瀾滄江某渡槽內(nèi)船行波分布規(guī)律研究及消能設(shè)施效果研究

趙文賓 管煜瓊

摘 要：針對瀾滄江某渡槽段可能出現(xiàn)船行波疊加、反射的問題，借助FLOW-3D三維數(shù)值模擬軟件，模擬了渡槽建成后的船行波、流場分布情況，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了防撞鋼護木+消能格柵組合的消能設(shè)施。經(jīng)數(shù)值模型檢驗，采用消能設(shè)施后，各工況下，最大船行波波高下降至0.28m，最大橫流流速下降至0.20m/s，總體來看，消能效果十分明顯，采用消能設(shè)施后渡槽段通航條件較好，可以保證渡槽內(nèi)船舶正常通航。

關(guān)鍵詞：渡槽段航道 船行波分布 數(shù)值模擬 消能格柵

1.前言

瀾滄江是典型的山區(qū)河流，以“窄、急、險”而著稱，河流大多流經(jīng)深山峽谷，河谷狹窄，水流湍急，灘險眾多，航道自然條件較差，船舶通行困難。為有效改善瀾滄江航運條件，促進西南地區(qū)航運發(fā)展，我國交通部水運局及云南省政府擬實施瀾滄江四級航道整治工程。其中，局部灘險航段通航能力較差，經(jīng)設(shè)計方案比選，擬以渡槽形式進行整治。

本文以某渡槽航段為研究實例工程，分析不同工況下，渡槽內(nèi)船行波分布規(guī)律，并針對地設(shè)計消能防波設(shè)施，研究消能效果。本文所有高程均為與糯扎渡電站壩前水位的相對高程。

2.消能設(shè)施設(shè)計

根據(jù)對渡槽內(nèi)（不含消能設(shè)施）各工況數(shù)值模擬下船行波分布情況，針對的設(shè)置防撞鋼護木+消能格柵組合的消能設(shè)施。渡槽處最高通航水位10.630m，最低通航水位8.330m，在渡槽兩側(cè)墻上高程8.33m～12.53m范圍內(nèi)設(shè)置防波、消能鋼格柵，格柵間距為60×60cm，格柵沿垂直航道方向長度為16cm（略低于鋼護木凸出墻面的高度），厚度10cm。

3.數(shù)模建立

3.1計算工況

根據(jù)對渡槽內(nèi)（不含消能設(shè)施）各工況數(shù)值模擬下船行波、流場分布情況，考慮到篇幅有限，選擇最不利組合工況進行示例計算，其余計算結(jié)果以列表形式展示（詳見表1）。

3.2計算網(wǎng)格劃分

工況2下計算網(wǎng)格劃分以及消能設(shè)施概化模擬結(jié)果見圖1。

4.數(shù)模計算

4.1船行波分布

兩組工況下，水位等值線變化過程見圖2，由于最高通航水位為10.63m，圖中水位高程減去10.63m即為波高。分析可知：

（1）渡槽（不含消能措施）建成期工況下，單船行駛狀態(tài)下，1拖6×500t拖帶船隊周邊的船行波波高在0.02～0.08m的范圍內(nèi)，最大波高出現(xiàn)在船首前3.3m處；300噸級貨船船行波波高在0.01～0.05m的范圍內(nèi)，最大波高出現(xiàn)在船首前2.1m處。1拖6×500t拖帶船隊與500t貨船交匯過程中，波高范圍在0.02～0.36m范圍內(nèi)，最大波高時刻出現(xiàn)在模型t=160s時刻。（2）渡槽（含消能措施）建成期工況下，單船行駛狀態(tài)下，波高范圍下降至0.01～0.07m，交匯過程中波高范圍下降至0.02～0.28m。通航條件顯著改善。（3）在增加消能格柵后，格柵結(jié)構(gòu)有效抑制了船行波在槽壁處反射、疊加、傳播，最大波高和平均波高均有所下降。其中其中最大波高由0.36m下降至0.28m，波浪規(guī)模明顯下降，船舶通航條件較好。

4.2橫流分布

兩組工況下，橫流等值線變化過程見圖3。分析可知：

（1）工況1下，拖船及第一節(jié)貨船之間存在部分水體交換，橫流流速較大，分布在0.05～0.20m/s范圍內(nèi)，除此之外，其他區(qū)域橫流流速趨近于0。通航條件良好，有利于船舶航行。

（2）工況2下，橫流分布規(guī)律與工況1基本一致，橫流大小略有下降，橫流流速范圍為0.04～0.18m/s。

4.3 船首偏角變化過程

各工況下，1拖6×500t拖帶船隊船首偏角變化過程見圖4（1），300t貨船船首偏角變化過程見圖4（2）。圖中，90～200s為船舶交匯過程。分析可知：工況1下，船首偏角在1.25°～1.70°范圍內(nèi)。增加消能設(shè)施后（工況2），1拖6×500t拖帶船隊船首偏角在1.20°～1.53°范圍內(nèi)；與未增加消能設(shè)施相比，船舶在渡槽段航行過程船首偏角有所下降，變化最大區(qū)域主要集中在交匯過程中。

4.4 數(shù)模分析小結(jié)

各工況下數(shù)模計算結(jié)果見表2，其中，工況Ⅰ不含消能設(shè)施，工況Ⅱ含消能設(shè)施。分析可知：

（1）最大船行波：在增加消能格柵后，格柵結(jié)構(gòu)有效抑制了船行波在槽壁處反射、疊加、傳播，最大波高和平均波高均有所下降。其中其中最大波高由0.36m下降至0.28m，波浪規(guī)模小于現(xiàn)狀工況，船舶通航條件較好。

（2）橫流分布：各工況下，拖船及第一節(jié)貨船之間存在部分水體交換，橫流流速較大，分布在0.05～0.22m/s范圍內(nèi)，除此之外，其他區(qū)域橫流流速趨近于0。通航條件良好，有利于船舶航行。

（3）船首偏角：在各工況下，各船型組合的船首偏角均較小（0.64～1.80°范圍內(nèi)），船舶航行條件較好。

（4）總體分析：在采用消能設(shè)施后，各船型組合通過時船行波較小，橫流流速較小，水流緩慢，船首偏角趨近于0，通航條件可滿足規(guī)范要求。

5.結(jié)論

本文建立了三維水流耦合模型，對瀾滄江某渡槽采用消能設(shè)施前后的水流流場進行了模擬與分析，研究結(jié)果顯示，渡槽段建成后各工況下最大波高為0.36m，橫流流速為0.22m/s；采用消能設(shè)施后，各工況下最大波高下降至0.28m，最大橫流流速下降至0.20m/s，總體來看，消能效果十分明顯，采用消能設(shè)施后渡槽段通航條件較好。

參考文獻：

[1]徐夢華，莫海鴻.渡槽內(nèi)流速對其結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響的仿真分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010（20）： 4973—4977+4983.

[2]謝龍等.天白水電站溢洪道彎曲段流態(tài)優(yōu)化試驗[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，32（2）：310—312.Xie Long.Flow Pattern Optimization Experiment of Bending Section ofTianbai Hydroelectric Station Spillway[J].Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2013，32（2）：310—312.

[3]劉霞，葛新鋒.FLUENT軟件及其在我國的應(yīng)用[J].能源研究與利用，2003（2）： 36—38.