基于航線船閘口門區水力優化數值模擬研究

徐軍偉，金海銀

(江陰市澄江水利農機管理服務站，江蘇 江陰 214400)

1 概 述

為確保過閘船舶航行安全，《船閘總體設計規范》(JTJ 305-2001)對不同級別船閘口門區基于航線的縱橫向水面流速作出相應的規定，詳見表1 ；引航道、口門區宜避免如泡漩、亂流等不良流態；Ⅰ～Ⅳ級船閘和水流泥沙條件復雜的Ⅴ～Ⅶ級船閘布置，宜通過泥沙、水流物理模型或數值模擬研究確定[1]。物模實驗能反映水流流動規律，可信度高，但是周期長、費用高；CFD數值模擬技術能全面反映水流流場要素，且計算精度隨著CFD數值模擬技術多年發展大幅提高，已被很多物模實驗所證明[2-3]。關于船閘引航道及口門區的水力計算，有關學者在恒定流、非恒定流基礎上分析了引航道及口門區復雜水流形成、發展、傳播過程機理，提出了有效措施改善通航水流，并通過物模實驗驗證船閘布置的可行性[4-5]。對于與引航道、口門區及引河主流成一定角度的航線，船舶行駛過程中口門區域水流流動復雜，給船舶航行安全帶來很大影響，須通過CFD數值模擬水力優化獲得最佳航線方案。

表1 口門區水面最大流速限制

2 工程概況

奔牛水利樞紐工程位于新孟河與京杭運河交匯處，該樞紐工程由穿京杭運河立交地涵、船閘、節制閘和孟九橋4部分組成(圖1),其中船閘級別為Ⅵ級，設計過閘船型為100 t貨船，高水位通航時兼顧300 t貨船過閘，代表設計船型見表2[6-7]。該樞紐工程水工況引水流量565 m3/s，水位4.41 m，來流流量大，水位低，表流流速大。且立交地涵北側引河與節制閘下游引河區域水流交匯，導致船閘引航道附近及其口門區水流流態、流速分布變化較為復雜，又因船舶過閘航線與新孟河主流中心線成22°交角(圖2)，對船舶停靠或航行帶來較大的安全隱患，不利于船舶進出閘。在上述復雜水流條件下，該樞紐工程初設階段急需物模實驗或CFD數值模擬計算優化整個工程布局。

圖1 奔牛水利樞紐鳥瞰圖

圖2 奔牛水利樞紐計算區域

表2 代表設計船型

3 模型概化誤差與計算分析難點

3.1 數學模型概化誤差

奔牛水利樞紐船閘、節制閘口門區與新孟河側引河道底高程存在2.3 m高度落差，且該水流交匯區域流動條件不佳，存在大尺度回流等不良流態，造成口門區域附近存在微小的水面波動，且立交地涵與新孟河側引河道放坡連接，整個流動區域非嚴格意義的平面流動。參照以往工程經驗，結合本工程布置特點，取新孟河鐵路橋墩東側水平段河道為該數學模型速度進口；取立交地涵進口處為出口面，自由出流；假定水流表面為沒有波動的平面，即剛蓋假定。上述設置與假定給計算分析結果帶來一定的誤差，綜合本工程物模實驗與數值模擬結果之一船閘引航道流速分布對比(圖3、圖4)，其誤差可在工程接受范圍內。

3.2 計算分析難點

該樞紐航線以圓弧段、直線段連接經過鐵路橋墩穿越引河道進入船閘引航道，而新孟河側節制閘、船閘與京杭運河正交布置。如何獲取平行、垂直航線的水流表流縱橫向速度分布，成為計算分析難點。通常解決方法是編程定義矢量或旋轉幾何模型，以某段直線段航線平行于X坐標進行迭代計算。本文采用第二種方法，以船舶航行穿越新孟河主河道航線為最不利航線。

圖3 船閘引航道數模成果

圖4 船閘引航道物模實驗成果

4 控制方程

控制方程采用三維雷諾時均N-S方程來描述該樞紐船閘口門區水流不可壓縮湍流流動，方程式如下:

連續性方程：

雷諾時均N-S方程：

5 方案分析

為保證過閘船舶的航行安全，不僅在初設階段對該樞紐水流流動條件詳細論證外，還要對初設批復后該工程布置狀況進行航評計算，并進行水力優化，使船閘口門區及引航線區域通航條件滿足《船閘總體設計規范》(JTJ 305-2001)要求。

該工程船閘口門區及引航線區域表流縱橫向流速分布水力優化的原則基于以下兩點：第一不改變工程方案布置，只調整船閘最不利引航線與引河中心線交角大小；第二不再調整船閘最不利引航線與引河中心線交角，即交角一定時只調整引河河岸線布置。

5.1 初步設計方案

該樞紐初步設計方案在新孟河側隔水墻前端布置隔流墩，原先設想其作用是改善船閘引航道口門區局部區域流態，減小最不利流速分布區域。設置隔流墩后，船閘引航道橫向流速分布見圖4。導流墩附近區域橫向流速小于0.25 m/s分布區域已減小，達到了改善效果，但其改善效果是基于船舶航行已進入船閘引航道。從新孟河引河道進入船閘引航道口門區這段航線縱橫向流速分布，原先物模實驗單位未給出成果。綜合考慮，采用CFD數值模擬技術詳細論證。

初設方案中，船閘口門區平行于最不利航線縱橫向流速分布見圖5。縱向流速小于1.5 m/s，橫向流速介于0.25～0.30 m/s之間且分布區域廣，不符合《船閘總體設計規范》(JTJ 305-2001)5.3.2條規定，嚴重威脅船舶航行安全。該樞紐初步設計方案航線設置不符合相應規范要求，須重新調整船閘引航線或樞紐工程引河河岸線。

圖5 初設方案船閘引航道口門區表流縱橫向流速分布云圖

5.2 調整船閘最不利引航線

5.2.1 方案二

船舶在水流較好且無不良流態的航道沿著水流主流方向航行時，表流橫向流速速度較小甚至為零。但船舶航行方向與主流水流成一定角度時，表流橫向流速速度較大甚至分布區域廣。參照本工程初設方案船閘口門區關于航線的水力計算成果，本工程航線調整原則是減小最不利航線與引河中心線夾角，即夾角越小，符合船舶航行的橫向流速分布區域越廣。方案二在初步設計方案基礎上取消新孟河側隔水墻前端隔流墩，調整原最不利航線，即調整α為19.25°。

方案二中，船閘口門區基于最不利航線的縱橫向流速分布見圖6。平行于最不利航線的縱向流速最大值小于1.5 m/s，垂直于最不利航線的橫向流速介于0.25～0.30 m/s之間，且大范圍區域分布在最不利航線四周，在0.30～0.35 m/s范圍內的區域與初設方案相比較有所減小。方案二數模成果仍不符合《船閘總體設計規范》(JTJ 305-2001)5.3.2條規定，仍然嚴重威脅船舶航行安全。

圖6 方案二船閘引航道口門區表流縱橫向流速分布云圖

5.2.2 方案三

方案三在方案二基礎上，調整引河鐵路橋墩在引河中相對合理位置，使最不利航線接近平行于船閘引航道東側直立擋土墻。該方案的優點是最不利航線與引河河道中心線夾角較小，有利于船閘口門區基于最不利航線的縱橫向流速分布不均勻程度一定程度上減小，使得縱橫向流速分布相對符合規范要求。見圖7。

通過調整鐵路橋墩在引河中位置，使得船閘引航道口門區表流不利橫向流速得到極大的改善，絕大部分區域橫向流速大小符合《船閘總體設計規范》(JTJ 305-2001)5.3.2條規定，只有在隔水墻前端端部面積不超過幾個平方很小的區域不符合要求，見圖7(b)。隔水墻前端端部可設置導流墩來改善(詳見圖4成果)，使得表流橫向流速可在0.25 m/s范圍以內，滿足規范要求。

調整鐵路橋墩在引河中位置可獲得該樞紐工程船閘過閘船舶最佳進出航線，但該方案卻有先天性的不足，不足之處有以下幾點：

1) 本工程引水工況4.41 m為瞬時水位，非常水位，且船舶航行最不利橫向流速分布區域小，影響船舶航行的時間短。

2) 調整鐵路橋墩在引河中位置需要進行鐵路橋墩方案論證，且獲得鐵路相關部門的支持。

3) 樞紐建設管轄部門與鐵路部門溝通、協調成本高。

圖7 方案三船閘引航道口門區表流縱橫向流速分布云圖

4) 若鐵路橋墩調整方案獲得通過，鐵路橋墩賠建、鐵路停運賠付等相關費用非該樞紐工程所能承擔。

該方案造成鐵路停用費用高、施工成本高，人為干預不可預測因素多，最終未能獲得相關管理部門支持。

綜上所述，調整鐵路橋墩在引河中位置的方案不可行后，在不縮短隔水墻長度情況下，船閘最不利引航線與引河中心線交角無法再繼續調整減小，最終確定船閘最不利引航線與引河中心線交角α為19.25°，所有方案表流縱向流速分布符合規范要求。

5.3 調整樞紐工程引河河岸線

確定船閘最不利引航線與引河中心線交角后，再調整樞紐工程引河河岸線的原則是擴大船閘東側水域面積，其目的是擴大表流流速0.20～0.25 m/s分布范圍。

方案四在工程起始處引河北側河道線移至征地紅線附近，擴大了船閘側水域面積。引河河道進口處斷面面積不變，與拓浚后的新孟河河口斷面型式相同。方案四未改變原方案二的引航線方案，即最不利航線引河中心線交角α仍為19.25°。見圖8。

圖8 方案四船閘引航道口門區表流橫向流速分布云圖

通過圖8可知，最不利引航線表流橫向流速分布區域絕大范圍在0.20～0.25 m/s，只有在隔水墻端部很小一部分區域表流橫向流速超過0.25 m/s，且超出面積范圍也很小。本方案表流橫向流速分布基本符合《船閘總體設計規范》(JTJ 305-2001)5.3.2條規定。

6 結 語

通過原初步設計方案的水力分析以及3個方案的水力優化，最不利引航線表流縱向流速分布范圍均滿足規范要求，表流橫向流速在引航線周圍超過0.25 m/s分布范圍在不斷的縮小，直至滿足規范要求。