分析，運(yùn)河干流航道的主流絕大部分沿運(yùn)河下游方向流動(dòng)，在支流匯入口附近有一定的局部回流。根據(jù)模擬計(jì)算，運(yùn)河干流的水深變化在11.0～12.50 m，支流進(jìn)口水深約3.5 m，運(yùn)河航道內(nèi)平均流速一般在1.0～2.10 m/s，支流進(jìn)口局部流速約2.3 m/s，運(yùn)河干流航道內(nèi)地橫流一般在0～0.27 m/s，運(yùn)河干流航道最大流速約1.82 m/s，沒有超過0.3 m/s的橫流限值（表1），因此通航水流條件滿足要求。

2.3 增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案

2.3.1 生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案的布置

為同時(shí)兼顧通航水流條件、魚類棲息及生態(tài)涵養(yǎng)預(yù)留功能，在航道需求方案基礎(chǔ)上增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案為：從原沙埠江支流到運(yùn)河之間增設(shè)約515 m長(zhǎng)的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)砌筑7個(gè)拋石筑壩（壩頂寬3 m、高1 m、側(cè)向坡比1∶2），接著從原泥面12.0 m放坡至運(yùn)河的底高程-0.8 m，坡度為1∶4，長(zhǎng)度約為51.2 m，寬度為30 m。其后，開挖消力池進(jìn)行消能，開挖深度為2.5 m，開挖高程至-0.8 m，長(zhǎng)度為80.0 m；再按照坡度1∶4恢復(fù)至運(yùn)河底高程1.7 m，長(zhǎng)度約為10 m。消力池建成后與運(yùn)河相接，保持1.7 m河底高程銜接至支流匯入口，長(zhǎng)度約369 m。生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案的計(jì)算區(qū)域選取、網(wǎng)格劃分、邊界條件和初始條件與考慮航道需求方案均相同。

2.3.2 航道內(nèi)橫流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模擬計(jì)算分析，運(yùn)河干流航道的主流絕大部分沿運(yùn)河下游方向流動(dòng)，在支流匯入口附近有一定局部回流。按增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案模擬，運(yùn)河干流的水深變化在11.0～12.50 m，支流進(jìn)口水深約3.6 m，運(yùn)河航道內(nèi)平均流速一般在1.0～2.10 m/s，支流進(jìn)口局部流速約2.3 m/s，運(yùn)河干流航道內(nèi)橫流一般在0～0.26 m/s，沒有超過0.3 m/s的橫流限值。運(yùn)河干流航道最大縱向流速約1.87 m/s，最大橫流約0.26 m/s（表1）。因此，增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案情況下航道通航水流條件滿足要求。

3 結(jié)語

（1）基于平面二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型對(duì)典型大落差支流入?yún)R干流進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明原方案情況下運(yùn)河航道內(nèi)最大流速約2.55 m/s，最大橫流約0.38 m/s，超標(biāo)橫流范圍約10.0 m×5.0 m（長(zhǎng)×寬）。

（2）根據(jù)原布置方案流速分布以及水流特性，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。采用三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)支流口優(yōu)化方案開展了較為精細(xì)的模擬計(jì)算，結(jié)果表明，運(yùn)河航道內(nèi)最大流速約1.82 m/s，最大橫流約0.27 m/s，沒有超過0.3 m/s的橫流限值。

（3）為同時(shí)兼顧通航水流條件、魚類棲息及生態(tài)涵養(yǎng)預(yù)留功能，在原航道需求方案上增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)模擬，得出運(yùn)河干流航道最大縱向流速約1.87 m/s，最大橫流約0.26 m/s。因此，在考慮航道需求方案和增設(shè)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)方案情況下航道通航水流條件均滿足要求。本研究可為類似的大落差支流入?yún)R運(yùn)河工程的優(yōu)化布置及治理提供參考和借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：黃毓斌（1986—），工程師，主要從事水運(yùn)工程建設(shè)方面的工作。