走馬塘江邊泵站二維水流數(shù)值模擬研究

張舒羽，李 明，孫大勇，和寶鋒

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

走馬塘江邊樞紐是走馬塘入長江口門的控制建筑物，也是武澄錫虞地區(qū)洪澇水北排長江的骨干水利工程之一[1]。由于江邊樞紐缺少排水泵站，區(qū)域外排能力不足，當(dāng)遭遇長江高潮位時，澇水無法排出。為提高區(qū)域防洪排澇能力，充分發(fā)揮走馬塘工程效益，根據(jù)地區(qū)規(guī)劃要求，在原樞紐處新建走馬塘江邊泵站。目前，數(shù)值模擬技術(shù)常作為研究工程建設(shè)對區(qū)域及工程建筑物影響的重要手段，為了研究不同工況下泵站運行的影響[2-4]。本文采用MIKE21FM軟件，建立工程區(qū)域水動力數(shù)學(xué)模型，從流速、流場變化角度研究泵站工程影響，為工程布置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

走馬塘位于太湖流域的武澄錫虞澄錫虞高片，隸屬江蘇省張家港市，南自蘇南運河起，北至七干河入江，全長66.51km，是望虞河西岸、澄錫虞高片的骨干排水通道，走馬塘江邊樞紐距長江口約1.6km，由總凈寬36m節(jié)制閘、16m×180m×3m船閘和魚道組成，為提高區(qū)域防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，充分發(fā)揮走馬塘工程效益，增強(qiáng)洪澇水北排入江能力，在現(xiàn)有樞紐節(jié)制閘東南側(cè)新建80m3/s排澇泵站1座[5]。樞紐泵站位置如圖1所示。

圖1 走馬塘江邊泵站工程位置示意圖

2 模型構(gòu)建

2.1 模型建立

采用MIKE21FM軟件進(jìn)行流場建模[6-7]，模型計算范圍主要為樞紐上游區(qū)域河道及樞紐主體建筑物(如圖2所示)。河道及樞紐按照工程總平面圖進(jìn)行概化，河道高程采用實測數(shù)據(jù)，樞紐高程按照規(guī)劃設(shè)計布置。為準(zhǔn)確貼合復(fù)雜多變的平面布置，采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，樞紐及進(jìn)水流道等局部區(qū)域的網(wǎng)格加密，三角形網(wǎng)格從5～25m過渡。

圖2 走馬塘江邊泵站工程內(nèi)河側(cè)模型概化示意圖

2.2 控制方程

連續(xù)方程：

(1)

運動方程：

(2)

(3)

(4)

2.3 主要參數(shù)

(1)糙率系數(shù)

采用曼寧糙率系數(shù)用于模型計算，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗及率定成果，經(jīng)調(diào)試，糙率取值在0.225～0.300之間。

(2)渦粘系數(shù)

Smagorinsky系數(shù)取值為0.28m2/s，水平渦粘系數(shù)采用根據(jù)Smagorinsky公式確定：

(5)

式中，U，V—x，y方向垂線平均流速；Δ—網(wǎng)格間距；Cs—計算參數(shù)，一般0.25

(3)干濕邊界處理

處理干濕動邊界的方法是基于趙棣華(1994)和Sleigh(1998)的處理方式。當(dāng)單元水深變小時問題會以新的方式計算，即動量通量會被設(shè)為0，只考慮質(zhì)量通量。當(dāng)深度小于一定程度，計算會忽略該網(wǎng)格單元。模型干水深Hdry=0.005m，淹沒水深Hflood=0.05m，濕水深度Hwet=0.1m。

(4)時間步長

采用了動態(tài)時間步長方式，在設(shè)定了迭代的最小時間步長和最大時間步長后，模型會在滿足收斂性和模擬精度的條件下，自動調(diào)整實際計算時間步長的大小。根據(jù)模型網(wǎng)格大小、水深條件，使CFL數(shù)小于0.8，滿足模型穩(wěn)定的要求，本模型迭代的時間步長在0.01～60s之間。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模擬工況設(shè)定

走馬塘江邊樞紐主要承擔(dān)區(qū)域洪澇水北排長江等功能，為更好地對泵站運行影響進(jìn)行研究，結(jié)合走馬塘泵站工程設(shè)計及控制調(diào)度方式，設(shè)置模擬工況如下：①模擬工況1：樞紐上游水位2.8m(最低運行水位)，泵站排水流量80m3/s；②模擬工況2：樞紐上游水位3.2m(設(shè)計運行水位)，泵站排水流量80m3/s；③模擬工況3：樞紐上游水位4.57m(最高運行水位)，泵站排水流量80m3/s。

3.2 水動力變化分析

(1)在模擬工況1條件下，節(jié)制閘在泵站排水情況下關(guān)閉擋潮，船閘、節(jié)制閘前端大部分水域流速小于0.1m/s。節(jié)制閘上內(nèi)河側(cè)河道流速基本小于0.5m/s，中心深槽處流速處于0.4～0.5m/s之間。水流經(jīng)導(dǎo)流墩進(jìn)入內(nèi)側(cè)引河后流速增大，河道流速大部分為0.3～0.7m/s，中心處流速較大，為0.6～0.7m/s；右岸岸坡處流速相對較小，與翼墻連接段流速較大。泵站攔污柵隔墩處流速最大，為0.7～1.0m/s。水流進(jìn)入消力池后流速變緩，流速范圍為0.4～0.5m/s。

(2)在模擬工況2條件下，節(jié)制閘在泵站排水情況下關(guān)閉擋潮，船閘、節(jié)制閘前端大部分水域流速小于0.1m/s。節(jié)制閘上內(nèi)河側(cè)河道流速基本小于0.4m/s。內(nèi)側(cè)引河流速大部分為0.3～0.6m/s，中心區(qū)域流速較大，為0.5～0.6m/s；右岸岸坡處流速相對較小，與翼墻連接段流速較大。泵站攔污柵隔墩處流速最大，為0.6～0.9m/s。水流進(jìn)入消力池后流速變緩，流速范圍為0.4～0.5m/s。

(3)在模擬工況3條件下，節(jié)制閘在泵站排水情況下關(guān)閉擋潮，船閘、節(jié)制閘前端大部分水域流速小于0.1m/s。節(jié)制閘內(nèi)河側(cè)河道流速基本小于0.3m/s。內(nèi)側(cè)引河流速大部分為0.2～0.5m/s；攔污柵隔墩前部、右岸岸坡與翼墻連接段流速較大。泵站攔污柵隔墩處流速最大，為0.4～0.7m/s。水流進(jìn)入消力池后流速變緩，流速范圍為0.3～0.4m/s。

3.3 流態(tài)分析

根據(jù)不同運行水位下流場模擬結(jié)果，在泵站排水情況下，節(jié)制閘上內(nèi)河側(cè)河道水流流向總體平行于兩側(cè)堤岸，經(jīng)導(dǎo)流墩和弧形段向內(nèi)側(cè)引河偏轉(zhuǎn)。內(nèi)側(cè)引河流場分布較為均勻，不存在較大范圍環(huán)流，進(jìn)入主河道后基本與泵站垂直，僅右岸岸坡和翼墻連接段流場不均勻，存在局部環(huán)流。

4 結(jié)論

基于MIKE21FM軟件建立二維水流數(shù)學(xué)模型，對走馬塘泵站工程河道區(qū)域的水動力條件進(jìn)行了分析，主要得出以下結(jié)論。

(1)不同運行水位情況下，隨著水位的升高，節(jié)制閘上內(nèi)河側(cè)河道及內(nèi)側(cè)引河流速逐漸降低，節(jié)制閘上內(nèi)河側(cè)河道最大流速集中在中心深槽處，內(nèi)側(cè)引河最大流速集中在引河中心及攔污柵隔墩處。

(2)不同運行水位情況下，樞紐內(nèi)河側(cè)流場分布均較為均勻，節(jié)制閘上內(nèi)河側(cè)河道水流流向總體平行于兩側(cè)堤岸，進(jìn)入內(nèi)側(cè)引河后基本與泵站垂直，僅內(nèi)側(cè)引河右岸岸坡和翼墻連接段流場不均勻，存在局部環(huán)流。

(3)走馬塘江邊泵站建成后，泵站運行期間對于節(jié)制閘、船閘區(qū)域水動力影響較小。不同運行水位情況下，船閘、節(jié)制閘前端水域流速基本小于0.1m/s，節(jié)制閘上內(nèi)河側(cè)河道流速基本小于0.5m/s。