弯道导流河水流流动特性分析

陆纪友，刘永刚

(江阴市长泾水利农机管理服务站，江苏 江阴 214400)

1 工程背景

某地涵工程建于上世纪70年代，共5孔，每孔3 m×3 m，底板、边墩与顶板采用混凝土结构，中墩采用浆砌块石结构。由于年代久远，相关原始设计资料散失，混凝土、浆砌块石标号已不可考。该地涵工程结构老化，已多次加固改建，仍不能满足现状运行要求。在洼地整治工程中予以拆建，只保留改建的下洞首。拆建地涵结构有上洞首、十二节洞身，连接原有的下洞首；地涵连接小闫河，徐洪河与地涵正交，拆建后地涵剖面图见图1。

图1 拆建地涵剖面图

2 导流河布置

根据地涵工程施工导截流设计情况，在现状徐洪河上下游各设置围堰后开挖导流/导航河道，通过小闫河上下游设置围堰，形成地涵的施工基坑。导流河最低通航水位18.5 m，常水位为20.2 m(废黄河高程，下同)，相应导流流量为53.13和115.29 m3/s。导流河开挖断面见图2，平面布置见图3。导流河弯曲段X方向长1 801 m，Y方向宽416 m，有必要进行数值模拟计算分析大曲率弯道水流流动对导流河通航以及边坡冲刷的影响。

图2 导流河开挖断面图

图3 导流河平面布置图

3 数学模型参考范围

该地涵导流河数学模型参考范围由进出口直线段不小于5倍水面300 m、弯曲段及徐洪河上下游围堰外围组成。根据该地涵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数学模型(图4)。

图4 导流河三维数学模型

4 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)速度沿i方向的分量；p压力；v流体的运动黏性系数。

5 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。

6 水流特性分析

6.1 通航代表船型

根据《运河通航标准》有关规定，徐洪河河道通航等级为5级航道，过船等级300 t；运河航道中纵向流速不超过1.0 m/s；运河中的取、泄水口和其他汇流口的水域，航道横向流速不应超过0.3 m/s，回流流速不应超过0.4 m/s[1]。通航代表船型见表1。

表1 通航代表船型

6.2 计算结果分析

施工导流河最低通航水位18.5 m和常水位20.2 m工况水流流态与速度分布见图5-图6。最低通航水位和常水位下，导流河直线段、弯曲段流态平顺；弯曲段导流河流速分布均匀，最大流速不超过0.6 m/s，且分布范围很小；进出口与圆弧段连接处出现回流，且靠近内侧圆弧，回流区最大流速不超过0.25 m/s；平行于航线的纵向流速最大不超过0.6 m/s，符合规范要求。弯道导流河纵向流速分布规律比较符合休克莱弯道水槽实验成果[2]。

图5 导流河最低通航水位流态流速分布图

图6 导流河常水位流态流速分布图

6.3 冲淤计算

根据地勘报告，导流河河床位于②层中粉质壤土(图7)，土壤颗粒直径0.005～0.075 mm占75.8%，为细粒土。河床不冲流速按列维公式计算：

式中：Rα为水力半径修正系数，其中R为过水断面水力半径；h为河道水深；d为河床土质平均粒径。

按上式计算得到，该段河床不冲流速为1.08 m/s，大于导流河最大流速0.6 m/s(详见图6)，满足抗冲要求，不影响河床、河道边坡稳定。

图7 徐洪河土层分布

7 结 语

通过对该地涵弯道导流河水流流动数值模拟计算，从水流流态、流速分布、冲淤计算分析等方面，得到结论如下：

1) 不同工况下，导流河流态较为平顺，仅在进出口圆弧过渡段局部出现较大回流区且靠近内侧，不影响过船安全。

2) 不同工况下，导流河最大流速不超过0.6 m/s，满足抗冲要求，不影响河床、河道边坡稳定。