引江濟淮縱陽船閘引航道泥沙沖淤數值模擬

彭慧敏，江兆強

（1.長江水利水電開發集團（湖北）有限公司，湖北 武漢 430071；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650051）

1 工程概況

船閘引航道是聯系庫區與航道之間的紐帶，屬于靜水與動水的過渡區域，受船閘運行特殊的水力條件影響[1-4]，上下游引航道淤積問題是難以避免的，若不引起重視，將影響到船閘的正常運行。關于引航道淤積[5-8]的研究，一般認為引航道內的泥沙淤積有異重流淤積[9]、往復流（由船閘充泄水引起)淤積和水位升降（水庫調度等引起）淤積三種，船閘引航道泥沙淤積是緩流、回流、異重流和船閘充泄水引起的往復流所致，其中隔流堤口門區的引航道主要是為異重流淤積，口門外的航道主要為回流和緩流淤積。

引江濟淮縱陽船閘工程，該工程位于長江中下游太子磯水道，屬于典型分叉型河段，由銅板洲將河道分為左右兩汊，擬建工程位于太子磯水道左汊。工程樞紐由泵站、節制閘和船閘組成，設計排洪流量600m3/s；船閘規模為1000t 級，Ⅲ級船閘。船閘及引航道中心線與泵站相平行，進閘船閘需從鐵銅洲左汊河道逆流進入船閘，出閘船只由左汊河道左拐順流進入長江，船閘尺度為230×23×4.5m（長×寬×門檻水深），下游引航道底寬50.0m，底高程為3.90m。

2 數學模型

采用基于水深平均的平面二維數學模型來描述水流運動，直角坐標系下水流運動的控制方程為：

水流連續方程：

水流運動方程：

第k組懸移質輸沙方程

河床變形方程

式中：Zb、Zb—水位與河底高程；H—水深；v、v—x、Sk方向的水深平均流速；Sk、Sk，S*k—第n組懸移質泥沙的沉速、含沙量與水流挾沙力；n、α—糙率系數與恢復飽和系數；Tν、VTS—水流與泥沙綜合擴散系數；g—重力加速度；Y'—泥沙干密度；q—單位面積上水流的源匯強度；u0，V0—動量源（匯）在x、y方向的分量。

3 模型構建及驗證

3.1 模型構建

數學模型采用平面二維水沙模型。綜合考慮擬建工程所在河道的河勢、工程修建后可能的影響范圍等因素，選取長江進口姚家沖，出口為長江顧佳洲附近，總共長約25km 的河段作為二維數學模型的計算區域。采用Delaunay 三角化法對計算區域進行網格劃分，網格間距最大為100m，最小為10m。在計算區域內共布置了43196 個網格節點。圖1 給出了模型構建區域。

圖1 河勢及模型構建范圍

3.2 模型驗證

地形資料采用2013 年6 月和2015 年6 月水下地形；水流驗證資料采用2012 年12 月（流量Q=19133 m3/s，下邊界水位為5.50m）和2015年7月（流量Q=43500 m3/s，下邊界水位為12.08m）；水沙驗證資料采用2013 年6月至2015 年6 月來水來沙資料。

3.2.1 水位驗證

驗證成果見表1 所示，從表中可以看出，在工況條件下，實測水位和計算水位的誤差均在0.05m 之內，計算水位與實測水位吻合較好，均在模型允許的誤差范圍內。

表1 水位驗證成果表 (單位：m)

3.2.2 河道典型斷面沖淤分布

2013 年6 月～2015 年6 月各典型斷面出現不同程度的沖淤變化，從圖2 中可以看出，在其中2013 年6月～2015 年6 月過程中，呈現主槽沖刷，灘地淤積的狀態，模型計算斷面形態成果與最終地形基本一致。

圖2 典型斷面沖淤變化圖

4 船閘引航道沖淤計算成果

4.1 計算方案

兩個典型水文年分別為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 計算成果

圖3 分別給出了1998 典型年（大水大沙年）和2009 典型年（中水中沙年）條件下的局部沖淤厚度分布圖。從圖中得出：（1）從沖淤程度來看，由于1998典型年的流量、含沙量均大于2009 典型年，大水大沙年沖淤深度明顯大于中水中沙年；（2）工程局部河段沖淤程度來看，工程所在長江左汊呈現主槽沖刷，灘地局部淤積的狀態，在大水大沙年支流河道沖刷深度最大為0.94m，中水中沙年河道沖刷最大深度為0.72m，均出現在長江左汊進口，在工程對岸的灘地出現局部淤積狀態；（3）引江濟淮工程樅陽樞紐布置在長江左汊，從工程局部沖淤來看，船閘口門區均呈現淤積，其中在大水大沙年，船閘口門區淤積深度為0.50m；在中水中沙年，船閘口門區淤積深度為0.40m。

圖3a 98 典型年（大水大沙年）

圖3b 2009 典型年（中水中沙年）

5 結論

（1）采平面二維水沙模型對引江濟淮樅陽樞紐船閘引航道進行研究，驗證計算表明，本文所建立的數學模型與實測資料吻合。

（2）典型水沙條件模擬成果表明，閘所在長江左汊呈現主槽沖刷，灘地局部淤積的狀態，引航道局部沖淤來看，船閘口門區呈現淤積狀態，引航道內各處的淤積厚度隨離口門距離增加而遞減。