淮河入海水道二期漫灘三維水動力數值研究

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(1.江蘇省交通運輸廳，江蘇南京210001；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京100007)

內河航運是現代綜合運輸體系中重要組成部分，是水資源合理開發和綜合利用的主要內容之一。目前國內外許多學者對于航道的安全利用進行了一系列的研究。

曹民雄[1]研究了山區河流急流灘的形成條件,分析了影響灘情的主要因素和主要流態與礙航情況,并提出了灘段局部阻力系數的計算公式,論證了灘段水面形態、流速平面分布與灘段地形的相互關系。李歡等[2]分析了岷江新開河灘群的礙航特性,采用物理模型試驗,利用彎道水流特性,將航槽置于灘沿附近,走凸岸緩流,凹岸斷面擴大使主流偏離航槽,利用邊灘中部漏浩提前分流,減小航道流速。枚龍[3]利用水動力學MIKE模型分析了航道工程中船閘灌泄水非恒定流對引航道水流條件的影響，研究了水面波動對航深的影響以及往復流對船舶停靠的影響。李文丹[4]用TK-2D軟件建立了廣州港深水航道所在海區的基于不規則三角形網格的潮流數學模型,在采用現場實測資料對模型進行充分驗證的基礎上,對伶仃洋深水航道進行了潮流數值模擬研究,從潮流場角度分析了深水航道開發的可行性。龐雪松等[5]通過物理模型進行研究，針對羊欄灘的水力特性,對比航槽拓寬、黔江匯流口改善工程、大沙左汊開挖分流以及大沙中槽開挖分流等4種整治思路,提出了開挖非航槽分流方案,工程實施后航道條件得到明顯改善。宋禹辰等[6]建立了泵站二維數學模型，概化模型結構，結合泵站水流入匯和泵站自身水工結構阻水兩方面因素分析擬建工程對航道條件的影響大小。周楊等[7]建立了奔牛水利樞紐新孟河側水流三維數學模型，通過船閘下游引航道區域三維水流水動力學的計算，優化導流墻長度。

上述學者對內河航道水流流態做了大量的計算分析和試驗工作，推動了航運的開發利用進程。以往學者通過數學模型在研究內河航運水流條件時，由于模擬范圍較大，大多采用二維數值模型進行模擬分析，對于三維局部地形如肩灘等處流速模擬往往不夠精確。由于內河河流流態復雜，水位波動變化較大，特別是小流量行洪時存在河道漫灘現象，對航道高效安全利用仍存在較大困難。

為解決上述問題，本文以淮河入海水道二期工程為例，建立三維數值水槽，模擬不同地形、流量下水流的三維運動，著重分析漫灘條件下航道內三維流態，研究結果可以為小流量行洪導致河道漫灘時安全航行提供參考依據。

1 數學模型

1.1 三維數值波浪運動控制方程

三維水流運動控制方程采用RANS形式，由連續性方程、動量方程以及表達紊動特性的紊動動能和紊動耗散率方程組成。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

利用VOF[8]方法追蹤水氣界面，該方法是利用水體體積分數F(x,y,z,t)求解重構自由波面的運動，水體體積分數控制方程如下：

(7)

數學模型的計算方法主要有有限差分法、有限體積法、有限元法等，本文采用有限體積法中的GMRES算法。GMRES算法，即廣義最小殘差法。它是由Saad和Schultz[9]提出的用于求解高維度非對稱稀疏線性方程組的一種迭代算法，其基本方法為在求解較大維數方程組時，通過在較低維上的求解來得到滿足一定精度要求的解。GMRES算法[10]對于大部分的求解問題都具有較高的計算精度與效率，并且具有較好的收斂性、對稱性及速度性。

耦合求解上述方程(1)—(7)，即可求得u、v、w、p、K、ε和F。

1.2 三維數值水槽的建立

選取黏性和K-ε紊流模塊表征水流紊動行為，建立三維數值水槽。水槽劃分為前端造流區、工作區和尾端出流區。其中水槽上部為空氣，下部為水體。在數值波浪水槽的造流區利用流量邊界實現函數造流功能，在尾端消波區利用開邊界條件出流。

本次入海水道三維模型構建采用的設計斷面自洪澤湖二河閘～海口樞紐為分段設計，涉及二河閘～二河新泄洪閘～淮安樞紐立交地涵～濱海樞紐～海口樞紐段。

圖1 032K+500斷面

分別選取上中下游典型斷面進行分析，即在淮安樞紐至淮阜控制之間選取2個斷面即032K+500、052K+000，深泓在這2個斷面上寬度為250 m，在淮阜控制至濱海樞紐之間選取1個斷面即84K+000，深泓在此斷面上寬度為230 m。航道中心線與深泓中心線重合，航道底寬60 m。模型斷面見圖1、3、5，三維地形見圖2、4、6。

圖2 032K+500斷面三維地形

圖3 052K+000斷面

圖4 052K+000斷面三維地形

圖5 084K+000斷面

圖6 084K+000斷面三維地形

2 計算結果與分析

利用數學模型對長5 m，寬600 m，高11 m的三維數值水槽進行水動力模擬；入口流量Q=1 100、1 500、2 000和4 391 m3/s，三維地形斷面為032K+500、052K+00、084K+000，共計12組工況。為了精細計算淮河入海水道水流流態，劃分結構化網格3 863 750個。

X方向為垂直河道斷面，其中沿下游方向為正方向；Y方向為沿河道斷面，其中沿主流方向向左為正方向，右岸邊界處Y=0；Z方向為重力方向，其中豎直向上為正方向。河道坐標XYZ為沿河道斷面坐標。

2.1 032K+500斷面流態

圖7中，在主航道范圍內橫向流速y小于0.1 m/s，規范要求橫流小于0.3 m/s，在本航道通航斷面內滿足通航要求；深泓底邊線范圍內橫向流速y小于0.2 m/s；在右岸小南泓內，橫向流速也較小；但在河道左右兩岸的灘肩部位至堤腳，橫向流速急劇變大，1 100 m3/s時右岸灘地的橫向流速達到-1.0 m/s、左岸灘地的橫向流速達到1.1 m/s；1 500 m3/s時右岸灘地的橫向流速達到-0.38 m/s、左岸灘地的橫向流速達到0.48 m/s；2 000 m3/s時右岸灘地的橫向流速達到-0.6 m/s、左岸灘地的橫向流速達到0.7 m/s， 4 391 m3/s時右岸灘地的橫向流速達到-1.2 m/s、左岸灘地的橫向流速達到1.3 m/s。

a) 4 391 m3/s流量河道斷面y向速度分布

b) 2 000 m3/s流量河道斷面y向速度分布

c) 1 500m3/s流量河道斷面y向速度分布

d) 1 100 m3/s流量河道斷面y向速度分布圖7 032K+500斷面不同流量下河道斷面y向速度分布

從漫灘后流量大小分析，可以發現在流量1 100 m3/s時左岸及右岸的橫向流速較1 500、2 000 m3/s流量時要大，說明水流剛剛上灘時灘面上橫向流速最大，此時為流態最紊亂的狀態。

2.2 052K+000斷面流態

052K+000斷面流態結論與上節類似，見圖8，在主航道范圍內橫向流速y小于0.1 m/s，滿足通航要求；深泓底邊線范圍內橫向流速y小于0.2 m/s；在右岸小南泓內，橫向流速小于0.5 m/s；但在河道左右兩岸的灘肩至大堤堤腳，橫向流速急劇變大，1 100 m3/s時右岸未上灘、左岸灘地的橫向流速達到0.75 m/s，1 500 m3/s時右岸灘地的橫向流速達到-0.9 m/s、左岸灘地的橫向流速達到0.62 m/s。

a) 1 500 m3/s流量河道斷面y向速度分布

b) 1 100 m3/s流量河道斷面y向速度分布圖8 052K+000斷面不同流量下河道斷面y向速度分布

從漫灘后流量大小分析，可以發現在流量1 100 m3/s時左岸的橫向流速都較1 500 m3/s流量時要大，右岸的橫向流速在1 500 m3/s漫灘，說明水流剛剛上灘時灘面上橫向流速最大，此時為流態最紊亂的狀態。

2.3 084K+000斷面流態

084K+000斷面流態結論與上節類似，見圖9，在主航道范圍內橫向流速y小于0.08 m/s，滿足通航要求；深泓底邊線范圍內橫向流速y小于0.25 m/s；但在河道左右兩岸的灘肩至大堤堤腳，橫向流速急劇變大，1 100 m3/s時左岸灘地的橫向流速達到1.3 m/s，1 500 m3/s時左岸灘地的橫向流速達到0.9 m/s。從漫灘后流量大小分析， 可以發現在流量1 100 m3/s時左岸的橫向流速較1 500 m3/s流量時要大，說明水流剛剛上灘時灘面上橫向流速最大，此時為流態最紊亂的狀態。

a) 1 500 m3/s流量河道斷面y向速度分布

b) 1 100 m3/s流量河道斷面y向速度分布圖9 052K+000斷面不同流量下河道斷面y向速度分布

3 三維流速分布

圖10給出了032K+500斷面在流量1 100 m3/s，即剛剛漫灘時沿斷面流速分布矢量。可以發現，橫向流速在遇到斜坡，上灘過程中逐漸增大，在灘肩處存在最大橫向流速，上灘后橫向流速逐漸減小。剛剛漫灘時灘肩流速最大，對航行安全造成影響；泓堤處受到地形影響，橫向流速略有增大；主航道處橫向流速在0.05 m/s附近，航道處橫向流速受到漫灘水流影響較小。

a) 右岸岸灘橫向速度分布

b) 右岸泓堤橫向速度分布

c) 左岸岸灘橫向速度分布圖10 032K+500斷面流速分布矢量

4 結論

本次淮河入海水道二期配套通航工程漫灘三維水流流態分析，選取淮安樞紐至濱海樞紐之間共計3個斷面，通過斷面三維建模，分析斷面三維流態。從3個典型斷面分析結果得知，淮河入海水道上游二河閘小流量泄洪時，剛漫灘時，深泓范圍外的灘肩至大堤堤腳范圍流態較紊亂，橫向流速較大。在漫灘過程中航道范圍內橫向流速均小于0.1 m/s，對船舶航行不會造成不良影響。淮河入海水道二期深泓寬度在230～260 m之間，航道范圍僅占用深泓寬度1/3左右，因此可通過設置浮標等措施限制船舶在航道范圍內航行，即可保證在泄流漫灘過程中的行船安全。需要注意的是，本文基于淮河入海水道二期工程小流量行洪條件，工況相對簡單。復雜內河河流條件下，局部礙航行為的研究仍待深入開展。