富春江船閘改擴建工程圍堰過水水流流場數值模擬

吳啟和　韓繼斌　任坤杰

(1. 中交第二航務工程局有限公司， 武漢　430040； 2. 長江科學院， 武漢　430010)

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富春江船閘改擴建工程圍堰過水水流流場數值模擬

吳啟和1韓繼斌1任坤杰2

(1. 中交第二航務工程局有限公司， 武漢430040； 2. 長江科學院， 武漢430010)

富春江船閘改擴建工程施工時，部分圍堰處于樞紐泄洪消能區，圍堰附近水流流速大、流態復雜，對施工圍堰穩定不利．本文采用帶自由表面的三維k-ε水氣兩相紊流數學模型，模擬過水圍堰區域復雜的水流流場，獲取圍堰附近的流態、流速分布、渦量分布及壓力分布規律，為圍堰防護設計與施工安全提供依據．

圍堰；數值模擬；流態；流速；渦量

富春江水電站位于浙江桐廬縣富春江七里垅峽谷出口處，距上游建德和蘭溪分別為53 km和100 km．電站樞紐自左至右為發電廠房、溢洪閘壩段、船閘及右岸擋水壩段等，富春江船閘上下游均具備水運條件，300 t級船舶可達上游建德、蘭溪，下游500 t級船舶可達杭州，并連接京杭運河與杭甬運河．富春江船閘改擴建時，采用施工圍堰將老船閘及下游施工區域進行圍護，利于枯水期船閘改擴建工程的安全有序開展．樞紐及圍堰布置如圖1所示．

圖1　富春江水電站樞紐與施工圍堰平面布置示意圖

富春江改擴建施工圍堰處于右側5孔溢洪閘下游，橫向圍堰及部分縱向圍堰處于樞紐泄洪消能區，此區域水流流態復雜、流速大，紊動水流與氣體混摻，撞擊、對沖圍堰及坡腳，極易造成圍堰坡腳的嚴重沖刷，危及施工圍堰的結構穩定安全．因此，通過數學模型計算分析施工期富春江船閘改擴建施工圍堰附近水流流場是非常必要的[1-2]，可為施工圍堰防護設計與施工安全提供依據．本文采用帶自由表面的三維k-ε水氣兩相紊流數學模型模擬圍堰水流流場，并考慮實際河道地形對水流的影響，分析泄洪消能區內圍堰附近水流的流態、流速、渦量及壓力特性，為圍堰的穩定防滲抗沖防護提供水力學指標．

1　數學模型

1.1控制方程

采用帶自由表面的三維k-ε和水氣兩相紊流數學模型的控制方程[3]，包括連續方程與運動方程：

(1)

(2)

k-ε方程：

(3)

(4)

式中，t為時間；ui、uj、xi、xj分別為速度分量與坐標分量；μ、μt分別為動力粘性系數與紊動粘性系數，μt=Cuκ2/ε；p為修正壓力；fi為質量力；Cκ為平均速度梯度產生的紊動能項，Cκ=μt[(?ui/?xj+?uj/?xi)(?ui/?xj)]；經驗常數Cu=0.09，σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.42．

追蹤模擬自由面采用VOF方法，在控制體積內對第q相流體的體積分數定義為θq=0表示控制體內無q相流體；αq=1表示控制體內充滿q相流體；0<αq<1表示控制體內部分充滿q相流體，對所有流體的體積分數總和為1，即ρ=∑αqρq，1．每個控制體內混合流體的密度μ=∑αqμq；每個控制體內混合流體的粘性為 ．第q相流體輸運控制方程：

(5)

采用控制體積法對方程組進行離散，采用對壓力初始值依賴性不強且收斂性較好的SIMPLER法進行數值計算[4-7]．

1.2計算區域確定與網格劃分

富春江船閘改擴建施工時，縱向圍堰將下游河道分割為兩部分，橫向圍堰封堵基坑上下游．汛期泄洪時，水流漫過圍堰進入基坑行洪．計算條件選擇汛期來流量最大的不利運行條件：上游來流15 300 m3/s，分別采用17孔溢洪閘與12孔溢洪閘(右側12孔關閉)敞泄宣泄洪水．

計算區域包括富春江上游部分庫區、17孔溢洪閘、上游橫向圍堰、縱向圍堰、下游河道等區域，全長約2 km，計算區域如圖2所示．整個計算區域采用貼體六面體網格進行劃分，網格總數約為60萬，計算區域壁面網格如圖3所示．

圖2　計算區域示意圖　　　圖3　計算區域壁面網格劃分示意圖

1.3定解條件

計算區域內，上游入流邊界采用流量邊界條件，控制來流流量；下游出流邊界采用水位邊界條件，控制下游水位．

2　模擬結果

圖4為區域內主河道與基坑縱切面流態，圖中深色表示氣體、淺色表示水體；圖5、圖6為區域內主河道與基坑縱切面流速分布、水平切面流速分布，圖中顏色由深至淺表示流速由小至大；圖7為縱向圍堰左側沿程垂向流速分布變化．由圖4可知，庫區水流較為平順，水流至消力池形成水躍，水流摻混、紊動后向下游行進．17孔溢洪閘泄洪時，縱向圍堰右側水流出閘室進入消力池且受到橫向圍堰的阻擋，形成強水躍、頂沖圍堰，加劇圍堰及坡腳的沖刷；部分水體翻越橫向圍堰進入施工基坑內．

圖4　區域內沿縱切面的流態示意圖

由圖5可知，庫區水流流速小，水流進入溢洪閘流道束窄流速增大，過堰頂后流速增至最大；水流出閘室進入消力池后潛底下行上卷形成水躍，消力池內底部流速大、表面流速小．17孔溢洪閘泄洪時，正對橫向圍堰的閘孔下泄水流對橫向圍堰形成頂沖，流速約為3.5m/s，部分水體翻越橫向圍堰進入施工基坑，流速較小．12孔泄洪時，避免了壩體下泄水流對上游橫向圍堰的頂沖，流速由3.5m/s減小為1.2m/s．

圖5　區域內縱切面流速分布示意圖

由圖6可知，17孔溢洪閘泄洪時，縱向圍堰左側流速較大，自縱向圍堰與上游橫向圍堰交匯處向下游形成狹長的較高流速帶，沿程流速呈減小趨勢；12孔泄洪時，圍堰左側流速較17孔泄洪工況大幅減小，可有效減弱水流對圍堰的局部沖刷．

圖6　水平切面流速分布示意圖

由圖7可知，縱向圍堰左側近壩區垂向流速呈表小、底大分布，底部流速大易造成圍堰坡腳沖刷，遠壩區水流逐漸調整為表大、底小分布；近壩區17孔流速較12孔流速較大，遠壩區二者流速基本相當．17孔溢流壩運行時，0+120 m、0+260 m、0+420 m、0+580 m各橫切面底部最大流速分別為5.28 m/s、4.51 m/s，3.60 m/s、3.67 m/s．

圖7　縱向圍堰左側沿程垂向流速分布變化示意圖

表1給出了各切面縱橫圍堰交匯處最大流速、渦量值．由表1可知，17孔各水平切面圍堰交匯處最大流速基本一致，12孔運行時隨切面高程的增大最大流速有所增大；17孔運行時流速較12孔運行時大，17孔運行時圍堰交匯處最大流速為5.72 m/s．

表1　各切面縱橫圍堰交匯處最大流速、渦量

圖8為區域內主河道與基坑水平切面渦量分布，圖中顏色由深至淺表示渦量由小至大．由圖7可知，17孔溢洪閘泄洪時，縱向圍堰左側渦量較大，自縱向圍堰與上游橫向圍堰交匯處向下游形成狹長的較高渦量帶，沿程渦量呈減小趨勢；12孔泄洪時，圍堰左側渦量較17孔泄洪工況大幅減小．結合渦量分布圖與流速分布圖可以看出，渦量的分布規律與流速分布規律存在較好的對應性，近圍堰水流流速越大，其與圍堰坡面之間的剪切應力越大，形成渦量亦較大．

由表1可知，17孔各水平切面圍堰交匯處隨高程的增大，最大渦量有所減小，12孔運行時隨切面高程的增大最大流速有所增大；17孔運行時渦量較12孔運行時大，17孔運行時圍堰交匯處最大渦量為1.67/s．

圖8　水平切面渦量分布示意圖

圖9為區域內主河道與基坑橫切面壓力梯度分布，圖中顏色由深至淺表示壓力梯度由小至大．由圖9可知，17孔溢洪閘泄洪與12孔泄洪工況下，圍堰附近沿水深方向的壓力梯度約為-0.95～-1，表明圍堰附近壓力分布基本呈靜壓分布規律．

圖9　沿橫向剖面壓力梯度分布示意圖

3　結　論

利用帶自由表面的三維k-ε和水氣兩相紊流數

學模型，模擬計算了富春江船閘改擴建施工圍堰附近水流流場，計算結果表明，因橫向圍堰與部分縱向圍堰處于大壩消能區內，當17孔溢洪閘泄洪時，在圍堰交匯處附近出現高流速、高渦量流速帶，極可能造成圍堰的局部沖刷而危害其結構的穩定安全，應加強消能區內圍堰坡腳的防護加固．同時，如改變泄洪調度方式，將正對橫向圍堰的5孔泄洪閘關閉，12孔泄洪閘泄洪，可有效的減小消能區內圍堰附近的流速、渦量，削弱水流對圍堰的局部沖刷．計算結果可為圍堰防護設計與施工安全提供依據．

[1]賀昌海，張輝輝，楊棟．分期導流束窄河床的二維數值模擬研究[J]．華中科技大學學報：自然科學版，2005，33(3)：81-84．

[2]麻夏，張潔，陳九靈，等．峽江樞紐圍堰施工河道水力特性2維數值模擬[J]．江西師范大學學報：自然科學版，2013，37(5)：544-550．

[3]姜治兵，槐文信，韓繼斌，等．高拱壩下游水墊塘內流場的數值模擬[J]華中科技大學學報：自然科學版，2008，36(2)：126-128．

[4]張寧，李光正．一種改進的SIMPLER算法[J]．華中科技大學學報：自然科學版，2002，19(2)：28-31．

[5]鄒春，劉朝霞，張立麒，等．不同湍流模型比較模擬撞擊流[J]．華中科技大學學報：自然科學版，2006，34(9)：72-76．

[6]槐文信，曾小輝，楊中華．一維和二維潰壩波的混合有限分析解[J]．華中科技大學學報：自然科學版，2006，34(9)：48-50．

[7]張雙全，符建平，段開林，等．三峽水輪機尾水管渦帶的CFD數值模擬口[J]．華中科技大學學報：自然科學版，2006，34(7)：19-23．

[責任編輯周文凱]

Numerical Simulation of Flow Filed over Cofferdam on Fuchunjiang Ship Lock Extension Project

Wu Qihe1Han Jibin2Ren Kunjie2

(1. CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd., Wuhan 430040, China; 2. Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China)

When the Fuchunjiang ship lock extension project is in construction, it is unfavorable for cofferdam stability of the flow with high velocity and complex flow patterns because of part of the cofferdam on flood energy dissipation in the hub area. The complex flow field in the nearby cofferdam is simulated by using three dimensional numerical model which is free surface and k-εturbulent mode. The flow pattern, velocity distribution, vorticity distribution and distribution of pressure around cofferdam are obtained, so as to provide the help for cofferdam design and construction safety.

cofferdam;numerical simulation;flow pattern；flow velocity；vorticity

2015-11-02

國家自然科學基金項目(51209007)；交通運輸部氣液技術創新項目(201431542 A060)

吳啟和(1979-)，男，高工，碩士，主要研究方向為橋梁深水基礎及防滲．E-mail： renkunjie@sina.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.04.005

TV132+.2

A

1672-948X(2016)04-0023-04