泄水闸开启方式对通航水流条件的影响

伍志元,蒋昌波,2,陈 杰,2,邓 斌,2,杨 武（.长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙 40004；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙 40004）



泄水闸开启方式对通航水流条件的影响

伍志元1,蒋昌波1,2,陈 杰1,2,邓 斌1,2,杨 武1
（1.长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙 410004；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南长沙 410004）

摘要:为研究闸门开启方式对枢纽下游引航道口门区水流特征及通航水流条件的影响,以北江白石窑枢纽泄水闸为例,针对不同闸门开启方式对下游引航道口门区通航水流条件的影响开展三维数值模拟研究。结果表明:在较小流量情况下,闸门开启方式对下游引航道口门区通航水流条件影响较小;当流量较大时,闸门开启方式对下游引航道口门区通航水流条件影响较大。对于白石窑枢纽泄水闸,单开左岸泄水闸,或集中开启左岸泄水闸并间隔开启右岸泄水闸,下游引航道口门一线船闸航道右侧将不能满足通航水流条件要求。为保证船舶航行安全,建议该工程在下泄洪水时尽可能开启右岸泄水闸,或均匀开启全部泄水闸。

关键词:通航条件;三维数值模拟;泄水闸;口门区;白石窑枢纽

通航问题在水利枢纽建设中占有特别重要的地位,引航道是否通畅是枢纽建设成败的一个重要因素[1],引航道口门区水流特征是水利枢纽工程进行平面布置规划论证及优化研究必须考虑的重要因素。GBJ50139—2004《内河通航标准》[2]对水流在引航道口门区3个方向上的流速都有相应规定,对Ⅰ～Ⅳ级船闸而言,口门区纵向流速不大于2.0m/s,横向流速不大于0.3m/s,回流流速不大于0.4m/s。现阶段,枢纽引航道及其连接段的通航水流特征分析大多采用物理模型试验进行,并据此论证平面布置方案[3-4]。诸多学者在这方面开展了大量工作,取得了能够满足工程实际需求的成果,为三峡枢纽[5]、青田枢纽[6]和湘江株洲枢纽[7]等工程的建设提供了科学依据。但开展物理模型试验需耗费大量人力、物力和财力,时间周期长,且受到比尺效应的影响,采用数值模拟方法开展相关研究是解决这些困扰的可行手段[8]。已有学者采用数值模拟方法对口门区水流特征进行探讨,但大多基于平面二维模型,计算得到的流速为水深平均流速[9-12]。口门区水流结构十分复杂,其三维特性显著；《内河通航标准》[2]对于口门区通航水流条件的规定均限定为表层流速,而基于平面二维模型计算得到的流速为水深平均流速,并不能准确反映口门区流速垂向分布特征[8],亦无法为通航水流条件评定提供科学依据。发展适用于复杂条件下的引航道口门区三维水流数学模型,已成为水利枢纽通航水流条件计算研究的重要趋势[8,13]。

水利枢纽中泄水闸的不同开启方式会改变引航道口门区的水流特征,从而直接影响船舶进出引航道[14]。然而,目前关于泄水闸闸门开启方式对引航道口门区通航水流条件的影响研究相对较少,采用三维水流数学模型进行研究尚不多见。本文基于Boussinesq假定,采用雷诺平均的N-S方程建立引航道口门区三维水流数学模型,以白石窑枢纽为工程案例,对枢纽泄水闸不同闸门开启方式对通航水流条件的影响进行研究。

1 三维数学模型计算方法

1.1 控制方程

对于不可压缩流体,基于Boussinesq假定的雷诺平均N-S方程,可得到口门区三维水流方程组:连续性方程

x方向动量方程

y方向动量方程

式中:x,y,z为笛卡儿坐标；u,v,w分别为水流流速在x,y,z方向上的3个分量；t为时间；f为科氏力参数；η为水位；pa为大气压强；ρ0为水的密度；Fu、Fv为水平应力项；γt为垂向紊动黏度。

紊动模型垂向采用k-ε模型,垂向紊动黏度根据因子k和因子ε确定[15]:

式中cμ为黏结系数。

水平紊动黏度采用Smagorinsky[16]提出的模型进行计算:

其中

式中:cs为常数；l为特征长度；Sij为变形率。

1.2 数值方法

三维模型网格采用分层处理技术,平面上采用三角形网格,垂直方向采用结构化网格,采用有限体积法（FVM）对方程进行空间离散。根据Roe格式[17]的近似黎曼（approximate Riemann）求解方法计算垂向界面的对流流量,采用线性梯度重构方法获取二阶精度,水平界面的对流流量使用一阶迎风格式求解,其中平均梯度采用Jawahar等[18]的方法计算,采用二阶TVD（total variation diminishing）缓坡限制器可有效避免数值振荡,具体数值方法和动边界处理技术见文献[8]。

2 计算结果与分析

图1 白石窑枢纽口门区三维水流数学模型

2.1 白石窑枢纽口门区三维水流数学模型

基于上述方程,建立了白石窑枢纽口门区三维水流数学模型（图1）,模型入口为白石窑枢纽,出口位于枢纽下游约2.0 km处。计算模型在水平方向采用三角形网格,垂直方向采用σ坐标进行分层处理,共分为10层,网格最大长度约为25m,对枢纽泄水闸、电站、引航道和丁坝附近进行了网格加密,网格最小长度约为2.0m。本文计算模型包括三角形网格节点13823个,三角形单元26770个。图1给出了白石窑枢纽下游引航道口门区三维水流数学模型的河道计算范围地形和计算网格。

数学模型验证包括水面线验证和流速验证,详见文献[8]。计算采用的地形资料是由广东省航道局提供的地形测图,在枯水Q=500m3/s、中水Q=1000m3/s和洪水Q=4990m3/s这3级流量下,对三维数值计算结果进行水面线验证和流速验证。结果表明数值计算结果与实测水面线、流速保持一致,所建立的数学模型能够达到计算精度要求,可用于通航水流条件分析。

2.2 计算工况的确定

白石窑枢纽二线船闸平面布置采用相关主管部门和专家提出的“保留老船闸、新建二线船闸”的补充方案。泄水闸布置于大江河床,共计22孔。泄水闸前沿总长279m,分两区布置,如图1所示,左边13孔,编号为1～13号,右边9孔,编号为14～22 号,以中隔墙分开。泄水闸属于开敞式宽顶堰,地基为坚硬岩石,闸顶桥面标高44.32m,孔口净宽10m,中墩宽2.5m,堰顶高程25.32m。白石窑枢纽上游来流大于2000m3/s时,开启泄水闸下泄洪水。

根据交通部西南水运工程科学研究所进行的白石窑水利枢纽坝下整治后通航建筑物模试验的研究成果,分别考虑2级流量8个工况（表1）。模型进口采用流量边界条件,在电站机组和22孔泄水闸处分别设置进口流量边界条件,各闸下泄流量根据闸门开度通过堰上闸孔出流公式推求得到。

2.3 口门区水流条件分析

在白石窑枢纽下游引航道口门区附近布置6个断面,共36个测点,如图2所示,测量枢纽泄水闸下泄时的口门区表面流速,得到口门区附近纵向流速、横向流速、回流流速,探究泄水闸闸门不同开启方式对口门区通航条件的影响规律。

表1 白石窑枢纽下游计算工况

图2 白石窑枢纽下游表层流速测点布置示意图

图3给出了流量Q=6740m3/s条件下,白石窑枢纽泄水闸按照工况1、4、5下泄时枢纽下游表层流速分布云图。当泄水闸按照工况1开启时,下游引航道流场如图3（a）所示,下游引航道口门区的31号测点最大纵向流速为2.027m/s,略大于《内河通航标准》规定的2.0m/s,但该区范围很小,其余均小于2.0m/s；横向流速最大值为0.282m/s,小于《内河通航标准》规定的0.3m/s；回流速度最大值为0.344m/s,小于《内河通航标准》规定的0.4m/s。所以,该工况下游引航道口门区通航水流条件总体符合要求。

当泄水闸按照工况4进行开启时下游引航道流场如图3（b）所示。下游引航道口门区纵向流速范围是0.0046～1.986m/s,小于2.0m/s；横向流速最大值为0.280m/s,小于0.3m/s；回流速度最大值为0.418m/s,略大于0.4m/s,但范围很小。所以,该工况下游引航道口门区通航水流条件总体符合规定要求。

当泄水闸按照工况5进行开启时,下游引航道流场如图3（c）所示,下游引航道口门区横向流速最大值为0.300m/s；回流速度最大值为0.240m/s,小于0.4m/s；其中25号、31号、32号、33号测点纵向流速大于2.0m/s,最大纵向流速为2.431m/s,局部区域纵向流速不满足要求。所以,工况5下游引航道口门区通航水流条件不符合规定要求。

图3 白石窑枢纽下游表层流速分布云图（Q=6740m3/s）

图4给出了流量Q=4990m3/s条件下,白石窑枢纽泄水闸按照工况6、7、8下泄时枢纽下游表层流速分布云图。当泄水闸按照工况6进行开启时,下游引航道流场如图4（a）所示。下游引航道口门区最大纵向流速为1.843m/s,小于2.0m/s；最大横向流速为0.237m/s,小于0.3m/s；最大回流流速为0.373m/s,小于0.4m/s。因此,工况6下游引航道口门区能满足通航水流条件要求。

当泄水闸按照工况7进行开启时,电站满发, 14～22号闸各开6m,13号闸开5m,12号闸开4.7m,下游引航道流场如图4（b）所示。下游引航道口门区最大纵向流速为1.838m/s,小于2.0m/s；最大横向流速为0.247m/s,小于0.3m/s；最大回流流速为0.157m/s,小于0.4m/s。因此,工况7下游引航道口门区也能满足通航水流条件要求。

当泄水闸按照工况8进行开启时,电站满发, 1～13号闸各开4.7m,下游引航道流场如图4（c）所示。下游引航道口门区最大纵向流速为1.773m/s,小于2.0m/s；最大横向流速为0.181m/s,小于0.3m/s；最大回流流速为0.070m/s,小于0.4m/s。因此,工况8下游引航道口门区也能满足通航水流条件要求。

图4 白石窑枢纽下游表层流速分布云图（Q=4990m3/s）

根据调度要求,当白石窑枢纽上游来流大于2000m3/s时,水库开启泄水闸开始下泄。对比工况6～8下游流态和口门区流速结果,全闸敞泄、单开左岸泄水闸或单开右岸泄水闸,枢纽下泄总流量为4990m3/s,此时下游引航道口门区均能满足通航对水流条件的要求。因此,当流量较小时,不同的闸门开启方式对下游引航道口门区水流条件影响较小。对比工况1～5下游流态和口门区流速结果,流量为6740m3/s时,全闸敞泄、单开右岸泄水闸或者集中开启右岸泄水闸并间隔开启左岸泄水闸时,该区域内通航水流条件良好。单开左岸泄水闸或者集中开启左岸泄水闸并间隔开启右岸泄水闸时,下游引航道口门一线船闸航道右侧达不到通航对水流条件的要求。

因而,当流量较大时,不同的闸门开启方式对下游引航道口门区水流条件影响较大,为保证船舶航行安全,建议白石窑枢纽洪水下泄时应尽可能开启右岸泄水闸,或者均匀开启全部泄水闸。

3 结 语

基于不可压缩RANS方程,采用三维水流数学模型探讨不同闸门开启方式对枢纽下游引航道口门区通航水流条件的影响。模型平面方向采用三角形非结构化网格,垂向采用σ分层坐标,将模型应用于白石窑枢纽下游引航道口门区水流特征研究。通过下游流态和口门区流速对比,得出流量较小时不同的闸门开启方式对下游引航道口门区水流条件影响较小；流量较大时,不同的闸门开启方式对下游引航道口门区水流条件影响较大。单开左岸泄水闸,或者集中开启左岸泄水闸并间隔开启右岸泄水闸时,下游引航道口门一线船闸航道右侧不满足通航水流条件要求。为保证船舶航行安全,建议白石窑枢纽进行洪水下泄时尽可能开启右岸泄水闸或者均匀开启全部泄水闸。该三维数学模型可用于白石窑枢纽引航道水流条件计算分析,也可为今后其他水利枢纽调度方案优化、船舶航行安全分析等提供参考。

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中图分类号:TV61

文献标志码:A

文章编号:1006- 7647（2016）03- 0073- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.015

基金项目:国家自然科学基金（51239001）；湖南省教育厅科学研究项目（14C0024）；湖南省研究生科研创新项目（CX2015B348）

作者简介:伍志元（1989—）,男,博士研究生,主要从事河流、海岸动力过程及其模拟技术研究。E-mail:wuzhiyuan89@ yeah.net

通信作者:蒋昌波（1970—）,男,教授,主要从事河流、海岸动力过程及其模拟技术研究。E-mail:jcb36@ vip.163.com

收稿日期:（2015 04- 08 编辑:骆超）

Influence of sluicegate openingmode on navigation flow condition

WU Zhiyuan1, JIANG Changbo1,2, CHEN Jie1, 2,DENG Bin1,2, YANG Wu1（1.School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China；2.Key Laboratory of Water and Sediment Sciences & Flood Hazard Prevention of Hunan Province, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China）

Abstract:The sluicegates of the Baishiyao Hydro-Junction in the Beijiang River were selected to study the influence of the sluicegate openingmode on flow features and navigation flow conditions in the entrance area of an approaching channel downstream of the hydro-junction.Three-dimensional（3D）numerical simulation was conducted on the influence of different sluicegate openingmodes on the navigation flow conditions in the entrance area of the downstream approaching channel.The results show that the influence of sluicegate openingmodes on the navigation conditions is small when the flow is low, and the influence of sluicegate openingmodes on the navigation conditions is large when the flow is high.For the sluicegates of the Baishiyao Hydro-Junction, a single opening of the left sluicegate or intensive opening of the left sluicegate with opening at intervals of the right sluicegate will prevent the navigation flow conditions of the right side of the first-line ship lock frommeeting the requirements in the entrance area of the downstream approaching channel.To ensure the safety of navigation, it is suggested that the right sluicegate of the Baishiyao Hydro-Junction be opened or else all the sluicegates be opened during flood drainage.

Key words:navigation condition；3D numerical simulation；sluicegate；entrance area；Baishiyao Hydro-Junction