成子河船閘引航道與泄洪河道交匯區域通航水流條件與改善措施研究

丁 堅，吳 騰，邵雨辰，王 霄，郭 淮，曹昌志

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098；2.蘇交科集團股份有限公司，南京210098；3.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，淮安223005）

成子河船閘引航道與泄洪河道交匯區域通航水流條件與改善措施研究

丁 堅1，吳 騰1，邵雨辰2，王 霄3，郭 淮3，曹昌志2

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098；2.蘇交科集團股份有限公司，南京210098；3.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，淮安223005）

引航道與泄洪河道交匯區由于水流流向與航行進出閘方向角度較大，常產生較大橫向流速，影響船舶安全進出閘。文章建立成子河船閘引航道與泄洪河道交匯區平面二維數學模型，模擬研究該區域通航水流條件及其改善措施。研究結果表明：無工程措施條件下，廢黃河下泄流量為10 a一遇洪水時，成子河引航道與泄洪河道交匯區表面最大橫向流速大于0.3 m/s，不能滿足通航要求。當廢黃河與引航道交匯區的上游設置導流墻時，導流墻將來流分為左右兩股水流，向下游的主流流向逐漸與下游引航道平行，交匯區的水流受導流墻阻擋流速減小迅速，能滿足通航要求。

船閘；引航道；數學模型；導流墻；泄洪道；交匯區

本文研究區域位于成子河船閘下游引航道，船閘建成之后，將溝通京杭運河與洪澤湖航道，為京杭大運河增加一條分流航道（圖1）。船閘上閘首距離上游京杭運河約1 061 m，下閘首距離下游成子河航道與廢黃河交匯處約487 m。由于廢黃河與成子河船閘下引航道幾乎正交，影響船舶進出船閘，設計中擬將廢黃河截斷，并在西條堆河與成子河交匯處設置地涵，采用倒虹吸形式跨過成子河。同時，由于廢黃河與成子河引航道近似于正交，交匯區域位于成子河船閘引航道口門處，洪水期廢黃河下泄流量較大，水流頂沖下引航道，成子河船閘口門處易產生較大橫向水流，不利于船舶通航。本文通過數學模型模擬研究引航道交匯區域水流流態以及改善措施的效果［1-8］。

圖1 成子河船閘地理位置圖Fig.1Geographic location of Chengzi river ship lock

1 數學模型的建立和驗證

1.1控制方程

1.1.1一維數學模型控制方程

1.1.2平面二維數學模型控制方程

水流運動方程

1.2方程定解條件

為了使平面二維水流運動的基本方程在計算域Ω內有適定解，必須滿足定解條件，即在計算域上給出初始條件和邊界條件。

1.3模型計算區域及網格

一維數學模型的范圍為船閘下游至洪澤湖湖口，斷面間隔約200 m。二維數學模型計算區域及網格如圖2、圖3所示，圖2中計算區域劃分為7 962個網格，滿足計算精度要求。

圖2 計算網格Fig.2Computational grid

圖3 原始地形Fig.3Initial form

1.4模型參數設置及驗證

由于研究區域實測資料缺乏，本次研究采用2011年江蘇省水利工程科技咨詢有限公司的《成子河船閘工程水文分析報告》中的數據進行驗證。由于由成子河閘下至湖口縱向距離較長，采用全二維計算量過大，故采用一維數學模型確定模型的糙率以及二維模型的下游邊界水位；采用二維計算重點研究區域的流場。結果表明計算值與實測值較為接近，模型能反映實際水流變化。

2 計算工況

本次數模工程措施的研究選取最不利的水文條件［1-2］：廢黃河20 a一遇分洪流量為308 m3/s，閘下最低洪水位為14.09 m；10 a一遇的分洪流量為206 m3/s，閘下最低洪水位為13.37 m。在此基礎上，采用一維水面線計算推求數模邊界處的水位。然后采用二維模型計算不同工況下口門處的流速（表1～表3）。

表2 二維數學模型驗證結果Tab.2Results of two?dimensional mathematical model validation

表3 數模計算工況Tab.3Mathematical model for calculating condition

圖4 導流墻優化方案一Fig.4Optimization plan 1 of diversion wall

圖5 導流墻優化布置方案二Fig.5Optimization plan 2 of diversion wall

3 無導流墻時交匯區流態

工況1條件下，成子河船閘下閘首關閉，計算區域下游的水位考慮最不利通航條件。由于船閘下閘首關閉，水流在口門處產生壅水，水流逐漸偏向右側流動。水流CS4～CS6斷面間開始分流，該處靠近廢黃河一側水流基本直接頂沖過來，航道內的橫向水流也較大［4-6］。斷面6附近的橫向最大流速均超過0.3 m/s，該區域不能滿足通航要求。工況2條件下，CS6斷面的橫向流速也出現大于0.3 m/s的流速點（圖4～圖5）。

4 交匯區通航水流條件改善措施

4.1導航墻優化方案一

由表4～表5可知，工況1～工況2條件下，引航道6#斷面間的水流條件較差，為重點整治區，故可以考慮在導流墻設計方案，以一定角度，使水流挑向下游，導流墻布置方案如圖4所示。工況3條件下，從廢黃河來流受導流墻阻擋，主流流向下游，水流流向逐漸與下游引航道平行，左側水流繞過導流墻后流向下游，導流墻后的航道內水流受導流墻阻擋橫向流速減小迅速，能滿足通航要求。導流墻背面出現明顯的回流，當廢黃河來流含沙量較大時，該處易發生泥沙淤積，可能影響航道的正常運行，需定期觀測以維護航道的暢通。工況4與工況3類似，該導流墻對廢黃河來流橫流流速改變明顯，能滿足通航需求（圖6～圖7）。

表4 廢黃河20 a一遇分洪流量時導流墻優化方案一測流斷面流速Tab.4Cross?section velocity of optimization plan 1 during 5％ frequency flood diversion discharge from the old Yellow River m/s

表5 廢黃河10 a一遇分洪流量時導流墻優化方案一測流斷面流速Tab.5Cross?section velocity of optimization plan 1 during 10％ frequency flood diversion discharge from the old Yellow River m/s

圖6 工況3交匯區流場圖Fig.6Graph of flow field in intersection zone on condition 3

圖7 工況4交匯區流場圖Fig.7Graph of flow field in intersection zone on condition 4

4.2導航墻優化方案二

由優化布置方案一可知，在導流墻靠近下閘首一側存在回流區，當廢黃河來沙較大時該回流區可能會產生泥沙淤積，形成三角洲，因此，考慮在交匯區域布置三角導堤，即優化方案一發生淤積時該區域的流態，如圖5所示。工況5條件下，從廢黃河來流受導流墻阻擋，主流流向下游，水流流向逐漸與下游引航道平行，左側水流較為平順，導流墻下游的航道內水流受導流墻阻擋流速減小迅速，能滿足通航要求（表6～表7）。工況6與工況5類似，該導流墻對廢黃河來流橫流流速改變明顯，引航道內的橫流條件得到了改善，能滿足通航需求（圖8～圖9）。

表6 廢黃河20 a一遇分洪流量時優化方案二測流斷面流速Tab.6Cross?section velocity of optimization plan 2 during 5％ frequency flood diversion discharge from the old Yellow River m/s

表7 廢黃河10 a一遇分洪流量時優化方案二測流斷面流速Tab.7Cross?section velocity of optimization plan 2 during 10％ frequency flood diversion discharge from the old Yellow River m/s

圖8 工況5交匯區流場圖Fig.8Graph of flow field in intersection zone on condition 5

圖9 工況6交匯區流場圖Fig.9Graph of flow field in intersection zone on condition 6

5 結語

研究表明，在廢黃河出口布置一道導流墻，能夠有效改善交匯區的流態和航道內的通航水流條件。導流墻按優化方案一布置時，導航墻起點位于廢黃河中心線偏北處，起始段切線基本與廢黃河中心線平行，通過圓弧和一段直線段使水流轉向，挑流段基本與下游導航中心線平行。導流墻將來流分為左右兩股水流，右側主流直接流向下游，左側水流繞過導流墻后流向下游，導流墻下游航道內水流受導流墻阻擋橫向流速迅速減小，能滿足通航要求。導流墻按優化方案二布置時，航道內橫向水流亦能滿足規范要求，但相對于優化布置方案一，在交匯區域修建三角洲工程量較大。優化布置方案一本文為推薦方案［7-8］。

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Flow characteristics and channel security research of Chengzi river ship lock approach and flood discharge channel intersection area

DING Jian1,WU Teng1,SHAO Yu?chen2,WANG Xiao3,GUO Huai3,CAO Chang?zhi2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China;
2
.JSTI GROUP,Nanjing 210098,China;3.Huai′an Water Conservancy Surveying and Design Institute Co.Ltd.，Huai′an 223005,China）

The transverse velocity in the intersection area of approach channel and flood discharge channel is usually quite large,which will affect the safety of the ship out of the gate.Taking the Chengzi river ship lock as the study object,2D?mathematical model of Chengzi river was built in this paper.Based on the model,the flow pattern in the intersection area of approach channel and flood discharge channel and its improvement measures were simu?lated.The result indicates that the transverse velocity in the intersection area is larger than 0.3 m/s without any engi?neering measures.The flow condition can not meet the requirements of navigation.In order to decrease the trans?verse velocity,a guide wall was set in the upstream intersection area in this paper.By the engineering measure,the transverse velocity is reduced to lower than 0.3 m/s,which meets the requirements of navigation.

lock;approach channel;mathematical model;diversion wall;flood discharge channel;intersection area

U 617；O 242.1

A

1005-8443（2016）02-0166-04

2015-03-30；

2015-06-04

丁堅(1960-)，男，江蘇省南京人，高級工程師，主要從事港口與航道工程專業研究。

Biography：DING Jian（1960-），male，senior engineer.