地面沉降對西河閘流態(tài)的影響

于 翚，劉思清

（海河水利委員會科技咨詢中心，天津 300170）

天津素有九河下梢之稱，密布海河流域排洪河道，主要有海河干流、獨流減河、西河、北運河、永定新河、潮白新河、薊運河等。從控導洪水、蓄淡防潮等不同興利除害角度出發(fā)，這些河道的上下游先后建有多座控制性水閘，如海河閘、西河閘、獨流減河進洪閘、工農(nóng)兵擋潮閘、屈家店閘等。多年來，這些水閘在泄洪、擋水、擋潮、蓄水方面都發(fā)揮了重要作用。然而，由于近三四十年的北方干旱，天津濱海區(qū)嚴重超采地下水，造成這一區(qū)域的地面劇烈沉降。據(jù)統(tǒng)計，2002—2010年，天津南部地區(qū)的河流上游區(qū)地面累計沉降量約為0.4 m、河流下游區(qū)累計沉降量約為0.3 m，北部地區(qū)的河流上游區(qū)地面累計沉降量約為0.2 m、河流下游區(qū)累計沉降量約為0.1 m。以上不同區(qū)域相對標準海平面的不均勻沉降，使泄洪河道形成倒坡，一方面，在河道擋水工況下，相同的設計水位使水閘上游擋水水深加大，閘體擋水所承受的水壓荷載增加，對閘體穩(wěn)定安全十分不利；另一方面，在水閘泄洪工況下，因地面沉降形成的閘前水深加大將使閘下水流的流態(tài)發(fā)生變化、流速分布發(fā)生改變、水躍位置也發(fā)生變化，從而易于發(fā)生局部沖刷甚至形成水毀現(xiàn)象。筆者以西河閘為代表，研究地面沉降對該閘不同工況產(chǎn)生的流態(tài)影響，以為水閘安全運行提供參考。

1 典型水閘概況

西河閘[1-2]位于天津市西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)北，上距大清河、子牙河匯流點15 km，下距北運河與子牙河的匯流點16.5 km，以防洪為主，兼有蓄水、航運、灌溉等功能，是大清河系洪水進入海河干流的最后一道屏障，是天津市防洪的西大門。該閘建于1958年，于2003年以原有閘底板為基礎，開展了閘體的除險加固。

按防洪調(diào)度方案，大清河發(fā)生50年一遇設計標準洪水，通過西河閘向海河干流宣泄400 m3/s，閘上設計洪水位6.413 m；當不與永定河洪水遭遇時，可以通過西河閘向海河干流宣泄800 m3/s；遇超標準洪水等特殊情況，西河閘可泄1 000 m3/s，其中海河干流承泄800 m3/s、新開河承泄200 m3/s。

根據(jù)西河閘周邊地區(qū)水準點的復核測量，1965—2010年，該地區(qū)累計沉降量達1.811 m，其中2002年以前沉降1.451 m、以后時段沉降0.36 m。

2 計算方法及基本控制方程

2.1 計算方法

本次采用VOF（The Vo1ume of F1uid）法，研究地面沉降對西河閘流態(tài)影響。VOF 法是利用流體體積函數(shù)求解不可壓縮、黏性、瞬變和具有自由面流動的一種數(shù)值方法[3-4]，適用于2 種或多種互不穿透流體間界面的跟蹤計算。

2.2 基本控制方程

連續(xù)性方程為：

動量方程為：

K方程為：

ε方程為：

式中：Ui為i 方向的速度分量（m/s）；x 為方向；t 為時間（s）；P 為 壓 強（Pa）；ρ為 流 體 密 度（kg/m3）；，δij是Kronecker 符號；Fi為作用于單位質(zhì)量水體的體積力（N/m3）是單位質(zhì)量紊流動能（J）；G為剪切產(chǎn)生項，表達式；Uj為j方向的速度分量（m/s）；ε為紊流動能耗散率；v為運動黏性系數(shù)；vt為紊流運動黏性系數(shù)，它由紊流動能k及紊流動能耗散率ε確定；Cμ、C1ε、C2ε、σk和σε是模型通用常數(shù)，分別取0.09、1.44、1.92、1.0和1.3。

k-?方程是在數(shù)值計算過程中所設置的一種二方程湍流模型。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算工況

按照大清河洪水調(diào)度方案，基本設定了以下3種工況：

（1）設計洪水位情況下，控泄流量400 m3/s，閘上水位6.413 m，閘下水位3.473 m，6 孔開啟。此時的閘門開度應為e=1.35 m。

（2）最高洪水位情況下，控泄流量800 m3/s，閘上水位6.913 m，閘下水位4.413 m，6 孔開啟。此時的閘門開度應為e=2.6 m。

（3）最大泄量情況下，控泄流量1 000 m3/s，閘上水位6.413 m，閘下水位4.833 m，6 孔開啟。此時的閘門開度應為e=3.8 m。

筆者從以上3 種工況中選擇控泄流量400 m3/s和控泄流量1 000 m3/s 進行閘體沉降前后閘下水流流態(tài)的分析比較。

3.2 計算區(qū)域

計算區(qū)域包括閘室上游段、閘室段和閘室下游段。其中，閘室上游段包括長25.0 m 的鋪蓋、長10 m 干砌石護底、長8.0 m 防沖槽和長17 m 的上游河道；閘室段包括6孔閘門；閘室下游段包括長20 m的消力池、長19 m 鉛絲籠塊石海漫、長21 m 干砌石海漫、長10 m拋石防沖槽和長40 m的下游河道。西河閘計算區(qū)域，如圖1所示。

圖1 西河閘計算區(qū)域

3.3 邊界條件和網(wǎng)格劃分

以距閘室上游60 m的防沖槽為入流邊界，給定上游水位6.413 m；以距閘室下游110 m的下游拋石防沖槽為出流邊界，分別給定流量為400、1 000 m3/s；固壁邊界采用無滑移條件；液面為自由表面。

在網(wǎng)格劃分時，將閘室及其上下游段分為3 段進行網(wǎng)格劃分。閘室上游約10 m 至閘室下游約30 m 處網(wǎng)格劃分得比較密集，網(wǎng)格均取0.5 m；遠離閘室的上下游流態(tài)比較穩(wěn)定的區(qū)域（包括閘室上游10～100 m 區(qū)域、閘室下游30～150 m 區(qū)域）網(wǎng)格劃分得比較稀疏，網(wǎng)格均取1.2 m。在模型中，上游閘底板高程為11.6 m，下游閘底板高程為10.1 m，網(wǎng)格總數(shù)約為42.5萬。

4 模擬計算

4.1 順水流方向的不同水深流態(tài)變化

目前的西河閘與水閘初建時比較，隨著當?shù)氐孛娴南鲁粒l室沉降了1.811 m，也就是說，在其上游東淀滯洪區(qū)滯蓄水位相同的情況下，閘前水深增加了1.811 m。如，沉降前，閘底板高程上游-3.047 m、下游-4.547 m；沉降后，閘底板高程變?yōu)樯嫌?4.858 m、下游-6.358 m。在東淀遇50年一遇洪水、第六埠水位為6.44 m 時，西河閘閘上水位為6.413 m，閘前水深由原來的9.460 m 增加到11.271 m。除了使閘體受水壓荷載發(fā)生大的變化以外，下泄水流的流態(tài)也會受到一定的影響。以大清河洪水調(diào)度方案擬定的西河閘承泄洪水功能（400 m3/s，特殊情況1 000 m3/s）為例，利用模型進行水流模擬計算，對同一泄量將順水流方向不同水深部位的流速繪制為沉降前和沉降后2個流場圖（如圖2-3所示），其中（a）圖為沉降前流場、（b）圖為沉降后的流場。

圖2 控泄400 m3/s沉降前后閘孔流場

圖3 控泄1 000 m3/s沉降前后閘孔流場

從圖2 可以看出，閘下接近水面的低流速區(qū)發(fā)生了大的變化，閘體沉降后（b圖）比沉降前（a圖）低流速區(qū)域明顯加大，而且向下游有所延伸。這樣的結果說明2 個問題，一是沉降后使閘下消力池內(nèi)的水流旋滾不夠充分，消能效果變差；二是中下層水流躍出了消力池，可能會引起下游河道的沖刷。圖3是水閘下泄1 000 m3/s的情況，以上流場變化問題更為明顯，沉降前閘下消力池內(nèi)表層基本不存在或很少有低值流速區(qū)，而閘體沉降后表層水流出現(xiàn)大面積低值區(qū)，這樣造成了中下層水流的流速加大，水躍現(xiàn)象躍出了消力池，而由下游河道來承擔高速水流的沖擊。1 000 m3/s工況下，沉降后消力池內(nèi)表面水流旋滾不充分，造成上層水體回流最大流速由沉降前的0.95 m/s降至沉降后的0.85 m/s，底層最大流速由沉降前的5.92 m/s增加至沉降后的6.9 m/s。

4.2 不同斷面的表層水流流態(tài)變化

西河閘的結構為橫向6孔，在6 孔全部開啟時，流速分布為邊孔流速低、中孔流速高。閘室沉降前后，流速分布都是這樣的規(guī)律。但是，閘室沉降后，各個局部的表層流速發(fā)生了一些變化。水閘控泄分為400、1 000 m3/s 2種工況，順水流方向距閘門不同距離的各斷面表層流速比較如圖4-5所示。圖中實線代表沉降前流速值，虛線代表沉降后流速值。

圖4 400 m3/s沉降前后沿橫斷面的表層流速分布比較

圖5 1 000 m3/s沉降前后沿橫斷面的表層流速分布比較

閘下游消力池段，沉降后因水深增加水躍旋滾變?nèi)酰Τ貎?nèi)上層水體沉降后的回流流速小于沉降前的回流流速。400 m3/s工況下，消力池中部4斷面沉降前后表層回流平均流速由1.39 m/s 降至0.97 m/s。1 000 m3/s工況下，消力池中部5斷面沉降前后表層回流流速由1.01 m/s降至0.94 m/s。

而消力池末端消力坎處，上層水體沉降后的回流流速大于沉降前的回流流速。400 m3/s 工況下，消力池末端消力坎前的5斷面沉降前后平均表層回流流速由0.85 m/s增至0.97 m/s。1 000 m3/s工況下，消力池末端消力坎前的6斷面沉降前后平均表層回流流速由0.62 m/s增至0.95 m/s。

以上情況說明水閘沉降后，高速水流向下游有所移動，消能作用有所消弱。

5 結論

西河閘在地面沉降后順水流方向的不同水深流態(tài)產(chǎn)生變化。閘下消力池內(nèi)的水流旋滾不夠充分，消能效果變差，中下層水流躍出了消力池，將會引起下游河道的沖刷。隨著下泄流量增加，流場變化更加明顯，隨著中下層水流的流速加大，水躍現(xiàn)象躍出了消力池，下游河道承擔了高速水流的沖擊。

[1]水利部天津水利水電勘測設計研究院.西河閘除險加固工程初步設計報告002XC-A[R].天津：水利部天津水利水電勘測設計研究院，2001.

[2]海河下游管理局西河閘管理處.西河閘工程現(xiàn)狀分析報告[R].天津：海河下游管理局西河閘管理處，2005.

[3]馬福喜，王金瑞. 三維水流數(shù)值模擬[J].水利學報，1998，（1）：39-44.

[4]許唯臨，廖華勝，楊永全，等.溪洛渡水墊塘流場的數(shù)值計算[J].四川聯(lián)合大學學報，1998,2（5）：34-38.