奔牛水利枢纽导流河弯道水流特性分析

2019-11-05顾黄飞刘永刚

水利科技与经济 2019年10期

李雷，顾黄飞，刘永刚

(1.江阴市重点水利工程建设管理处，江苏江阴 214431； 2.无锡市泓利工程监理有限公司，江苏无锡 214400； 3.江阴市长泾水利农机管理服务站，江苏江阴 214400)

1 工程概况

根据奔牛水利枢纽工程中各组成建筑物的任务和规模，结合拟建场地区地形、地貌和地质情况，船闸选址于原新孟河河道上，与现状京杭运河航道正交布置，船闸中心线与现状新孟河河口段河道中心线一致；节制闸与船闸并列布置于现状新孟河河口段；穿京杭运河立交地涵拟建于现状新孟河河口以东，立交地涵纵轴线与船闸中心线间距为210 m，节制闸中心线与船闸中心线间距为20.1 m(图1)。按照新孟河和京杭运河现状通航标准，新孟河导航河道标准为Ⅵ级航道，京杭运河导航河道标准为Ⅲ级航道。

图1 奔牛水利枢纽鸟瞰图

2 施工导流总体布置

根据奔牛水利枢纽合并工期后的施工导截流设计情况，在现状京杭运河南侧开挖导流/导航河道，然后通过京杭运河上的1#，2#围堰，形成穿京杭运河立交地涵的施工基坑；通过新孟河上的3#，4#围堰，形成船闸和节制闸的施工基坑。1#，2#和4#围堰挡京杭运河洪水，设计防洪标准为20年一遇，设计洪水位为6.06 m；3#围堰挡新孟河洪水，设计防洪标准为10年一遇，设计洪水位为5.86 m。见图2。

图2 奔牛水利枢纽施工总布置图

3 施工导流设计与流量安排

施工期间施工导流标准按照施工段上游来水主汛期20年一遇设计，相应导流流量为276.4 m3/s[1]。第二、第四阶段，导流河分流248.8 m3/s，新孟河分流27.6 m3/s；第三阶段，利用导流河分流。导流河河道标准断面见图3。

图3 导流河标准断面图

4 数学模型参考范围

奔牛水利枢纽施工导流河数学模型(图4)参考范围由京杭运河部分直线段各200 m、弯曲半径428.5 m导流河及1#，2#，4#围堰外围组成。根据奔牛水利枢纽建筑物及河道布置情况，按照1∶1比例，建立导流河区域水流三维物理模型(图1)。

图4 三维数学模型

5 控制方程

奔牛水利枢纽施工导流河水流流动区域三维数值模拟采用三维雷诺时均N-S方程来描述其不可压缩湍流流动，方程式如下:

雷诺时均N-S方程：

式中：ρ流体密度；t为时间；ui(i=x，y，z)为速度沿i方向的分量；p为压力；v为流体的运动黏性系数。

6 边界条件设置

计算采用标准k-ε模型，一阶迎风格式；进口设置为速度进口；出口设置为自由出流，水流与空气接触面为刚盖假定，其余壁面均设为无滑移壁面条件，设定参考大气压力为1atm。枢纽所有边壁均设为无滑移壁面；迭代残差值为5×10-4。

7 水流特性分析

7.1 计算工况

施工期间，施工导流标准按照施工段上游来水主汛期20年一遇设计，相应导流流量为276.4 m3/s，相应水位6.06 m。京杭运河与新孟河流量分配分流比分别为1∶0，9∶1和5.67∶1，即新孟河流量分别为0，27.64和41.46 m3/s。

7.2 计算结果分析

施工导流河水流流态与速度分布见图5-图7。当新孟河流量为0 m3/s时，新孟河侧、围堰外围及出口处都出现较大的回流区，导流河流态平顺，导流河内侧最大流速0.7 m/s且分布范围很小。当新孟河流量为27.64 m3/s时，新孟河与京杭运河连接圆弧段、2#围堰外围出现较大的回流区，导流河流态平顺，导流河内侧最大流速0.65 m/s且分布范围很小。当新孟河流量为41.46 m3/s时，新孟河与京杭运河连接圆弧段、2#围堰外围出现较大的回流区，导流河流态平顺，导流河内侧最大流速0.6 m/s且分布范围很小。