船闸施工期二维平面流场特性研究

张善亮，侯　迪，余鸿慧，王健平

(1．中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江　杭州　310014；(2．国网新源水电有限公司富春江水力发电厂，浙江　桐庐　311504)



船闸施工期二维平面流场特性研究

张善亮1，侯迪1，余鸿慧2，王健平2

(1．中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014；(2．国网新源水电有限公司富春江水力发电厂，浙江桐庐311504)

摘要：采用二维数值模拟方法对船闸施工期流场进行数值模拟。根据实测的洪水数据，对模型进行验证及参数修正；分析船闸施工期围堰前后河道流场变化。数值模拟结果为船闸施工围堰方案合理设置提供技术依据。

关键词：船闸施工围堰；二维模型；混合网格

1问题的提出

船闸建造过程需修建围堰，一定程度上改变了水域的水流特性，从而引起工程河段水动力要素发生变化。对于大坝安全、下游防护对象防洪安全而言，河道中流速、流量、水深及水位分布变化具有重要的意义，需对坝址下游航道进行二维水动力模拟，分析流速、流态等水力情势的变化。因此，采用二维水动力模型研究船闸施工期围堰对水流流态的变化具有十分重要的意义。

本文利用MIKE21软件水动力模型，以富春江船闸扩建改造工程施工期围堰为例，分析施工期围堰对富春江电站坝下水位的影响，进而对工程补偿措施提出建议，可为类似工程防洪评价研究提供参考。

2基本情况

富春江船闸扩建改造工程是复兴钱塘江航运、打通富春江船闸碍航“瓶颈”、建设“港航强省”的重要举措。该工程施工期修建的围堰包括纵向围堰和横向围堰。纵向围堰上接老船闸左侧，下接唐家洲洲头，平行于河岸布置；横向围堰连接唐家洲中部与富春江右岸沿江道路，垂直于河岸布置。施工期围堰为过水围堰，纵向围堰长728 m，顶高程为9.50 m，横向围堰长121 m，顶高程为8.70 m，洪水期水位超出围堰堰顶高程，洪水进入基坑，施工区域可参与行洪。

3水动力模型的建立

本次坝址下游航道河势影响分析计算采用MIKE21(DHI)水动力模拟软件平面二维数值模型。 MIKE21模型是丹麦水力学研究所开发的二维数学模拟软件，广泛应用于国内外水动力模拟当中，取得了较好的效果，是目前国际上较为先进的模型之一。MIKE21是二维数学模拟系统，应用在河口、海湾以及海洋近岸区域的水流及水环境的模拟，可以用来模拟潮汐动力模拟、风/波生流、二次环流、港工、溃坝、海啸等方面的水流现象，在模拟二维非恒定流的同时，可考虑干湿变化、密度变化、水下地形、潮汐变化和气象条件等影响因素。与一维数模只能反映河道断面平均量不同，二维数模能计算局部河段平面水流流场的分布，可以研究涉水工程建设前后河道流速及流场变化情况。MIKE系列软件是一个经过大量工程实践验证的模型工具[1-4]。

3.1水动力模型

采用平面二维数学模型来研究坝址下游河道流速分布及变化。模型包括1个连续性方程和2个动量方程[5]：

式中：ζ为水位(m)，即水面到某一基准面的距离；p、q分别为x、y方向上的垂线平均流量分量(m2/s)；h为水深(m)；g为重力加速度(m/s2)；Ω为柯氏力参数(s-1)；ρw为水密度(kg/m3)；C′为谢才系数；τxx，τxy，τyy分别为剪切应力分量(kg·m-1·s-2)；x，y为直角坐标(m)；t为时间(s)。

上述方程组的初始条件：

z(x,y)|t=0=z0(x,y)

p(x,y)|t=0=p0(x,y)

q(x,y)|t=0=q0(x,y)

边界条件：

水边界：z(x,y，t)=z*(x,y,t)或q(x,y，t)=q*(x,y,t)“*” 表示已知值；

陆边界：Qm=0法线方向流量为零。

有了上述定解条件，就可用一定的离散格式求出方程的解。计算区域采用正交曲线网格，控制方程离散时，变量在网格上采用交错布置，水位定义在网格节点上，单宽流量定义在各自方向的相邻网格的中部，采用交替方向隐格式(ADI)求解方程，方程矩阵采用Double Sweep算法求解，该格式具有二阶精度。

3.2研究范围和边界条件的确定

本次二维模拟的范围为坝址富春江坝址上游1 km至桐庐分水江口的河道，计算范围河道总长度约12 km，计算范围内包括4座桥梁(杭新景高速公路富春江大桥、渡济大桥、富春江大桥以及富春江二桥)及富春江大坝。计算采用的地形资料由1∶1 000地形图及1∶500地形图拼接而成。

二维数值模型上边界采用坝址洪水过程，下边界采用桐庐水文站水位过程。

3.3模型概化

本模型采用三角形和矩形混合网格对计算区域进行划分。计算区域内河道不规则，采用三角网格划分；横纵围堰、大坝溢洪道为规则矩形，故采用矩形网格划分。桥址、溢洪道附近网格局部加密，三角网格单元尺寸为1.0～2.0 m，矩形网格x方向网格步长为1.5 m，y方网格步长为2.5 m。模型在处理围堰时采用网格干湿判别法来确定是否漫堤。当计算区域水深小于0.005 m时，该计算区域记为“干”，即围堰隔水；当水深大于0.100 m时，该计算区域记为“湿”，即围堰漫水。

3.4模型率定和验证

根据流量为1 530，2 300，8 970，11 400 m3/s对应坝下实测水位，对二维模型进行率定，通过率定确定糙率。由表1可知，二维模拟水位和实测水位基本一致，本次模拟水位与洪调水位相差0.01～0.05 m，可认为本次模型概化及模型选择基本合理。

3.5计算工况

模型分别计算2种不同地形工况：A．船闸围堰施工前工况，即原船闸不动，未实施船闸扩建改造工程；B．船闸施工围堰建成工况见图3。

4结果与讨论

4.1水位分析

采用二维模型计算发电流量级别Q=1 530 m3/s和Q=2 300 m3/s，由于围堰造成的坝下水位壅高分别在0.48，0.53 m，造成水位壅高的原因是由于围堰缩窄了过水断面面积，小流量水位差分布见图4。对于洪水Q=8 970 m3/s和Q=11 400 m3/s，由于围堰造成的坝下水位壅高值为0.33，0.29 m，主要由于围堰能漫堤分洪，与围堰建成前相比，对行洪断面影响较小，大流量水位差分布见图5。

4.2流速分析

工况A流速最大的区域为坝下800～3 000 m范围内左侧河道，在Q=2 300 m3/s时，右侧航道也有流速分布。工况B，自坝下100 m至坝下3 000 m河道内流速均较大。这主要是因为围堰工程束窄了河道，造成坝下流速增加，同时由于围堰工程的阻水作用，进入左侧主河道内的洪水流量增加，左侧主河道流速也相应增加，在Q=2 300 m3/s时，右侧航道内无流速，流速分布见图6；在Q=8 970 m3/s时洪水均可以漫过施工围堰，施工围堰所在区域流速也较大，流速分布见图7。

4.3流态分析

流量2 300 m3/s下流场见图8，流量8 970 m3/s下流场见图9。从图8和图9中可以看出，工况A，水流自溢洪道出流后，水流较顺直，自老船闸末端漫过旧导航墙，水流向右侧航道方向偏转，航道内的流速较大，流态稳定。工况B，水流自溢洪道出流后受围堰的阻挡，水流向左侧偏转。

通过以上分析可以得出，工况B河道水流流态发生变化，主要表现为坝下溢洪道左侧水流向左偏转，围堰所在区域水流流速增加。但与工况A相比总体来看，围堰工程后整个河道内水流流态平顺，没有不利流态产生。

5结语

(1)水库坝下河段,水流特性十分复杂,为满足水库正常运行，研究围堰施工给水库运行所带来的影响十分必要。本文利用MIKE21水动力模型,以富春江船闸扩建改造工程施工期围堰为例,研究施工围堰对其所在河流防洪安全的影响,分析了围堰对水库坝下水位的影响。

(2)该方法具有较强的通用性,为船闸施工围堰类似工程问题的研究提供了一条有效的分析途径。

参考文献：

[1]马小兵，马志华.MIKE11、MIKE21软件在桥梁工程防洪影响评价计算中的联合应用[J].浙江水利科技，2012(3)：38-39.

[2]孙映宏，姬战生，周蔚.基于MIKE11 HD 和NAM 耦合模型在河流施工围堰对防洪安全影响分析中的应用与研究[J].浙江水利科技，2009(2)：30-34.

[3]丁跃，张友利，唐云清，等.秦淮河船闸扩容改造工程围堰设计方案优化[J].水利水运工程学报，2014(3)：92-97.

[4]张向东，张善亮.富春江船闸扩建改造工程库区引航道通航安全数值模拟试验研究剖析[J].交通科技，2014(2)：162-165.

[5]Danish Hydraulic Inst itute( DHI) .MIKE21 & MIKE3 FLOW MODEL FUM[R].Horsholm Denmark :Hydrodynamic and Transport Module Scientific Document( DHI),2012:14-15.

(责任编辑姚小槐)

收稿日期：2015-10-22

作者简介：张善亮(1981-)，男，高级工程师，硕士，主要从事河流动力学及水利工程规划工作。

中图分类号：U641.2+1

文献标识码：B

文章编号：1008-701X(2016)02-0068-04

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.019