复杂汊道汛期水力特性的数值模拟分析

(西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039)

·能源与环境·

复杂汊道汛期水力特性的数值模拟分析

张 婧，张焕敏，蒋 亮

(西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039)

为研究复杂汊道汛期的水力特性，结合工程实例，采用平面二维数学模型模拟多汊河道的水流，从分流比、水位和流速3个方面计算天然和两种工况下的水力特性参数，同时比较分析两工况对河道水力特性的影响。结果表明：副坝的建设可以显著改善上游复杂汊道的散乱流态，减少分汊数目，但由于分流比大大增加，副坝内导流明渠下游断面的水位和流速有明显增加；两工况在副坝段开设汊口均不会对左汊和中汊行洪造成影响，但工况2增设2#汊口可降低导流明渠的水力特性参数，更有利于行洪安全。

复杂汊道；渡汛；水力特性；数值模拟

洲滩汊道上的水流条件一般都复杂多变，修建水工建筑物必然会进一步影响主支汊的分流比及水位，影响汊道内的水动力条件，改变天然条件下的河道演变趋势[1]，反过来，复杂的汊道水流会对正在施工的水利工程防洪形势产生不利影响；因此，需要通过不同工况河道水力特性的对比分析，得到有利于工程安全，且经济效益明显的最优工况，这对施工期的防洪渡汛十分重要[2-3]。

我国长江中下游、珠江河口地区汊道多，是碍航的主要因素。目前，对汊道的研究较多地采用物理模型和原型观测的方法[4-5]，对工程的顺利开展有理论指导作用。然而，水电工程建设期渡汛方案的制定周期短，工况变化多，传统方法成本高；而二维水动力数值模型适应性强，且模拟周期短，作为分汊河道水力特性研究的技术手段比较适用，在水电工程领域得到广泛的认可[6-7]。本文以多汊道的在建水电工程实例为研究对象，进行河道水力特性研究，验证了数值模拟在此类问题的适用性，结论可以为类似工程施工期渡汛方案制订或类似边界条件的河道整治提供参考。

1 工程概况

某水电枢纽工程位于多汊道的出口段右岸，其上游河道洲滩和汊流极其发育(如图1所示)。天然情况下可分流为三汊道，甚至四汊道，流路散乱多变。枢纽工程上游修建的副坝减少了汊道数目，从而影响汊道的水力特性。以20年一遇的洪水作为流量条件，计算左岸汊道和右岸导流渠在不同工况下的水力特性参数，可以复核工程及汊道的行洪安全，也可以通过比较分析工况的优劣。

2 平面二维水流数学模型

2.1控制方程

在笛卡尔坐标系下，沿水深平均的平面二维流动基本方程为：

水流连续方程

(1)

(2)

式中：U、V为垂线平均流速；z为水位；H为水深；C=1/nH1/6为谢才系数；f=2ωsinφ(ω为地球自转角速度，φ为当地纬度)为柯氏力系数；g为重力加速度，vt为涡黏性系数。

2.2模型求解关键问题

由于天然河道具有不规则的边界，为了更好地模拟边界附近的流动，并同时减小计算所需网格节点，在天然河道的流场计算中通常采用正交曲线网格或非结构化网格。模拟采用非结构化网格，且使用追赶法进行求解。在计算过程中，采用了欠松弛技术、块修正技术以增强迭代过程的稳定性并加速收敛，收敛标准取为误差流量源与入口流量之比小于0.5%。

2.3计算范围

如图1所示，模拟计算范围内河道总长约12 km，横河方向以现状过流汊道岸边为界，计算宽度为340～2 400 m。模型设有16个水位和流速计算断面(CS01～CS16)，8个分流比计算断面(DS01～DS06)，断面的分布位置如图1所示。

2.4边界条件

工程河段汊道密布，边滩上植被繁茂，根据糙率参考表及类似河道的工程经验，河道糙率初步给定为0.035。历史洪调水位的模拟结果与实测数据的误差小于0.05 m，且有正有负，证明河道糙率的取值是合理的。以河道20 年一遇洪水流量8 940 m3/s为来流流量，相应的下游出口断面水位379.2 m为下游边界控制条件。

6）无论春季嫁接还是夏季嫁接，嫁接时最后一道捆绑的扎带要缠绕固定在接穗芽子的上部，也就是接穗顶部，这个小小的绑扎技巧，避免了因嫁接后解除塑料扎带不及时带来的扎带勒入木质部的隐患。见图1。

2.5计算工况

副坝将河段内多个洲滩一分为二，并截堵其上下游的汊道，直接改变了河段内的分流比，将多股散乱汊流归整为左中右三股(左股和中股在副坝外岸)。在施工汛期，若右岸分流比过大，可能使导流明渠水位逼近坝顶，或者流速过高顶冲坝脚，渠内洪水压力过大；若左岸分流比过大，汊道内水位过高，会造成洪水漫滩。通过在副坝段保留汊口，可以调节左右岸分流，利于汛期行洪。根据保留汊口的数量位置可分为两种工况。工况1：设置1个汊口(1#)，位于CS07断面上游附近。工况2：设置2个汊口(1#和2#)，其中1#位于CS07断面上游附近，2#位于CS11下游附近。

图1 模拟河道断面布置图

3 水力特性分析

图2是河道的模拟流场图，可以看出天然情况下河道的水流被大小10多个洲滩分成多股汊流，分流比情况十分复杂，且流路弯曲散乱(图2(a))。下文从分流比、河道水位和流速3个方面来分析两种工况下汊道的水力特性，并比较两工况对行洪安全的影响。由于天然汊道能够安全抵御20年一遇的洪水，不会出现洪水漫滩等现象，因此是否超过天然情况下的水力参数可作为工况行洪安全分析的依据。

3.1分流比变化规律

表2为天然河道和两种工况情况下断面的分流比情况。可以看出：在DS06断面上游，两工况左汊的流量均不超过天然情况，且DS06断面处的左汊分流比减少了50%左右；在DS07及DS08断面处的分流比较天然情况有小幅增长，但幅度不超过1.5%。

(a)天然情况

(b)工况1

(c)工况2

在中汊汊道内，两种工况情况下的流量均小于天然情况，且在DS04断面处锐减到8%以下。

对于右汊的导流明渠，工况1的分流比都在60%以上，部分中汊水流通过1#汊口汇入右汊，造成DS04断面以下分流比在80%以上，对明渠行洪压力较大。工况2中，右汊水流又通过2#汊口分流形成中汊，汇入左岸，分流作用明显，使得DS06断面的分流比降至55%，有利于缓解明渠行洪压力。

3.2水位变化规律

图3为天然和工况1、2情况下的河段左汊沿程水位变化。因分流比降低，左汊的水位基本没有抬升,与天然情况相比，两工况左汊河道水位在CS08断面上游几乎没有改变，自CS09断面起下游水位还有所降低。工况1的水位降幅在CS12断面处达到最大值0.74 m，这与分流比的分析结果一致。工况2中，由于2#汊口处分流作用明显，较之于工况1，左汊分流比有5.5%增长，因此自CS12断面起下游水位再次基本与天然水位持平。

表2 各工况断面分流比情况 %

图3 河段左汊沿程水位

图4为天然和工况1、2情况下的河段右汊沿程水位变化。右汊分流比高，水量较为集中，但是右汊洲滩进行疏浚后，河汊床底高程降低；因此，水位并没有大幅度壅高。工况1的大部分断面水位的壅高值在1 m以内，不会造成溢流威胁，但在CS9～12断面处壅高超过1 m，其中CS12断面壅高达到1.75 m，水位逼近坝顶高程。工况2设置2#汊口通过分流部分右汊主河水流至左岸，显著降低了水位，减少了导流明渠的行洪压力。

图4 河段右汊沿程水位

3.3流速变化规律

图5是河段左汊流速分布图。与天然河汊情况相比，左汊的流速普遍降低了。工况1在CS05～CS09断面有小于0.3 m/s的增幅，而降幅在CS10断面最大，达到3.4 m/s。工况2由于2#汊口分流作用，左汊CS13断面处水量回升，而流速亦有0.3 m/s以内的小幅增长。

图6是河段右汊流速分布图。右汊因水量集中，水动力条件比天然情况大大增强，流速普遍增加。工况1的右汊流速增幅在河汊入口CS03断面和出口CS14断面达到最大值，约为1.5 m/s。工况2的2#汊口的分流可减小出入口断面40%～60%的流速增幅，河汊入口CS03断面处的流速增幅也降低至1 m/s以内，而其他断面处的流速影响与工况1相同。

图5 河段左汊流速变化分布图

图6 河段右汊流速变化分布图

3.4工况对比分析

通过对天然和2种工况下汊道的水力特性分析，可以得到以下结论。

1)对于左汊河道，2种工况均基本不会超过天然情况的水力条件，因此不会影响左汊的行洪安全。

2)对于中汊河道，工况1水力特性参数均显著低于天然情况；而工况2由于增设2#汊口，在DS06处分流比增大，但仍未超过天然情况，因此也不会影响中汊的行洪安全。

3)对于右汊河道，工况1在DS04断面以下分流比在80%以上，大部分断面的水位壅高在1 m以内，下游断面的壅高可达1.75 m，而河汊入口和出口处的流速增加也比较明显，但从流场图上观察水流顺直并无折冲水流现象。工况2打开2#汊口后，可显著降低DS06断面的分流比至55%，从而大大减少了右汊河道下游水位的壅高影响，以及河汊入口和出口断面的流速增幅，缓解了导流渠内的行洪压力。

4 结束语

本文通过从分流比、水位和流速3个方面对分汊河道在建工程汛期两种工况的分析比较，可以得到如下结论：1)原天然河道汊道极其发育，流路弯曲散乱，副坝工程修建后能够显著改善右岸河道流态，归顺主流，减少河道总的分汊数量；2)工况1开设1#汊口，不影响左汊及中汊河道的行洪安全，但由于右岸分流比较大，水力特性参数较天然情况增幅较大，尤其是出口断面处水位增加1.75 m，流速提高了1.5 m/s，给导流明渠水带来行洪压力；3)工况2在工况1的基础上下游增设2#汊口，不仅有效地将30.4%的流量从右岸分流至中汊，降低导流明渠内的行洪压力，还能够保证左汊和中汊的水力特性参数较天然情况没有太大的改变。

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(编校：夏书林)

StudyontheDigitalSimulationofHydraulicCharacteristicforComplexBifurcatedChannelduringFlood

ZHANG Jing, ZHANG Huan-min, JIANG liang

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

2D mathematical model of an engineering example is utilized to simulate a complex bifurcated channel. Considering three conditions (natural, case 1 and case2), we calculated the hydraulic coefficients of split ratio, water level and velocity, and analyzed the influences brought out by these two cases. The results show that the auxiliary dam could simplify the terrible flow state of the bifurcated channel upstream, but raise the water level and velocity in diversion channel. Both two cases can ensure the left and middle channel safe during flood and case 2 is better for diversion channel because 2# bifurcation can reduce the hydraulic coefficients significantly.

complex bifurcated channel; flood prevention; hydraulic characteristic; numerical simulation

2014-10-25

国家自然科学基金青年基金(51409224)；四川大学水力学国重室开放基金(SKHL1312)；西华大学重点科研基金项目(z1320404)

张婧(1986—)，女，讲师，博士，主要研究方向为水力学及河流动力学、泥石流风险分析等。

TV853

：A

：1673-159X(2015)04-0076-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.04.015