弯曲河段船闸引航道通航水流条件模拟

张 羽，杨朝辉，赵集云，丁梦霞

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046)

口门区是连接船闸与河道的纽带，位于引航道内静水与河道中动水的交界处，引航道口门区通航水流条件关系到船队能否安全出入船闸。因此，有必要进一步研究该类工程引航道口门区的通航水流条件。为保证船只安全、平稳航行，引航道口门区水流横向与纵向速度不应过大，并且不应有复杂的水流条件，如涡流、回流等。为此很多学者进行了深入研究，如李茜希等[1]分析不同流量下河道主流与引航道口门区回流流速变化情况；陈辉等[2]通过模拟河道主流与引航道中心线夹角变化，分析引航道口门区水位、流速分布等水流特征；王云莉等[3]分析引航道口门区不良水流流态特点，根据相关标准的要求，提出改善措施；齐庆辉等[4]利用Mike软件数值模拟研究引航道口门区流速等水力特性，并提出当引航道水流流态不满足规范要求时，在导流墩附近加格栅等措施；李君涛等[5]研究利用导流墩等工程措施，可以减少斜流和回流对船只通航的影响；祁永生等[6]通过河工模型试验，发现闸门的调度组合及导流墩等优化方案，可以改善船闸的通航水流条件；李兴亮等[7]通过研究发现，在引航道口门区采用多种工程措施组合，可以有效减少水流对船只航行的影响，确保船只安全通过；杨升耀等[8]研究船闸引航道口门区交界处，不同工况下导航墙分流情况对通航的影响；王建平等[9]根据河势走向和弯曲河段水流运动特性，上游调整岸线如设置丁坝群等，在引航道口门区产生过渡段区域，改善口门区水流流态；杨忠超等[10]采用二维数值模拟研究，采用设置导航墙及增加导流墩等优选设计方案，经过对比分析其通航水流条件变化情况，得到符合标准要求的优化方案。

上述研究大多侧重于河工模型试验或数学模拟，对数学模型与物理模型相结合的方式研究较少。本文以南阳唐河郭滩航运枢纽为例，通过调度方式对船闸引航道口门区水力特性影响进行数值模拟研究计算，与弯曲河段船闸引航道口门区通航水流条件模型试验进行对比分析，并与前人研究结果进行验证，分析节制闸对水力特性的影响。

1 数学模型

1.1 数学模型的建立

本文对研究河段进行数学建模，范围为上游引航道口门区附近约1.2 km区域的河段(节制闸上游1.2 km的区域)，通过数值模拟计算结果可知，引航道口门区通航水流条件引航道口门区的水流呈明显的二维平面流动，其中忽略垂向流速的影响。模型拟采用非结构网格有限体积法进行数值离散，整个计算空间被划分为多个相互连接但无重叠的三角形网格单元。为了保持模型计算的稳定性，调整模型中的时间步长，确定收敛条件判断数CFL的数量小于1。以二维平面模型对船闸引航道口门区进行数值模拟，采用Mike21流体模拟软件，采用非结构化三角网格，网格边长最大每1.4 m一个，最小每0.3 m一个，另外还对重点计算域引航道口门区的网格进行加密处理，共布置网格单元3.381 6万个，网格节点1.747 1万个，以保证计算的准确，网格划分见图1。

图1 网格划分

根据河道形态及水流特征，采用水深平均的平面二维浅水数学模型，其基本控制方程为：

水流连续方程：

(1)

x方向动量方程：

(2)

y方向动量方程：

(3)

式中：t为时间；u、v分别为沿x、y方向的流速；h为水深；η为床面高程；εxy、εxx、εyy为紊动黏性系数；n为糙率；ρ为水密度。

1.2 模型验证

对该引航道进行二维建模，模型进口采用流量进口，模型出口为水位边界，将引航道口门处的流速分布与模型的测量结果进行比较。以326 m3/s流量为例，对引航道口门处的水面线及断面流速分布进行验证，将模拟计算结果的A-A′断面的流速、水位与实测数据、模型试验值进行对比，见图2。可以看出，实测水面线与模型验证水面线较为吻合，符合规范要求。根据实测断面流速水深，在相同位置模型试验进行了流速水深测量，试验结果与原型实测也基本一致，故水流运动满足相似要求。数学模型计算结果与原型实测资料基本吻合，该数学模型能很好地模拟引航道口门区的水流结构。

图2 数值模拟-验证试验测量数据对比

2 试验方案与分析

2.1 通航水流条件限值

GB 50139—2014《内河通航标准》[11]的相关要求见表1。南阳郭滩航运枢纽为IV级，引航道口门区纵向、横向、回流流速分别不应大于2.00、0.30、0.40 m/s。

表1 口门区水面流速最大限值

2.2 试验工况的选择

根据唐河多年来流分析，模拟流量工况范围为326～1 810 m3/s，选择326、500、1 000、1 500与1 810 m3/s等5个流量进行试验分析。由物理模型试验得出，上游来流量在326～1 000 m3/s时，改变节制闸闸门调度方式，发现河道主流与引航道口门区夹角发生变化，此时河道主流稳定在距左岸84～90 m处，主流在引航道口门区断面最大纵向主流流速为1.12 m/s，引航道连接段内水流紊动作用弱，对船只通航影响低。

上游来流量在1 000～2 000 m3/s时，引航道口门区左侧出现回流漩涡，此时河道主流流速大，河道主流最大纵向流速1.68 m/s，引航道连接段内水流紊动作用强，有小范围往复流出现，最大横向流速为0.26 m/s回流区随着河道主流的行进(前行)而逐渐消失；且口门区回流造成引航道湍流，形成斜流，不利于航运。在来流流量超过2 000 m3/s时，节制闸处于全开状态，调度方式对水流条件几乎无影响。

本文主要选择上游来流为1 000和1 500 m3/s两种工况进行试验，根据设计调度方案[12]，节制闸门共12孔，从左岸依次向右为1#～12#闸门。在相同流量下，通过调节节制闸闸门调度中四孔、左八孔等方式，分析引航道口门区通航水流条件。上游引航道口门区断面测点布置见图3，其中从导航墙堤头附近开始，沿引航道口门区断面呈1×10矩阵布置(1行1列，共10个测点，口门左侧每个点间距20 cm，右侧点距30 cm)。

图3 测点布置

3 试验结果及对比分析

3.1 模型试验结果

引航道口门区通航水流条件工况见表2，主要介绍2种流量下的4种不同调度方案。对2种通航流量为1 000、1 500 m3/s不同调度方式下的上游引航道口门区通航水流条件进行数值模拟，引航道口门区整体、局部的流速分布云图见图4、5。

表2 调度方案设置

图4 引航道口门区整体流速分布云图

图5 引航道口门区局部区域流速分布云图

可以看出，当上游来流为1 000 m3/s时，引航道口门区断面纵向流速为-0.2～1.2 m/s，横向流速为-0.5～0.3 m/s，导航墙堤头左侧位置形成回流漩涡，漩涡中最大流速为0.14 m/s，此时口门区右航线(出口下40～60 m)通航水流条件较差。上游水位满足通航水位的要求，此时仅中四孔闸门打开，从流速分布上看，河道主流流速较两岸最高流速大1.12 m/s，引航道内最大流速0.32 m/s。当闸门在1 000 m3/s、闸门调度为左八孔时，发现引航道口门区断面纵向流速为-0.80～1.41 m/s，横向流速-0.45～0.18 m/s，导航墙堤头正前方形成回流漩涡，且漩涡区域大。此时主流流速较大，引航道内流速较小仅0.17 m/s。口门区右航线(出口下40～70 m)通航水流条件较差。当上游来流为1 500 m3/s、闸门调度为中四孔时，引航道口门区断面纵向流速为-0.85～1.24 m/s，横向流速-0.65～0.23 m/s，导航墙堤头左侧有局部回流漩涡，回流流速小于0.4 m/s。此时口门区断面流速较大，水流流态湍急，从流速分布上看，河道主流区略偏向左岸，引航道内流速偏大，最大流速仅0.15 m/s，并未出现紊动水流，满足通航要求。当闸门在1 500 m3/s、闸门调度为左八孔时，发现引航道口门区断面纵向流速为-0.64～1.68 m/s，横向流速为-0.56～0.26 m/s，导航墙堤头正前方附近产生回流漩涡，此时口门区主河道断面流速较大，水流流态湍急。但从流速分布上看，河道主流区略偏向左岸，但引航道内最大流速仅0.15 m/s，并未出现紊动水流，满足通航要求。

总体上，在上游引航道口门区转弯处主流水流向左岸轻微滑移，至节制闸的泄水口，引航道口门区连接段与航道轴线形成一定交角，即斜流，斜流效果明显，侧向流速较高，对口门区通航水流条件不利。同时，在口门区左岸形成顺时针三角形回流区。再循环的回流流速较低。引航道内有较弱回流，其余为弱往复流。

3.2 调度方式及结果分析

由计算结果可知，当上游来流一致时，通过控制闸门的的调度组合方式，可以有效改善引航道口门区的水力特性。当上游来流总量为1 000、1 500 m3/s时，对方案a与b、方案c与d之间上游引航道口门区通航水流条件进行对比分析。可以看出随着节制闸闸门的开启，闸门组成越来越靠近船闸，河堤与引航道轴线的交角减小；河流主流越接近引航道口门区。此时，对口门区域和引航道的水流条件不利。

根据相同流量条件下计算结果可知，当控制闸门调度方式时，河道主流受导航墙阻碍而分流，在导航墙前产生回流漩涡，回流漩涡在导航堤附近向左偏移，最终随主流前进而消失。当上游来流一致时，控制闸门开启调度组合方式，随着引航道与河道主流夹角增大，口门区的回流作用变小，引航道内横向流速降低，斜流效应也减弱，水流流态相对趋于稳定，满足通航水流标准。

不同方案的口门区流速特征见表3。结合图7可以看出，在Q=1 000 m3/s条件下，方案a与b在流量一致的情况下，方案a口门区最大纵横流速相对较小，流态稳定，回流流速满足内河航运标准。方案c与d在Q=1 500 m3/s条件下，方案d口门区最大横向流速极值差别较小，但回流区域范围及流速较小，回流流速满足内河航运标准，因此，在流量一定的情况下，通过控制调度方式，可以有效削弱(减弱)回流及斜流效应。

表3 口门区流速特征

3.3 物理模型与数学模型结果对比分析

将数值模拟结果与物理模型试验(模型几何比尺为1:75)相应流量下口门区的相同测点流速进行对比分析，结果见表4。可以看出，各级流量下数学和物理模型的流速分布吻合较好，断面纵向流速最大误差为0.09 m/s，该数学模型能较好地模拟船闸引航道口门区的水流条件。

表4 数学和物理模型的口门区流速比较

4 结语

1)物理模型与数值模拟结果进行对比验证，两者结果吻合良好。

2)结合Mike21软件建立引航道数学模型，并得到引航道口门区水流变化规律，主流在上游引航道口门区正前方分流，产生回流漩涡，向左岸轻微滑移，并随着主流前进至节制闸的泄水口。

3)当其他条件一定时引航道口门区断面流速随流量增大而增大，斜流随回流漩涡与引航道轴线形成的夹角增大而增大。

4)当上游来流1 000 m3/s，节制闸开启中四孔较开左八孔方案优。当上游来流1 500 m3/s，节制闸开启左八孔较开中四孔方案优。方案a与d的口门区横向流速与回流流速较低，在流量一定的情况下，通过控制调度方式，可以有效削弱(减弱)回流及斜流效应。