引江濟淮五老堰跌水工程匯流口通航水流條件及改善措施*

張 輝，李 濤，李 銘，賁 鵬

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000；2.安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230041)

引江濟淮工程是一項以城鄉供水和發展江淮航運為主，結合灌溉補水和改善巢湖及淮河水生態環境為主要任務的大型跨流域調水工程。引江濟淮工程由引江濟巢、江淮溝通、江水北送3段組成，輸水線路總長1 048.68 km。原有的輸水渠道挖寬挖深后，使得現有的河流水系被破壞，需要在連接處建設跌水、跌井工程，使原有的河流水系水流平順匯入干渠中且不影響干渠正常通航。跌水、跌井工程的布置直接影響匯流口通航水流條件，關系到工程自身安全、下游河道穩定及匯流口通航安全。根據《運河通航標準》[1]，運河中泄水口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。水利部、交通部以“水許可決[2017]19號文”對引江濟淮工程(安徽段)初步設計報告進行批復，批復意見中提出支流洪水入渠的通航水流控制條件為：20 a一遇通航工況，橫向流速v≤0.3 m/s；5 a一遇通航工況，橫向流速v≤0.15 m/s。為保證引江濟淮工程江淮溝通段全部跌水、跌水消能及通航安全，須對跌水、跌井工程消能防沖效果及通航水流條件進行綜合評價。

目前，針對上述問題的研究方法主要是水工模型試驗，王偉等[2]采用定床河工模型試驗分析派河口船閘下游引航道與口門區通航水流條件，并分析不滿足規范要求的原因，給出優化方案；楊子江等[3]采用定床河工模型優化楊大莊跌水工程布置方案，使得匯流口通航區域橫向流速滿足規范要求。近年來，數值模擬方法得到了快速發展，彌補了物理模型試驗的諸多不足。朱京德等[4]、原賀軍[5]采用二維水動力數學模型模擬航道流場，分析通航區域內橫向、縱向流速和角度。對跌水、跌井工程的水力特性和通航水流條件整體三維數值模擬的相關研究鮮有報道[6]，本文基于VOF(流體體積)法[7]的RNGk-ε(重整化群 紊動能-耗散率)[8]雙方程紊流數學模型，采用楊大莊跌水工程水工模型試驗對數學模型進行率定與驗證，利用率定后的數學模型對五老堰跌水通航水流條件進行三維數值模擬，分析原設計方案匯流口通航水流條件不滿足規范要求的原因，并提出滿足江淮溝通段臨河建筑物支流洪水入渠控制條件的優化方案，可為類似水利工程的設計及安全運行提供技術支撐。

1 模型驗證

1.1 模型建立

水工模型為1:50的正態模型，為保證楊大莊跌水工程上下游水流與原型相似，整體模型江淮溝通段干渠取跌水與河渠相交中心線上游850 m、下游950 m總長1 800 m河段；支流取跌水上游王橋小河400 m河道作為模型模擬范圍。模型范圍內包含楊大莊跌水工程各部分主要建筑物，見圖1。

1.1.1控制方程

注：1#～13#為水位測點；D0為流速斷面。

連續性方程：

(1)

不可壓縮紊流時均流動的運動方程(即雷諾方程)為：

(2)

k方程和ε方程為：

(3)

(4)

VOF公式根據兩種或多種流體(或相)沒有互相穿插的基本事實，對每相流體的體積分數在計算單元內定義，總和為1。用標量函數αq表示第q相在網格中占的體積分數，分為以下3種情況：αq=0表示單元中沒有第q相流體；αq=1表示第q相流體占滿了整個單元；0<αq<1表示單元中包含了第q相流體與其他相流體的界面。

水的體積分數αw的控制微分方程為：

(5)

式中：t為時間；ui和xi分別為速度分量和坐標分量。通過求解該連續方程來完成對水氣界面的跟蹤。

1.1.2模型邊界

三維數值模型邊界主要包括：1)壓力進口邊界。即上游庫區采用相應設計水位，空氣進口邊界采用大氣壓力邊界。2)壓力出口邊界。下游河道為明渠水流，下游邊界給出相應設計水位。3)壁面邊界為不可滑移邊界條件。4)自由水面。多相流模型中的VOF模型，對溢洪道和下游河道區域波動較大的水氣交界面進行追蹤。

1.1.3網格劃分

采用結構化正交網格對跌水工程段局部網格進行加密，網格邊長為0.2 m；匯流口處采用嵌入式網格進行加密，最小網格尺寸為0.4 m×0.2 m×0.4 m(長×寬×高)，其余采用0.4 m×0.4 m×0.4 m，網格合計820萬個，網格劃分見圖2。計算初始時間步長為1 ms，采用進出口流量不超過1%作為模型計算穩定的判別條件。

圖2 數學模型平面布置

1.2 計算模型的驗證

為驗證數值計算的準確性，將20 a一遇設計泄流通航工況下(支流王橋小河來流流量576 m3/s，控制跌水下游水位為23.86 m，干渠來流流量為731 m3/s)，跌水工程沿程水位、壓力、局部斷面流速及跌水段流態進行對比驗證，結果見圖3、4和表1。由實測值和計算值對比結果可知，跌水工程沿程水位、壓力、局部斷面流速等吻合程度良好，實測值采用三維流速儀測量，物理模型干渠河道水深較淺，測量過程中水面波動對流速值測量結果影響較大，呈現上下波動，計算值相對較為平緩，相對誤差均在10%以內，計算精度能滿足要求，該模型是可行的。

圖3 JH0+000斷面流速試驗值與計算值對比

圖4 跌水段水流流態試驗與計算對比

表1 計算值與實測值對比結果

2 計算工況

2.1 原布置方案

五老堰河跌水為3孔開敞式2級跌水，跌水下游與干渠堤后至一級坡間左右不對稱圓弧錐坡擴散銜接，位于左岸，跌水中心線與干渠中心線交角為145°；斑鳩堰河跌水為3孔開敞式2級跌水；跌水下游與干渠堤后至一級坡間左右不對稱圓弧錐坡擴散銜接，位于右岸，跌水中心線與干渠中心線交角為36°，兩跌水相距600 m，跌水工程總平面布置見圖5a)。模型范圍取五老堰河跌水上游500 m，斑鳩堰河跌水下游500 m(總長約1 600 m)，支流取涵上游長約200 m河段作為本次數值計算模擬范圍，包含工程全部主要建筑物，計算模型按照比尺1:1建立，整體三維模型見圖5b)。

圖5 跌水工程

2.2 計算工況及通航水流控制條件

根據規劃設計要求，數值模擬工況見表2。

表2 數值模擬計算工況

3 計算結果分析

3.1 原布置方案

3.1.1匯流口流場計算

5 a一遇通航工況五老堰跌水工程和斑鳩堰跌水工程水面下0.25和2.25 m水深的橫向流速分布見圖6。可以看出，水面下0.25和2.25 m流態及流速基本一致。斑鳩堰跌水工程中心線和干渠來流中心線交角成36°，且支流來流較小，匯流口通航區域流態較好，無明顯回流，橫向流速最大值為0.1 m/s，滿足通航安全要求。五老堰跌水工程中心線和干渠來流中心線交角成145°，與干流來流方向相反，跌水控制工程與干渠距離較近，支流來流較大，支流出流在匯流口處來不及轉彎，以近垂直的角度匯入干渠，水流流態較差，回流范圍明顯，最大回流流速0.31 m/s，橫向流速超0.15 m/s范圍較大，橫向流速最大值為0.38 m/s。兩跌水工程之間干渠河道，未出現明顯大范圍不良流態，橫向流速滿足通航要求。

圖6 5 a一遇通航工況流態及流速

20 a一遇通航工況五老堰跌水工程和斑鳩堰跌水工程水面下0.25和下2.25 m水深的橫向流速分布見圖7。可以看出，水面下0.25和2.25 m流態及流速基本一致。斑鳩堰跌水工程匯流口通航區域流態較好，無明顯回流，橫向流速最大值為0.20 m/s，滿足通航安全要求。五老堰跌水工程，支流出流在匯流口處來不及轉彎，以近垂直的角度匯入干渠，水流流態較差，橫向流速超規范值0.30 m/s，橫向流速最大值為0.70 m/s。兩跌水工程之間干渠河道未出現明顯大范圍不良流態，橫向流速滿足通航要求。

圖7 20 a一遇通航工況流態及流速

3.1.2導流墻效果分析

原布置方案中在匯流口區域布設了4個導流墻，給工程施工和后期跌水運行管理帶來諸多問題，利用數值模擬計算匯流口有無導流墻時的水流流態。計算結果表明，導流墻區域流態和流速分布基本一致，導流墻使水流略顯集中，改善效果不明顯，建議去除，有無導流墻匯流口流速見圖8。

圖8 斑鳩堰跌水工程匯流口通航區域有無導流墻流態及流速

3.2 優化方案

3.2.1優化方案1

五老堰跌水工程下游通航不能滿足要求，根據原布置方案流速分布情況以及水流特性，分析通航區域橫向流速超標的原因。跌水控制工程與干渠距離較近，且與干流來流方向相反，水流來不及轉彎，以近垂直的角度匯入干渠，水流流態較差；支流流量大，出跌水位置后，水面流速仍然較大，尤其是20 a一遇通航工況出現了面流。針對上述原因和對導流墻效果分析，對原設計方案局部布置進行第1次優化調整，主要內容包括：1)跌水的平面位置向后退約60 m；2)原布置方案的跌水工程中心線與干渠中心線夾角約145°，調整方案約127°；3)跌水工程上、下游翼墻與干渠連接弧度調整；4)導流墻調整，見圖9。

根據數值模擬計算結果，優化方案1的流態和流速均優于原布置方案。5 a一遇通航工況，支流來水偏右匯入干渠，匯流口回流不明顯，匯流口通航區域最大橫向流速約0.13 m/s，滿足通航安全要求；20 a一遇通航工況匯流口左岸有明顯回流，回流區域面積約120 m2，最大回流流速0.21 m/s，通航區域最大橫向流速0.43 m/s，不滿足通航要求。優化方案1的兩工況橫向流速分布見圖10。

圖10 優化方案1匯流口通航區域橫向流速分布

3.2.2優化方案2

針對通航20 a一遇工況，橫向流速不滿足要求，對體形做進一步優化。在優化方案1的基礎上右側邊墻向后、下游調整，連接圓弧更加平順，見圖11。優化方案2的20 a一遇通航工況，通航區域最大橫向流速0.27 m/s，滿足0.3 m/s的通航要求，橫向流速見圖12。

圖11 優化方案2

圖12 優化方案2的流速分布

4 結論

1)基于RNGk-ε雙方程紊流數學模型，采用引江濟淮工程江淮溝通段楊大莊跌水工程水工模型試驗對數學模型進行率定與驗證，計算值與試驗值基本吻合，表明采用率定與驗證后的數學模型計算跌水工程消能效果及匯流口通航水流條件在技術上基本可行。

2)原布置方案的五老堰和斑鳩堰跌水工程之間，無明顯不良流態，橫向流速滿足要求，無顯著相互影響。斑鳩堰跌水工程原布置方案5和20 a一遇通航工況，通航均能滿足要求。五老堰跌水工程5 a一遇通航工況的最大橫向流速0.38 m/s，20 a一遇通航工況的最大橫向流速0.70 m/s，兩通航工況均不滿足通航安全要求。

3)根據五老堰跌水工程原布置方案流速分布情況以及水流特性，分析通航區域橫向流速超標的原因，對原設計方案進行調整優化。優化后的工程方案，匯流口區域橫向流速與回流流速均滿足設計要求，5和20 a一遇不利通航工況的最大橫向流速分別為0.13和0.27 m/s，滿足通航安全要求。