奔牛水利樞紐導(dǎo)流河彎道水流特性分析

李 雷，顧黃飛，劉永剛

(1.江陰市重點(diǎn)水利工程建設(shè)管理處，江蘇 江陰 214431； 2.無(wú)錫市泓利工程監(jiān)理有限公司，江蘇 無(wú)錫 214400； 3.江陰市長(zhǎng)涇水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 江陰 214400)

1 工程概況

根據(jù)奔牛水利樞紐工程中各組成建筑物的任務(wù)和規(guī)模，結(jié)合擬建場(chǎng)地區(qū)地形、地貌和地質(zhì)情況，船閘選址于原新孟河河道上，與現(xiàn)狀京杭運(yùn)河航道正交布置，船閘中心線與現(xiàn)狀新孟河河口段河道中心線一致；節(jié)制閘與船閘并列布置于現(xiàn)狀新孟河河口段；穿京杭運(yùn)河立交地涵擬建于現(xiàn)狀新孟河河口以東，立交地涵縱軸線與船閘中心線間距為210 m，節(jié)制閘中心線與船閘中心線間距為20.1 m(圖1)。按照新孟河和京杭運(yùn)河現(xiàn)狀通航標(biāo)準(zhǔn)，新孟河導(dǎo)航河道標(biāo)準(zhǔn)為Ⅵ級(jí)航道，京杭運(yùn)河導(dǎo)航河道標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ級(jí)航道。

圖1 奔牛水利樞紐鳥(niǎo)瞰圖

2 施工導(dǎo)流總體布置

根據(jù)奔牛水利樞紐合并工期后的施工導(dǎo)截流設(shè)計(jì)情況，在現(xiàn)狀京杭運(yùn)河南側(cè)開(kāi)挖導(dǎo)流/導(dǎo)航河道，然后通過(guò)京杭運(yùn)河上的1#，2#圍堰，形成穿京杭運(yùn)河立交地涵的施工基坑；通過(guò)新孟河上的3#，4#圍堰，形成船閘和節(jié)制閘的施工基坑。1#，2#和4#圍堰擋京杭運(yùn)河洪水，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)洪水位為6.06 m；3#圍堰擋新孟河洪水，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，設(shè)計(jì)洪水位為5.86 m。見(jiàn)圖2。

圖2 奔牛水利樞紐施工總布置圖

3 施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)與流量安排

施工期間施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)按照施工段上游來(lái)水主汛期20年一遇設(shè)計(jì)，相應(yīng)導(dǎo)流流量為276.4 m3/s[1]。第二、第四階段，導(dǎo)流河分流248.8 m3/s，新孟河分流27.6 m3/s；第三階段，利用導(dǎo)流河分流。導(dǎo)流河河道標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 導(dǎo)流河標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

4 數(shù)學(xué)模型參考范圍

奔牛水利樞紐施工導(dǎo)流河數(shù)學(xué)模型(圖4)參考范圍由京杭運(yùn)河部分直線段各200 m、彎曲半徑428.5 m導(dǎo)流河及1#，2#，4#圍堰外圍組成。根據(jù)奔牛水利樞紐建筑物及河道布置情況，按照1∶1比例，建立導(dǎo)流河區(qū)域水流三維物理模型(圖1)。

圖4 三維數(shù)學(xué)模型

5 控制方程

奔牛水利樞紐施工導(dǎo)流河水流流動(dòng)區(qū)域三維數(shù)值模擬采用三維雷諾時(shí)均N-S方程來(lái)描述其不可壓縮湍流流動(dòng)，方程式如下:

雷諾時(shí)均N-S方程：

式中：ρ流體密度；t為時(shí)間；ui(i=x，y，z)為速度沿i方向的分量；p為壓力；v為流體的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

6 邊界條件設(shè)置

計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，一階迎風(fēng)格式；進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口；出口設(shè)置為自由出流，水流與空氣接觸面為剛蓋假定，其余壁面均設(shè)為無(wú)滑移壁面條件，設(shè)定參考大氣壓力為1atm。樞紐所有邊壁均設(shè)為無(wú)滑移壁面；迭代殘差值為5×10-4。

7 水流特性分析

7.1 計(jì)算工況

施工期間，施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)按照施工段上游來(lái)水主汛期20年一遇設(shè)計(jì)，相應(yīng)導(dǎo)流流量為276.4 m3/s，相應(yīng)水位6.06 m。京杭運(yùn)河與新孟河流量分配分流比分別為1∶0，9∶1和5.67∶1，即新孟河流量分別為0，27.64和41.46 m3/s。

7.2 計(jì)算結(jié)果分析

施工導(dǎo)流河水流流態(tài)與速度分布見(jiàn)圖5-圖7。當(dāng)新孟河流量為0 m3/s時(shí)，新孟河側(cè)、圍堰外圍及出口處都出現(xiàn)較大的回流區(qū)，導(dǎo)流河流態(tài)平順，導(dǎo)流河內(nèi)側(cè)最大流速0.7 m/s且分布范圍很小。當(dāng)新孟河流量為27.64 m3/s時(shí)，新孟河與京杭運(yùn)河連接圓弧段、2#圍堰外圍出現(xiàn)較大的回流區(qū)，導(dǎo)流河流態(tài)平順，導(dǎo)流河內(nèi)側(cè)最大流速0.65 m/s且分布范圍很小。當(dāng)新孟河流量為41.46 m3/s時(shí)，新孟河與京杭運(yùn)河連接圓弧段、2#圍堰外圍出現(xiàn)較大的回流區(qū)，導(dǎo)流河流態(tài)平順，導(dǎo)流河內(nèi)側(cè)最大流速0.6 m/s且分布范圍很小。

圖5 分流比1∶0流態(tài)流速分布圖

圖6 分流比9∶1流態(tài)流速分布圖

圖7 分流比5.67∶1流態(tài)流速分布圖

根據(jù)休克萊彎道水槽實(shí)驗(yàn)成果可知[2]，彎道最大縱向流速在進(jìn)入彎道之前就離開(kāi)它的正常位置，偏向彎道凸岸，之后慢慢向渠道中心線靠近，出彎道以后還繼續(xù)向彎道外側(cè)發(fā)展，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的距離方能恢復(fù)正常位置。本工程彎道導(dǎo)流河縱向流速分布規(guī)律比較符合休克萊彎道水槽實(shí)驗(yàn)成果。

7.3 沖淤計(jì)算

導(dǎo)流河河床位于③2層黏土，根據(jù)地勘報(bào)告，凝聚力C=21.7 kPa=0.217 kg/cm2，考慮C的離散性，設(shè)計(jì)取C0=C/3=0.072 kg/cm2。

河床不沖流速按列維公式計(jì)算：

(1)

式中：Rα為水力半徑修正系數(shù)，其中R為過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃剑籬為河道水深；d為河床土質(zhì)平均粒徑。

按式(1)計(jì)算可得該段河床不沖流速為1.08 m/s，大于導(dǎo)流河最大流速0.7 m/s，滿(mǎn)足抗沖要求。

8 結(jié) 語(yǔ)

奔牛水利樞紐導(dǎo)流河彎道對(duì)水流流動(dòng)影響復(fù)雜，從水流流態(tài)、流速分布、沖淤計(jì)算進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

1) 京杭運(yùn)河與新孟河流量分配不同分流比工況下，導(dǎo)流河流態(tài)較為平順，局部出現(xiàn)較大回流區(qū)但不影響整體通航條件。

2) 導(dǎo)流河縱向流速分布規(guī)律較為符合休克萊彎道水槽實(shí)驗(yàn)成果，表明該計(jì)算方法、邊界條件設(shè)置合理，計(jì)算成果較為符合實(shí)際狀況。

3) 根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》(第二版)渠道轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算[3]，導(dǎo)流河轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)置合理，內(nèi)側(cè)最大流速分布范圍小且小于下游河床不沖流速，抗沖滿(mǎn)足要求。