彎道導流河水流流動特性分析

陸紀友，劉永剛

(江陰市長涇水利農機管理服務站，江蘇 江陰 214400)

1 工程背景

某地涵工程建于上世紀70年代，共5孔，每孔3 m×3 m，底板、邊墩與頂板采用混凝土結構，中墩采用漿砌塊石結構。由于年代久遠，相關原始設計資料散失，混凝土、漿砌塊石標號已不可考。該地涵工程結構老化，已多次加固改建，仍不能滿足現狀運行要求。在洼地整治工程中予以拆建，只保留改建的下洞首。拆建地涵結構有上洞首、十二節洞身，連接原有的下洞首；地涵連接小閆河，徐洪河與地涵正交，拆建后地涵剖面圖見圖1。

圖1 拆建地涵剖面圖

2 導流河布置

根據地涵工程施工導截流設計情況，在現狀徐洪河上下游各設置圍堰后開挖導流/導航河道，通過小閆河上下游設置圍堰，形成地涵的施工基坑。導流河最低通航水位18.5 m，常水位為20.2 m(廢黃河高程，下同)，相應導流流量為53.13和115.29 m3/s。導流河開挖斷面見圖2，平面布置見圖3。導流河彎曲段X方向長1 801 m，Y方向寬416 m，有必要進行數值模擬計算分析大曲率彎道水流流動對導流河通航以及邊坡沖刷的影響。

圖2 導流河開挖斷面圖

圖3 導流河平面布置圖

3 數學模型參考范圍

該地涵導流河數學模型參考范圍由進出口直線段不小于5倍水面300 m、彎曲段及徐洪河上下游圍堰外圍組成。根據該地涵建筑物及河道布置情況，按照1∶1比例，建立導流河區域水流三維數學模型(圖4)。

圖4 導流河三維數學模型

4 控制方程

奔牛水利樞紐施工導流河水流流動區域三維數值模擬，采用三維雷諾時均N-S方程來描述其不可壓縮湍流流動，方程式如下:

雷諾時均N-S方程：

式中：ρ流體密度；t為時間；ui(i=x，y，z)速度沿i方向的分量；p壓力；v流體的運動黏性系數。

5 邊界條件設置

計算采用標準k-ε模型，一階迎風格式；進口設置為速度進口；出口設置為自由出流，水流與空氣接觸面為剛蓋假定，其余壁面均設為無滑移壁面條件，設定參考大氣壓力為1atm。樞紐所有邊壁均設為無滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

6 水流特性分析

6.1 通航代表船型

根據《運河通航標準》有關規定，徐洪河河道通航等級為5級航道，過船等級300 t；運河航道中縱向流速不超過1.0 m/s；運河中的取、泄水口和其他匯流口的水域，航道橫向流速不應超過0.3 m/s，回流流速不應超過0.4 m/s[1]。通航代表船型見表1。

表1 通航代表船型

6.2 計算結果分析

施工導流河最低通航水位18.5 m和常水位20.2 m工況水流流態與速度分布見圖5-圖6。最低通航水位和常水位下，導流河直線段、彎曲段流態平順；彎曲段導流河流速分布均勻，最大流速不超過0.6 m/s，且分布范圍很小；進出口與圓弧段連接處出現回流，且靠近內側圓弧，回流區最大流速不超過0.25 m/s；平行于航線的縱向流速最大不超過0.6 m/s，符合規范要求。彎道導流河縱向流速分布規律比較符合休克萊彎道水槽實驗成果[2]。

圖5 導流河最低通航水位流態流速分布圖

圖6 導流河常水位流態流速分布圖

6.3 沖淤計算

根據地勘報告，導流河河床位于②層中粉質壤土(圖7)，土壤顆粒直徑0.005～0.075 mm占75.8%，為細粒土。河床不沖流速按列維公式計算：

式中：Rα為水力半徑修正系數，其中R為過水斷面水力半徑；h為河道水深；d為河床土質平均粒徑。

按上式計算得到，該段河床不沖流速為1.08 m/s，大于導流河最大流速0.6 m/s(詳見圖6)，滿足抗沖要求，不影響河床、河道邊坡穩定。

圖7 徐洪河土層分布

7 結 語

通過對該地涵彎道導流河水流流動數值模擬計算，從水流流態、流速分布、沖淤計算分析等方面，得到結論如下：

1) 不同工況下，導流河流態較為平順，僅在進出口圓弧過渡段局部出現較大回流區且靠近內側，不影響過船安全。

2) 不同工況下，導流河最大流速不超過0.6 m/s，滿足抗沖要求，不影響河床、河道邊坡穩定。