順直分汊河段洲尾船閘的口門區(qū)三維流態(tài)數(shù)值模擬

吳瓊琳

(湖南省水運建設投資集團有限公司，湖南 長沙 410011)

1 工程概況

沅水是長江第三大支流，桃源樞紐為沅水干流開發(fā)的最末級水利樞紐。桃源樞紐船閘下游引航道口門區(qū)處于分汊河段匯流口區(qū)域。汊道段河勢順直，匯流口下游的河勢微彎且逐漸束窄。汊道段原為兩處相連的江心洲，樞紐建成后船閘與電站集中布置于江心洲上。桃源樞紐從左至右依次為左汊14孔泄洪閘、船閘、電站以及右汊11孔泄洪閘，現(xiàn)有船閘閘室有效尺度為120 m×18 m×3.5 m(長×寬×門檻水深)，現(xiàn)有航道等級為Ⅳ級，規(guī)劃為Ⅲ級航道，樞紐平面布置見圖1。

由于桃源樞紐下游清水下泄沖刷壩下河床，且下游河段人工采砂活動頻繁，導致壩下河床迅速下切，枯水位下降較多，河床組成粗化，河床地形、水沙條件與樞紐設計之初有較大變化。在上述各種不利因素的綜合影響下，船閘建成運行后通航條件較差，口門區(qū)水流流態(tài)紊亂，甚至形成枯水期斷航，嚴重時需要上游樞紐開閘放水來保證下游河道的通航。實測資料顯示，桃源樞紐洪、中水期均存在不同程度流態(tài)礙航問題，且其位于沅水航道連接洞庭湖區(qū)的咽喉位置，現(xiàn)狀條件下的船閘通過率嚴重影響了整個沅水航道的通航保證率，其船閘口門區(qū)流態(tài)礙航問題亟待解決。

圖1 桃源樞紐平面布置

2 三維水流數(shù)學模型建立與驗證

選用DHI公司軟件Mike 3FM模塊進行三維水流數(shù)值模擬計算，考慮倒虹吸管特點，本項目采用k-e模型進行三維水流模擬。模型中采用2016年實測桃源樞紐現(xiàn)場地形，上游邊界位于桃源樞紐壩軸線，按照左右兩汊泄水閘和電站分別設置進口邊界，各泄水建筑物為獨立流量進口邊界。下游出口位于壩軸線下游約4.8 km，根據桃源水文站提供的壩下水位流量關系反推得下邊界水位，邊界位置選取彎道下游河勢順直段，見圖2。水平方向網格采用三角剖分，垂向網格按比例分層，最小網格尺度0.2 m，最大網格尺度5 m；模型糙率根據流跡、流速分布、水位等實測水文數(shù)據驗證，按河段實測資料進行率定，糙率n在0.022～0.035之間，壩下河段為寬淺河流，垂向6層，見圖3。

圖2 模擬范圍及平面網格剖分

圖3 垂向網格剖分

2.1 水面線驗證

采用2017年3月(Q=300 m3/s)、4月(Q=2 100 m3/s)、6月(Q=6 000 m3/s)實測水位作為模型的驗證資料，分別對枯、中、洪三級流量的水面線進行驗證。

試驗結果表明，模型沿程各水尺水位與原型水位偏差均不超過0.1 m，模型水面線與天然水面線基本吻合，見圖4。

圖4 沿程水面線驗證

2.2 流速分布驗證

模型斷面流速分布與原型實測值對比見圖5。由圖可以看出，各斷面模型流速分布趨勢和流速量值與實測值基本一致。

圖5 模型與原型實測斷面流速分布對比

3 計算工況

分汊河段匯流口流態(tài)隨上游來流分流比不同而變化[1-3]，為深入研究桃源樞紐所在分汊河道匯流口區(qū)三維流態(tài)的變化規(guī)律[4]，結合桃源樞紐現(xiàn)狀條件下的運行調度方式分別開展了5組數(shù)值模擬研究，見表1。

表1 數(shù)值模擬計算工況

4 口門區(qū)三維水流流態(tài)特性

4.1 水流特性

中洪水期時，桃源樞紐左右兩汊同時泄流，在船閘下游口門區(qū)會形成交匯水流[5]，兩側主流交匯后在交界面處因水流梯度產生摻混運動，摻混范圍受流速梯度、地形邊界等因素影響，隨分流比變化而變化[6-8]。匯流河段摻混區(qū)沒有確切的定義，考慮推移質易在主流帶與摻混區(qū)交界處沉積，選取長江寸灘經驗公式計算推移質泥沙起動流速uc：

(1)

式中：ρs為泥沙密度；ρ為水的密度；h為水深；d為顆粒粒徑；η、m為經驗系數(shù)，不同公式略有差別，長江寸灘經驗公式中，η=1.08、m=1/7。

由上式可知，推移質泥沙臨界起動流速受水深影響，無法按統(tǒng)一值確定。根據樞紐運行調度規(guī)程，中洪水期左右汊水流流態(tài)可分為控泄和敞泄兩個階段。當來流量為3 600～8 800 m3/s時，右汊泄水閘控泄，電站泄流；當來流量大于8 800 m3/s時，泄水閘敞泄，電站停機。本次數(shù)模根據各工況數(shù)值模擬計算成果，采用推移質臨界起動流速作為摻混區(qū)范圍界定標準，將計算得到的單元格臨界起動流速大于該處底流流速處定義為摻混區(qū)。圖6為僅電站泄流時(Q=3 600 m3/s)壩下水流平面流態(tài)分布，圖7為各工況下計算出的主流帶及摻混區(qū)分布，由圖可知：

1)Q=3 600 m3/s時，僅電站滿發(fā)泄流時，電站泄流寬度遠小于支汊河寬，主流分離成兩股水流，其中主流帶水動力強度明顯強于2#主流帶。1#主流帶從船閘右導堤外側以較大夾角進入口門區(qū)形成斜流段，其末端主流帶逐漸擴寬直至恢復天然。左汊因泄水閘關閉形成類似“盲腸河段”的區(qū)域，在主流帶帶動下形成一個大范圍回流區(qū)。在口門處，經右導堤下游深槽進入口門的主流和經左導墻進入口門的回流相互擠壓，形成次生回流。

2)中洪水期各工況主流帶范圍分布基本一致，受摻混區(qū)影響僅局部略有不同。

3)Q=5 000 m3/s時，右汊下泄流量為3 600 m3/s，大于左汊下泄流量1 400 m3/s，右汊水流強度大于左汊，摻混區(qū)寬度明顯大于Q=6 000 m3/s及以上各工況且向左岸偏轉。由此可知，分流比對各工況下水流摻混區(qū)分布影響較大。

4)Q=6 000 m3/s及以上各工況，因左汊水流強度大于右汊水流強度，摻混區(qū)分布趨勢基本一致，呈向右岸偏轉的月牙形區(qū)域。摻混區(qū)范圍隨流量和流速的增加而拉長。

圖6 僅電站泄流時壩下水流平面流態(tài)分布(Q=3 600 m3/s)

圖7 各工況主流帶及摻混區(qū)分布

4.2 動力軸線分布規(guī)律

圖8為計算得到的各工況下動力軸線分布，可以看出，中洪水期動力軸線分布受樞紐運行調度及分流比影響顯著：

1)由于泄流位置不同，控泄期兩汊動力軸線偏向河中，敞泄期兩汊動力軸線偏向河岸。

2)因左右兩汊分流比不同，匯流區(qū)動力軸線變化顯著。Q=5 000 m3/s時因右汊水動力強度大于左汊，口門以下河段動力軸線偏向左岸，而口門與壩軸線之間河段動力軸線偏向河中，整體呈“S”形。而隨著流量增加，動力軸線逐漸趨直。

圖8 各工況動力軸線分布

4.3 摻混區(qū)三維水流結構

圖9為計算得到的各流量下匯流口摻混區(qū)縱向長度分布；圖10為Q=7 000 m3/s時壩下口門區(qū)流場三維切片圖；圖11為Q=7 000 m3/s時壩下三維流場等值曲面，左汊泄流量3 400 m3/s，右汊泄流量3 600 m3/s，左右汊分流比接近1:1，并標示了0.50、0.95、1.40 m/s 3個流速等值面，其中壩下河床推移質d95對應臨界起動流速0.95 m/s，d50對應臨界起動流速1.40 m/s。

圖9 各流量級下匯流口摻混區(qū)長度與橫向振幅

圖10 三維流場切片(Q=7 000 m3/s)

圖11 三維流速等值曲面(Q=7 000 m3/s)

因左汊地勢高于右汊，摻混區(qū)尾部水流偏向右岸。右側主流帶與摻混區(qū)交界面基本處于航道邊線以外，摻混區(qū)呈非對稱型，左右兩汊水流在摻混區(qū)形成多個次生回流。水流摻混區(qū)左右擺動，形成類似于渦街結構的周期性豎軸回流區(qū)。隨著單寬流量的增加，摻混區(qū)逐漸拉長，兩側主流交角逐漸減小，同時摻混區(qū)振幅逐漸降低。

5 結論

1)樞紐在枯水期只有電站泄流時，1#主流帶從船閘右導堤外側以較大夾角進入口門區(qū)形成斜流段。左汊因泄水閘關閉形成類似“盲腸河段”的區(qū)域，在船閘口門處，經右導堤下游深槽進入口門的主流和經左導墻進入口門的回流相互擠壓，形成次生回流。

2)交匯水流摻混區(qū)分布復雜多變，摻混區(qū)長度與摻混區(qū)擺動幅度基本呈負相關。摻混區(qū)越長，水流越平穩(wěn)，左右擺動，形成類似于渦街結構的周期性豎軸回流區(qū)。隨著單寬流量的增加，摻混區(qū)逐漸拉長，兩側主流交角逐漸減小，同時摻混區(qū)振幅逐漸降低。

3)分汊河道匯流口處的三維水流流態(tài)較為復雜，若因船閘受限布置于此，需合理布置導流及擋泄水建筑物，使船閘下游口門區(qū)盡量遠離摻混區(qū)，以減小復雜水流流態(tài)對船舶航行的不利影響。