浍河南坪船闸引航道流场数值模拟研究

2022-04-01张子浩

治淮 2022年3期

张子浩

（安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院水利水资源安徽省重点实验室蚌埠 233000）

1 工程概况

浍河位于淮河左岸，是淮河较大支流之一。上游发源于河南省商丘境内，流经夏邑，永城至张瓦房进入安徽省濉溪县临涣、南坪，经宿州市蕲县，于固镇县九湾镇汇入香涧湖，再经五河县城西南汇入淮河。自临涣至五河，全长约171km。

浍河南坪船闸位于淮北市濉溪县南坪镇，南坪节制闸处，上距临涣闸30.5km，下距蕲县闸18km。南坪船闸布置在节制闸左侧88.5m 处，S305 公路桥从上导航墙通过。船闸上下闸首顺水流向长度均26m，闸室段200m，上下游主导航墙长度均为50m，采用反对称布置，闸首口门及闸室净宽均为23m，为单级船闸。南坪船闸建成后，临涣闸以下段航道将全面通航，可较大缓解淮北市交通运输压力，促进当地经济发展和已建工程经济效益发挥。

2 模型建立

针对南坪船闸河道特点，采用建立在三角形网格上的专业二维模型MIKE21FM 进行模拟计算，该模型具有边界适应性好，计算速度快、考虑水动力条件全面等特点，并在长江口深水航道治理、淮河干流刘台子航段裁弯等多个工程得到应用，取得较好效果，为解决航道整治中遇到的水流问题提供了有力的技术支撑。

2.1 水流方程

模型的水流运动方程为基于Boussinesq 假定和静水压力假定的垂向平均不可压缩流体雷诺平均Navier-Stokes 方程。

2.1.1 连续方程

2.1.2 x 方向动量方程

2.1.3 y 方向动量方程

式中：x，y 为笛卡尔坐标系坐标；t 为时间；η 为水位；d 为静止水深；h=η+d 为总水深；u、v分别为x、y 方向上的速度分量，字母上带横杠是平均值，例如为沿水深平均的流速，由以下公式定义：f 是柯氏力系数，f=2ωsin，ω 为地球自转角速度，为当地纬度；g为重力加速度；ρ 为水的密度；sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量；S 为源项；（us，vs）为源项水流流速。

Tij为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出：

式中：A 为系数。

粘滞应力梯度项可转换为：

式中：Ex、Ey分别为水流的涡粘系数（m2/s），可由Smagorinsky 公式计算：

式中：Δ为单元面积（m2）；Cs为系数，取0.25～1.0。

2.2 网格划分和计算参数

根据工程河段特点，选取为浍河南坪闸上游3km 至南坪港下游1km 全长约4km 河道构建水动力模型计水沙数学模型。二维模型采用三角形网格，网格分为三级步长，即总体网格步长为20m；闸室附近网格步长1～2m；闸上、下游1km 范围内为过渡性网格，步长为2～10m。网格数量24201 个，节点数量10003。

时间步长：最小时间步长0.01s。

糙率：根据《安徽省包浍河初步治理工程报告》，该段河道主槽糙率为0.022～0.024，河道滩地糙率为0.036～0.04。

紊动黏性系数：采用Smagorinsky 公式确定，本文取0.28。

2.3 计算控制条件

地形选择：采用2014年实测地形图资料，1954北京坐标系，1985 国家高程标准。

计算工况：根据船闸引航道设计标准和浍河水文条件，选取3 组典型工况进行计算分析。具体工况选择见表1。

表1 模型计算工况表

3 计算结果分析

3.1 上游引航道

上游引航道与浍河交汇处流场见图1。10年一遇洪水工况，上引航道内最大横向流速0.27m/s，流态平顺，满足航道规范要求；5年一遇洪水工况，上引航道内最大横向流速0.28m/s，流态平顺，满足航道规范要求。

图1 南坪船闸上游引航道流场图

3.2 下游引航道

3.2.1 原设计方案

下游引航道航行区流场见图2。10年一遇洪水工况，下游引航道航行区无回流，基本无流速；引航道边坡处出现回流，回流流速0.05～0.45m，引航道与浍河交汇处航道最大横向流速0.43m/s，超出横向流速最大限值0.3m/s；5年一遇洪水工况，下游引航道航行区无回流，基本无流速；引航道边坡处出现回流，回流流速0.05～0.5m，引航道与浍河交汇处航道最大横向流速0.44m/s，超出横向流速最大限值0.3m/s；常遇大洪水工况，引航道边坡处出现回流，回来流速0.05～0.3m；引航道与浍河交汇处航道最大横向流速0.28m/s，满足航道最大横向流速要求。