引江济淮纵阳船闸引航道泥沙冲淤数值模拟

彭慧敏，江兆强

（1.长江水利水电开发集团（湖北）有限公司，湖北 武汉 430071；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650051）

1 工程概况

船闸引航道是联系库区与航道之间的纽带，属于静水与动水的过渡区域，受船闸运行特殊的水力条件影响[1-4]，上下游引航道淤积问题是难以避免的，若不引起重视，将影响到船闸的正常运行。关于引航道淤积[5-8]的研究，一般认为引航道内的泥沙淤积有异重流淤积[9]、往复流（由船闸充泄水引起)淤积和水位升降（水库调度等引起）淤积三种，船闸引航道泥沙淤积是缓流、回流、异重流和船闸充泄水引起的往复流所致，其中隔流堤口门区的引航道主要是为异重流淤积，口门外的航道主要为回流和缓流淤积。

引江济淮纵阳船闸工程，该工程位于长江中下游太子矶水道，属于典型分叉型河段，由铜板洲将河道分为左右两汊，拟建工程位于太子矶水道左汊。工程枢纽由泵站、节制闸和船闸组成，设计排洪流量600m3/s；船闸规模为1000t 级，Ⅲ级船闸。船闸及引航道中心线与泵站相平行，进闸船闸需从铁铜洲左汊河道逆流进入船闸，出闸船只由左汊河道左拐顺流进入长江，船闸尺度为230×23×4.5m（长×宽×门槛水深），下游引航道底宽50.0m，底高程为3.90m。

2 数学模型

采用基于水深平均的平面二维数学模型来描述水流运动，直角坐标系下水流运动的控制方程为：

水流连续方程：

水流运动方程：

第k组悬移质输沙方程

河床变形方程

式中：Zb、Zb—水位与河底高程；H—水深；v、v—x、Sk方向的水深平均流速；Sk、Sk，S*k—第n组悬移质泥沙的沉速、含沙量与水流挟沙力；n、α—糙率系数与恢复饱和系数；Tν、VTS—水流与泥沙综合扩散系数；g—重力加速度；Y'—泥沙干密度；q—单位面积上水流的源汇强度；u0，V0—动量源（汇）在x、y方向的分量。

3 模型构建及验证

3.1 模型构建

数学模型采用平面二维水沙模型。综合考虑拟建工程所在河道的河势、工程修建后可能的影响范围等因素，选取长江进口姚家冲，出口为长江顾佳洲附近，总共长约25km 的河段作为二维数学模型的计算区域。采用Delaunay 三角化法对计算区域进行网格划分，网格间距最大为100m，最小为10m。在计算区域内共布置了43196 个网格节点。图1 给出了模型构建区域。

图1 河势及模型构建范围

3.2 模型验证

地形资料采用2013 年6 月和2015 年6 月水下地形；水流验证资料采用2012 年12 月（流量Q=19133 m3/s，下边界水位为5.50m）和2015年7月（流量Q=43500 m3/s，下边界水位为12.08m）；水沙验证资料采用2013 年6月至2015 年6 月来水来沙资料。

3.2.1 水位验证

验证成果见表1 所示，从表中可以看出，在工况条件下，实测水位和计算水位的误差均在0.05m 之内，计算水位与实测水位吻合较好，均在模型允许的误差范围内。

表1 水位验证成果表 (单位：m)

3.2.2 河道典型断面冲淤分布

2013 年6 月～2015 年6 月各典型断面出现不同程度的冲淤变化，从图2 中可以看出，在其中2013 年6月～2015 年6 月过程中，呈现主槽冲刷，滩地淤积的状态，模型计算断面形态成果与最终地形基本一致。

图2 典型断面冲淤变化图

4 船闸引航道冲淤计算成果

4.1 计算方案

两个典型水文年分别为1998 年型水文年（大水中沙典型年）和2009 年型水文年（中水中沙典型年）。

4.2 计算成果

图3 分别给出了1998 典型年（大水大沙年）和2009 典型年（中水中沙年）条件下的局部冲淤厚度分布图。从图中得出：（1）从冲淤程度来看，由于1998典型年的流量、含沙量均大于2009 典型年，大水大沙年冲淤深度明显大于中水中沙年；（2）工程局部河段冲淤程度来看，工程所在长江左汊呈现主槽冲刷，滩地局部淤积的状态，在大水大沙年支流河道冲刷深度最大为0.94m，中水中沙年河道冲刷最大深度为0.72m，均出现在长江左汊进口，在工程对岸的滩地出现局部淤积状态；（3）引江济淮工程枞阳枢纽布置在长江左汊，从工程局部冲淤来看，船闸口门区均呈现淤积，其中在大水大沙年，船闸口门区淤积深度为0.50m；在中水中沙年，船闸口门区淤积深度为0.40m。

图3a 98 典型年（大水大沙年）

图3b 2009 典型年（中水中沙年）

5 结论

（1）采平面二维水沙模型对引江济淮枞阳枢纽船闸引航道进行研究，验证计算表明，本文所建立的数学模型与实测资料吻合。

（2）典型水沙条件模拟成果表明，闸所在长江左汊呈现主槽冲刷，滩地局部淤积的状态，引航道局部冲淤来看，船闸口门区呈现淤积状态，引航道内各处的淤积厚度随离口门距离增加而递减。