順直分汊河段洲尾船閘的口門區(qū)三維流態(tài)數(shù)值模擬

吳瓊琳

(湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410011)

1 工程概況

沅水是長江第三大支流，桃源樞紐為沅水干流開發(fā)的最末級(jí)水利樞紐。桃源樞紐船閘下游引航道口門區(qū)處于分汊河段匯流口區(qū)域。汊道段河勢順直，匯流口下游的河勢微彎且逐漸束窄。汊道段原為兩處相連的江心洲，樞紐建成后船閘與電站集中布置于江心洲上。桃源樞紐從左至右依次為左汊14孔泄洪閘、船閘、電站以及右汊11孔泄洪閘，現(xiàn)有船閘閘室有效尺度為120 m×18 m×3.5 m(長×寬×門檻水深)，現(xiàn)有航道等級(jí)為Ⅳ級(jí)，規(guī)劃為Ⅲ級(jí)航道，樞紐平面布置見圖1。

由于桃源樞紐下游清水下泄沖刷壩下河床，且下游河段人工采砂活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致壩下河床迅速下切，枯水位下降較多，河床組成粗化，河床地形、水沙條件與樞紐設(shè)計(jì)之初有較大變化。在上述各種不利因素的綜合影響下，船閘建成運(yùn)行后通航條件較差，口門區(qū)水流流態(tài)紊亂，甚至形成枯水期斷航，嚴(yán)重時(shí)需要上游樞紐開閘放水來保證下游河道的通航。實(shí)測資料顯示，桃源樞紐洪、中水期均存在不同程度流態(tài)礙航問題，且其位于沅水航道連接洞庭湖區(qū)的咽喉位置，現(xiàn)狀條件下的船閘通過率嚴(yán)重影響了整個(gè)沅水航道的通航保證率，其船閘口門區(qū)流態(tài)礙航問題亟待解決。

圖1 桃源樞紐平面布置

2 三維水流數(shù)學(xué)模型建立與驗(yàn)證

選用DHI公司軟件Mike 3FM模塊進(jìn)行三維水流數(shù)值模擬計(jì)算，考慮倒虹吸管特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用k-e模型進(jìn)行三維水流模擬。模型中采用2016年實(shí)測桃源樞紐現(xiàn)場地形，上游邊界位于桃源樞紐壩軸線，按照左右兩汊泄水閘和電站分別設(shè)置進(jìn)口邊界，各泄水建筑物為獨(dú)立流量進(jìn)口邊界。下游出口位于壩軸線下游約4.8 km，根據(jù)桃源水文站提供的壩下水位流量關(guān)系反推得下邊界水位，邊界位置選取彎道下游河勢順直段，見圖2。水平方向網(wǎng)格采用三角剖分，垂向網(wǎng)格按比例分層，最小網(wǎng)格尺度0.2 m，最大網(wǎng)格尺度5 m；模型糙率根據(jù)流跡、流速分布、水位等實(shí)測水文數(shù)據(jù)驗(yàn)證，按河段實(shí)測資料進(jìn)行率定，糙率n在0.022～0.035之間，壩下河段為寬淺河流，垂向6層，見圖3。

圖2 模擬范圍及平面網(wǎng)格剖分

圖3 垂向網(wǎng)格剖分

2.1 水面線驗(yàn)證

采用2017年3月(Q=300 m3/s)、4月(Q=2 100 m3/s)、6月(Q=6 000 m3/s)實(shí)測水位作為模型的驗(yàn)證資料，分別對(duì)枯、中、洪三級(jí)流量的水面線進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果表明，模型沿程各水尺水位與原型水位偏差均不超過0.1 m，模型水面線與天然水面線基本吻合，見圖4。

圖4 沿程水面線驗(yàn)證

2.2 流速分布驗(yàn)證

模型斷面流速分布與原型實(shí)測值對(duì)比見圖5。由圖可以看出，各斷面模型流速分布趨勢和流速量值與實(shí)測值基本一致。

圖5 模型與原型實(shí)測斷面流速分布對(duì)比

3 計(jì)算工況

分汊河段匯流口流態(tài)隨上游來流分流比不同而變化[1-3]，為深入研究桃源樞紐所在分汊河道匯流口區(qū)三維流態(tài)的變化規(guī)律[4]，結(jié)合桃源樞紐現(xiàn)狀條件下的運(yùn)行調(diào)度方式分別開展了5組數(shù)值模擬研究，見表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算工況

4 口門區(qū)三維水流流態(tài)特性

4.1 水流特性

中洪水期時(shí)，桃源樞紐左右兩汊同時(shí)泄流，在船閘下游口門區(qū)會(huì)形成交匯水流[5]，兩側(cè)主流交匯后在交界面處因水流梯度產(chǎn)生摻混運(yùn)動(dòng)，摻混范圍受流速梯度、地形邊界等因素影響，隨分流比變化而變化[6-8]。匯流河段摻混區(qū)沒有確切的定義，考慮推移質(zhì)易在主流帶與摻混區(qū)交界處沉積，選取長江寸灘經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算推移質(zhì)泥沙起動(dòng)流速uc：

(1)

式中：ρs為泥沙密度；ρ為水的密度；h為水深；d為顆粒粒徑；η、m為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，不同公式略有差別，長江寸灘經(jīng)驗(yàn)公式中，η=1.08、m=1/7。

由上式可知，推移質(zhì)泥沙臨界起動(dòng)流速受水深影響，無法按統(tǒng)一值確定。根據(jù)樞紐運(yùn)行調(diào)度規(guī)程，中洪水期左右汊水流流態(tài)可分為控泄和敞泄兩個(gè)階段。當(dāng)來流量為3 600～8 800 m3/s時(shí)，右汊泄水閘控泄，電站泄流；當(dāng)來流量大于8 800 m3/s時(shí)，泄水閘敞泄，電站停機(jī)。本次數(shù)模根據(jù)各工況數(shù)值模擬計(jì)算成果，采用推移質(zhì)臨界起動(dòng)流速作為摻混區(qū)范圍界定標(biāo)準(zhǔn)，將計(jì)算得到的單元格臨界起動(dòng)流速大于該處底流流速處定義為摻混區(qū)。圖6為僅電站泄流時(shí)(Q=3 600 m3/s)壩下水流平面流態(tài)分布，圖7為各工況下計(jì)算出的主流帶及摻混區(qū)分布，由圖可知：

1)Q=3 600 m3/s時(shí)，僅電站滿發(fā)泄流時(shí)，電站泄流寬度遠(yuǎn)小于支汊河寬，主流分離成兩股水流，其中主流帶水動(dòng)力強(qiáng)度明顯強(qiáng)于2#主流帶。1#主流帶從船閘右導(dǎo)堤外側(cè)以較大夾角進(jìn)入口門區(qū)形成斜流段，其末端主流帶逐漸擴(kuò)寬直至恢復(fù)天然。左汊因泄水閘關(guān)閉形成類似“盲腸河段”的區(qū)域，在主流帶帶動(dòng)下形成一個(gè)大范圍回流區(qū)。在口門處，經(jīng)右導(dǎo)堤下游深槽進(jìn)入口門的主流和經(jīng)左導(dǎo)墻進(jìn)入口門的回流相互擠壓，形成次生回流。

2)中洪水期各工況主流帶范圍分布基本一致，受摻混區(qū)影響僅局部略有不同。

3)Q=5 000 m3/s時(shí)，右汊下泄流量為3 600 m3/s，大于左汊下泄流量1 400 m3/s，右汊水流強(qiáng)度大于左汊，摻混區(qū)寬度明顯大于Q=6 000 m3/s及以上各工況且向左岸偏轉(zhuǎn)。由此可知，分流比對(duì)各工況下水流摻混區(qū)分布影響較大。

4)Q=6 000 m3/s及以上各工況，因左汊水流強(qiáng)度大于右汊水流強(qiáng)度，摻混區(qū)分布趨勢基本一致，呈向右岸偏轉(zhuǎn)的月牙形區(qū)域。摻混區(qū)范圍隨流量和流速的增加而拉長。

圖6 僅電站泄流時(shí)壩下水流平面流態(tài)分布(Q=3 600 m3/s)

圖7 各工況主流帶及摻混區(qū)分布

4.2 動(dòng)力軸線分布規(guī)律

圖8為計(jì)算得到的各工況下動(dòng)力軸線分布，可以看出，中洪水期動(dòng)力軸線分布受樞紐運(yùn)行調(diào)度及分流比影響顯著：

1)由于泄流位置不同，控泄期兩汊動(dòng)力軸線偏向河中，敞泄期兩汊動(dòng)力軸線偏向河岸。

2)因左右兩汊分流比不同，匯流區(qū)動(dòng)力軸線變化顯著。Q=5 000 m3/s時(shí)因右汊水動(dòng)力強(qiáng)度大于左汊，口門以下河段動(dòng)力軸線偏向左岸，而口門與壩軸線之間河段動(dòng)力軸線偏向河中，整體呈“S”形。而隨著流量增加，動(dòng)力軸線逐漸趨直。

圖8 各工況動(dòng)力軸線分布

4.3 摻混區(qū)三維水流結(jié)構(gòu)

圖9為計(jì)算得到的各流量下匯流口摻混區(qū)縱向長度分布；圖10為Q=7 000 m3/s時(shí)壩下口門區(qū)流場三維切片圖；圖11為Q=7 000 m3/s時(shí)壩下三維流場等值曲面，左汊泄流量3 400 m3/s，右汊泄流量3 600 m3/s，左右汊分流比接近1:1，并標(biāo)示了0.50、0.95、1.40 m/s 3個(gè)流速等值面，其中壩下河床推移質(zhì)d95對(duì)應(yīng)臨界起動(dòng)流速0.95 m/s，d50對(duì)應(yīng)臨界起動(dòng)流速1.40 m/s。

圖9 各流量級(jí)下匯流口摻混區(qū)長度與橫向振幅

圖10 三維流場切片(Q=7 000 m3/s)

圖11 三維流速等值曲面(Q=7 000 m3/s)

因左汊地勢高于右汊，摻混區(qū)尾部水流偏向右岸。右側(cè)主流帶與摻混區(qū)交界面基本處于航道邊線以外，摻混區(qū)呈非對(duì)稱型，左右兩汊水流在摻混區(qū)形成多個(gè)次生回流。水流摻混區(qū)左右擺動(dòng)，形成類似于渦街結(jié)構(gòu)的周期性豎軸回流區(qū)。隨著單寬流量的增加，摻混區(qū)逐漸拉長，兩側(cè)主流交角逐漸減小，同時(shí)摻混區(qū)振幅逐漸降低。

5 結(jié)論

1)樞紐在枯水期只有電站泄流時(shí)，1#主流帶從船閘右導(dǎo)堤外側(cè)以較大夾角進(jìn)入口門區(qū)形成斜流段。左汊因泄水閘關(guān)閉形成類似“盲腸河段”的區(qū)域，在船閘口門處，經(jīng)右導(dǎo)堤下游深槽進(jìn)入口門的主流和經(jīng)左導(dǎo)墻進(jìn)入口門的回流相互擠壓，形成次生回流。

2)交匯水流摻混區(qū)分布復(fù)雜多變，摻混區(qū)長度與摻混區(qū)擺動(dòng)幅度基本呈負(fù)相關(guān)。摻混區(qū)越長，水流越平穩(wěn)，左右擺動(dòng)，形成類似于渦街結(jié)構(gòu)的周期性豎軸回流區(qū)。隨著單寬流量的增加，摻混區(qū)逐漸拉長，兩側(cè)主流交角逐漸減小，同時(shí)摻混區(qū)振幅逐漸降低。

3)分汊河道匯流口處的三維水流流態(tài)較為復(fù)雜，若因船閘受限布置于此，需合理布置導(dǎo)流及擋泄水建筑物，使船閘下游口門區(qū)盡量遠(yuǎn)離摻混區(qū)，以減小復(fù)雜水流流態(tài)對(duì)船舶航行的不利影響。