淮河入海水道二期漫滩三维水动力数值研究

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(1.江苏省交通运输厅，江苏南京210001；2.中交水运规划设计院有限公司，北京100007)

内河航运是现代综合运输体系中重要组成部分，是水资源合理开发和综合利用的主要内容之一。目前国内外许多学者对于航道的安全利用进行了一系列的研究。

曹民雄[1]研究了山区河流急流滩的形成条件,分析了影响滩情的主要因素和主要流态与碍航情况,并提出了滩段局部阻力系数的计算公式,论证了滩段水面形态、流速平面分布与滩段地形的相互关系。李欢等[2]分析了岷江新开河滩群的碍航特性,采用物理模型试验,利用弯道水流特性,将航槽置于滩沿附近,走凸岸缓流,凹岸断面扩大使主流偏离航槽,利用边滩中部漏浩提前分流,减小航道流速。枚龙[3]利用水动力学MIKE模型分析了航道工程中船闸灌泄水非恒定流对引航道水流条件的影响，研究了水面波动对航深的影响以及往复流对船舶停靠的影响。李文丹[4]用TK-2D软件建立了广州港深水航道所在海区的基于不规则三角形网格的潮流数学模型,在采用现场实测资料对模型进行充分验证的基础上,对伶仃洋深水航道进行了潮流数值模拟研究,从潮流场角度分析了深水航道开发的可行性。庞雪松等[5]通过物理模型进行研究，针对羊栏滩的水力特性,对比航槽拓宽、黔江汇流口改善工程、大沙左汊开挖分流以及大沙中槽开挖分流等4种整治思路,提出了开挖非航槽分流方案,工程实施后航道条件得到明显改善。宋禹辰等[6]建立了泵站二维数学模型，概化模型结构，结合泵站水流入汇和泵站自身水工结构阻水两方面因素分析拟建工程对航道条件的影响大小。周杨等[7]建立了奔牛水利枢纽新孟河侧水流三维数学模型，通过船闸下游引航道区域三维水流水动力学的计算，优化导流墙长度。

上述学者对内河航道水流流态做了大量的计算分析和试验工作，推动了航运的开发利用进程。以往学者通过数学模型在研究内河航运水流条件时，由于模拟范围较大，大多采用二维数值模型进行模拟分析，对于三维局部地形如肩滩等处流速模拟往往不够精确。由于内河河流流态复杂，水位波动变化较大，特别是小流量行洪时存在河道漫滩现象，对航道高效安全利用仍存在较大困难。

为解决上述问题，本文以淮河入海水道二期工程为例，建立三维数值水槽，模拟不同地形、流量下水流的三维运动，着重分析漫滩条件下航道内三维流态，研究结果可以为小流量行洪导致河道漫滩时安全航行提供参考依据。

1 数学模型

1.1 三维数值波浪运动控制方程

三维水流运动控制方程采用RANS形式，由连续性方程、动量方程以及表达紊动特性的紊动动能和紊动耗散率方程组成。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

利用VOF[8]方法追踪水气界面，该方法是利用水体体积分数F(x,y,z,t)求解重构自由波面的运动，水体体积分数控制方程如下：

(7)

数学模型的计算方法主要有有限差分法、有限体积法、有限元法等，本文采用有限体积法中的GMRES算法。GMRES算法，即广义最小残差法。它是由Saad和Schultz[9]提出的用于求解高维度非对称稀疏线性方程组的一种迭代算法，其基本方法为在求解较大维数方程组时，通过在较低维上的求解来得到满足一定精度要求的解。GMRES算法[10]对于大部分的求解问题都具有较高的计算精度与效率，并且具有较好的收敛性、对称性及速度性。

耦合求解上述方程(1)—(7)，即可求得u、v、w、p、K、ε和F。

1.2 三维数值水槽的建立

选取黏性和K-ε紊流模块表征水流紊动行为，建立三维数值水槽。水槽划分为前端造流区、工作区和尾端出流区。其中水槽上部为空气，下部为水体。在数值波浪水槽的造流区利用流量边界实现函数造流功能，在尾端消波区利用开边界条件出流。

本次入海水道三维模型构建采用的设计断面自洪泽湖二河闸～海口枢纽为分段设计，涉及二河闸～二河新泄洪闸～淮安枢纽立交地涵～滨海枢纽～海口枢纽段。

图1 032K+500断面

分别选取上中下游典型断面进行分析，即在淮安枢纽至淮阜控制之间选取2个断面即032K+500、052K+000，深泓在这2个断面上宽度为250 m，在淮阜控制至滨海枢纽之间选取1个断面即84K+000，深泓在此断面上宽度为230 m。航道中心线与深泓中心线重合，航道底宽60 m。模型断面见图1、3、5，三维地形见图2、4、6。

图2 032K+500断面三维地形

图3 052K+000断面

图4 052K+000断面三维地形

图5 084K+000断面

图6 084K+000断面三维地形

2 计算结果与分析

利用数学模型对长5 m，宽600 m，高11 m的三维数值水槽进行水动力模拟；入口流量Q=1 100、1 500、2 000和4 391 m3/s，三维地形断面为032K+500、052K+00、084K+000，共计12组工况。为了精细计算淮河入海水道水流流态，划分结构化网格3 863 750个。

X方向为垂直河道断面，其中沿下游方向为正方向；Y方向为沿河道断面，其中沿主流方向向左为正方向，右岸边界处Y=0；Z方向为重力方向，其中竖直向上为正方向。河道坐标XYZ为沿河道断面坐标。

2.1 032K+500断面流态

图7中，在主航道范围内横向流速y小于0.1 m/s，规范要求横流小于0.3 m/s，在本航道通航断面内满足通航要求；深泓底边线范围内横向流速y小于0.2 m/s；在右岸小南泓内，横向流速也较小；但在河道左右两岸的滩肩部位至堤脚，横向流速急剧变大，1 100 m3/s时右岸滩地的横向流速达到-1.0 m/s、左岸滩地的横向流速达到1.1 m/s；1 500 m3/s时右岸滩地的横向流速达到-0.38 m/s、左岸滩地的横向流速达到0.48 m/s；2 000 m3/s时右岸滩地的横向流速达到-0.6 m/s、左岸滩地的横向流速达到0.7 m/s， 4 391 m3/s时右岸滩地的横向流速达到-1.2 m/s、左岸滩地的横向流速达到1.3 m/s。

a) 4 391 m3/s流量河道断面y向速度分布

b) 2 000 m3/s流量河道断面y向速度分布

c) 1 500m3/s流量河道断面y向速度分布

d) 1 100 m3/s流量河道断面y向速度分布图7 032K+500断面不同流量下河道断面y向速度分布

从漫滩后流量大小分析，可以发现在流量1 100 m3/s时左岸及右岸的横向流速较1 500、2 000 m3/s流量时要大，说明水流刚刚上滩时滩面上横向流速最大，此时为流态最紊乱的状态。

2.2 052K+000断面流态

052K+000断面流态结论与上节类似，见图8，在主航道范围内横向流速y小于0.1 m/s，满足通航要求；深泓底边线范围内横向流速y小于0.2 m/s；在右岸小南泓内，横向流速小于0.5 m/s；但在河道左右两岸的滩肩至大堤堤脚，横向流速急剧变大，1 100 m3/s时右岸未上滩、左岸滩地的横向流速达到0.75 m/s，1 500 m3/s时右岸滩地的横向流速达到-0.9 m/s、左岸滩地的横向流速达到0.62 m/s。

a) 1 500 m3/s流量河道断面y向速度分布

b) 1 100 m3/s流量河道断面y向速度分布图8 052K+000断面不同流量下河道断面y向速度分布

从漫滩后流量大小分析，可以发现在流量1 100 m3/s时左岸的横向流速都较1 500 m3/s流量时要大，右岸的横向流速在1 500 m3/s漫滩，说明水流刚刚上滩时滩面上横向流速最大，此时为流态最紊乱的状态。

2.3 084K+000断面流态

084K+000断面流态结论与上节类似，见图9，在主航道范围内横向流速y小于0.08 m/s，满足通航要求；深泓底边线范围内横向流速y小于0.25 m/s；但在河道左右两岸的滩肩至大堤堤脚，横向流速急剧变大，1 100 m3/s时左岸滩地的横向流速达到1.3 m/s，1 500 m3/s时左岸滩地的横向流速达到0.9 m/s。从漫滩后流量大小分析， 可以发现在流量1 100 m3/s时左岸的横向流速较1 500 m3/s流量时要大，说明水流刚刚上滩时滩面上横向流速最大，此时为流态最紊乱的状态。

a) 1 500 m3/s流量河道断面y向速度分布

b) 1 100 m3/s流量河道断面y向速度分布图9 052K+000断面不同流量下河道断面y向速度分布

3 三维流速分布

图10给出了032K+500断面在流量1 100 m3/s，即刚刚漫滩时沿断面流速分布矢量。可以发现，横向流速在遇到斜坡，上滩过程中逐渐增大，在滩肩处存在最大横向流速，上滩后横向流速逐渐减小。刚刚漫滩时滩肩流速最大，对航行安全造成影响；泓堤处受到地形影响，横向流速略有增大；主航道处横向流速在0.05 m/s附近，航道处横向流速受到漫滩水流影响较小。

a) 右岸岸滩横向速度分布

b) 右岸泓堤横向速度分布

c) 左岸岸滩横向速度分布图10 032K+500断面流速分布矢量

4 结论

本次淮河入海水道二期配套通航工程漫滩三维水流流态分析，选取淮安枢纽至滨海枢纽之间共计3个断面，通过断面三维建模，分析断面三维流态。从3个典型断面分析结果得知，淮河入海水道上游二河闸小流量泄洪时，刚漫滩时，深泓范围外的滩肩至大堤堤脚范围流态较紊乱，横向流速较大。在漫滩过程中航道范围内横向流速均小于0.1 m/s，对船舶航行不会造成不良影响。淮河入海水道二期深泓宽度在230～260 m之间，航道范围仅占用深泓宽度1/3左右，因此可通过设置浮标等措施限制船舶在航道范围内航行，即可保证在泄流漫滩过程中的行船安全。需要注意的是，本文基于淮河入海水道二期工程小流量行洪条件，工况相对简单。复杂内河河流条件下，局部碍航行为的研究仍待深入开展。