南京市三汊河河口閘單孔開啟水流流態模擬研究

謝昕卓 陳偉 楊明強 王璐 楊菲菲 蔡新

摘要：

為模擬南京市三汊河河口閘附近水流流態，探究河口閘單孔開啟的可行性，采用Delft 3D軟件建立大范圍水深平均模型和局部三維數學模型，對三汊河河口附近水流流態進行數值模擬，研究最不利水位工況下的水流流態，并確定了閘孔不同運行模式對流速分布的影響范圍。進一步地，將河道底面流速與研究范圍內泥沙起動速度進行比較，獲得了河口閘附近河道沖刷與淤積范圍的分布情況。研究成果可為研究河口閘單孔開啟提供依據。

關 鍵 詞：

水閘運行方式; 水流流態; 流速分布; Delft 3D模型; 河道沖淤; 三汊河河口閘

中圖法分類號： TV131.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.026

0 引 言

三汊河河口閘位于外秦淮河入江口，是南京市秦淮河環境綜合整治工程的重要組成部分。河口閘采用雙孔護鏡門的閘門型式，在大閘門上疊加溢流活動小門，形式新穎獨特。河口閘工程投入運行以來嚴格按照相關規定，采用雙閘孔同時開啟的方式調度運行，并定期進行檢測，保證結構安全，獲得了較多研究數據。

然而隨著城市化進程的加快，外秦淮河水環境需要進一步改善。河口閘需要增加常態引調水功能，進而保證外秦淮河武定門閘至三汊河入江口段水體水質穩定滿足Ⅴ類水及以上標準。基于外秦淮河新的功能需求，需要在現行條件下分析論證河口閘單孔開啟運行的可行性，達到節約能源與高效利用水資源的目的。

由于河口閘單孔運行方式超出了原工程設計工況范疇，未來水閘能否實施單孔開啟運行，需要通過科學有效的手段對該運行模式進行論證。為此需要進行河口閘單孔開啟工況下河道的流態研究，計算其水流流速，判斷其沖淤狀況，為判斷單孔開啟是否符合安全性要求提供依據。

對于此類問題，可以使用Delft 3D軟件建立數值模型的方法加以研究。國內外學者采用此類方法進行流態研究，取得了較好的效果。唐洪武等[1]曾在2011年利用Delft 3D軟件建立數學模型，對三汊河河口閘雙孔開啟運行工況下閘下沖淤問題進行了系統研究。胡孜軍等[2]通過建立洪澤湖區二維水深平均模型與三河閘閘室局部三維全耦合計算模型，對洪澤湖區三河閘附近的過流流態進行了精細化模擬。雷曉玲[3]利用Delft 3D數學模型對三峽航道環保疏浚的水質變化進行了數值模擬，并對三峽航道疏浚工作的成果進行了定量評估。左書華[4] 用Delft 3D軟件建立水動力模型，研究了鰲江口外平陽咀海域流場，計算結果與實際測量結果吻合良好，證明此模型可以為工程研究提供流場背景。廖庾強[5] 利用Delft 3D建立了柳河彰武新城段平面二維模型，得到了水動力特征、典型斷面形態變化、河道泥沙分布等結果，為柳河彰武新城段防洪工作提供了理論基礎。范翻平[6]曾用Delft 3D軟件建立鄱陽湖水動力模型，研究典型風向、風速對鄱陽湖流場的影響，為研究鄱陽湖的污染問題提供了理論支撐。趙明登等[7]將ArcGIS與Delft 3D結合，對渭河下游泛洪區洪水數值進行研究，實現了河道及潰堤洪水演進的實時動態演示。郎韻、陳偉等[8-9]曾利用Delft 3D建立了江-河-水閘大范圍水深平均數學模型，研究三汊河河口閘左右閘孔過流嚴重不均的問題，發現導致過閘水流不均的主要因素是河勢及河道深泓位置，并提出設置導流墻可以改善過閘水流不均，該模型取得了較好的模擬效果。

綜合來看，前人利用Delft 3D數值模擬方法對河道水動力展開研究已獲得滿足要求的成果，但前人的研究大都是在河口閘兩側閘孔全部開啟或關閉工況下開展的，對于河口閘單孔開啟工況下的水動力特性，還未獲得滿足要求的成果。本文在前人基礎上，運用Delft 3D建立數值模型的方法，對三汊河河口閘單孔開啟工況下的河道水動力情況進行計算。

1 工程概況

三汊河河口閘位于南京市外秦淮河入江口，上游距下關大橋約300 m，下游距三汊河口約150 m。三汊河河口閘是秦淮河環境整治工程的重要組成部分，其主要功能是非汛期關閘蓄水，抬高外秦淮河水位，同時形成親水景觀，改善城市水環境和城市形象;汛期來臨時則開閘放水，不影響外秦淮河行洪。

河口閘縱向軸線順水流方向布置，工程范圍內軸線長179 m。閘室采用整體式大跨度鋼筋混凝土塢式結構，順水流方向長37 m，垂直水流方向長97 m。閘室共兩孔，單孔凈寬40.0 m，中閘墩寬4.0 m，邊閘墩寬4.5 m，單孔總寬度48.5 m。閘底板高程1.0 m（吳淞基面，下同），閘底板厚2.5 m，閘墩頂高程7.5 m。考慮到與上下游河道平順連接和水流流態，閘上、閘下分別設漸變段。上游漸變段長50 m，包括長度為20 m的鋼筋混凝土護坦和長度為30 m的素混凝土護底，兩側為混凝土預制塊護坡和生態混凝土護坡;下游漸變段長92 m，包括長度為20 m的鋼筋混凝土消力池、長度為60 m的混凝土護底和長度為12 m的拋石防沖槽，兩側為混凝土方格護坡和生態混凝土護坡（見圖1）。

三汊河河口閘非汛期正常過水流量為30 m3/s，行洪流量為80 m3/s（關閘蓄水狀態）;汛期閘門開啟，行洪流量為600 m3/s。工程自2005年建成運用以來，總體運行情況良好，在提升外秦淮河的水環境狀況方面發揮了重要作用，已成為南京市標志性水利工程。

2 數值模型的建立

為研究河口閘單孔開啟的流場流態，現建立大范圍水深平均數學模型，包括外秦淮河部分河段，以全面反映外秦淮河水動力條件的不同組合對樞紐河段流動特性的影響。

式中：u，v，ω分別為ξ，η，σ方向上的流速;Gξξ、Gηη為坐標變換拉梅系數;ζ為相對于模型參照平面的水深，下同。

通過連續方程可以計算垂向流速w：

式中：H為總水深，下同。

（2） 動量方程。

ξ和η方向的動量方程分別為

式中：ρ為水體密度，除了斜壓項，其他處忽略密度的變化;Pξ，Pη分別為ξ，η方向上的靜水壓力梯度;Fξ，Fη分別為ξ，η方向上紊動動量通量;vV為垂向渦動黏性系數;fu，fv為柯氏力系數;Mξ，Mη分別為ξ，η方向上動量的源匯項。

（3） 邊界條件。

初始條件：

邊界條件：

出、入流開邊界上，給定水位、流速或流量過程。固壁邊界采用無滑移邊界條件。

時步長和空間步長滿足穩定性條件：

2.2 計算區域的選取和數值模型的建立

為充分考慮長江水位流量對河口閘過流特性的影響，大范圍水深平均模型計算區域包括外秦淮河、河口閘工程及長江，并考慮長江中潛洲、江心洲所在位置對邊界選取的影響[9]。最終確定長江上游邊界取為河口上游約1 100 m處，長江下游邊界為河口下游900 m處，外秦淮河上游邊界根據實測地形資料的范圍確定為河口閘軸線以上約820 m處。水深平均模型計算區域及模型網格劃分如圖2所示。

其中，長江上游邊界使用流量邊界條件，長江下游邊界使用水位邊界條件，外秦淮河上游邊界使用流量邊界條件。

依據河口閘已有研究成果的綜合分析，針對河口閘可能的單孔開啟運行模式，最終擬定研究工況組合如表1所列。其中組合模式1為河口閘可能運行的最不利工況組合，組合模式2為組合模式1的補充。

由圖3可見，河口閘數值模擬結果與河工模型試驗結果基本吻合。最大絕對誤差僅約 0.1 m/s，出現在距上游 450 m 斷面的近左岸。驗證結果說明該模型的模擬結果基本可靠，可用于后期的研究和分析。

2.4 泥沙起動流速研究

目前對于泥沙沖淤的研究，多采用泥沙拖拽力和起動流速作為標準。鑒于流速場和剪力場之間存在著一定的關系，更多學者為方便使用，相對泥沙起動拖拽力而言，更熱衷于推求起動流速[10]。

本文將泥沙起動流速作為泥沙沖淤的判別標準，若河道底面流速大于泥沙起動流速，則判定為該位置河道沖刷。

目前就天然均勻沙起動公式來看，起動流速公式在形式上差別不大，一般與粒徑的1/3指數方、水深的1/6指數方成正比，但其他系數取值離散度較大[11]。

對于細顆粒泥沙的起動流速，中國學者展開了卓越的研究，其中竇國仁公式[12]、張瑞瑾公式[13]、唐存本公式[14]、沙玉清公式[15]等都有很大的影響。

對眾多公式進行比較后，從實驗驗證和工程應用兩方面考慮，本文采用唐存本公式：

式中：m=4.7（hd）0.06，γs為泥沙容重，γ為水流容重，δ為淤積物的干容重，δ0為淤積物穩定干容重，h為水深，d為泥沙粒徑。本文

取γs=2.65 g/cm，γ=1.00 g/cm，c=2.9 ×10-4 g/cm，ρ=1.02×10-3 g·s/cm3，取穩定容重情況δ=δ0。

采用研究段的流速變化對河口處的河床穩定性進行分析。通過模型計算得出觀測點的流速及水深情況，推導出對應的泥沙起動粒徑，進而分析研究段泥沙的起動概率及變化范圍。

根據資料，秦淮河河段泥沙平均粒徑為0.18 mm[1]。河段的起動流速擬選用這一特征粒徑進行計算。

兩種組合模式下計算范圍內河道水深及泥沙起動流速如表2所列。

3 預設水位流量下河口閘水流流態的計算

為直觀比較每種組合模式下不同工況水流流態差異，現將每種組合模式分為3種工況，選取典型斷面對斷面上流速分布進行分析比較。為了獲得河道底面流速，建立了局部三維數據模型，對河口閘附近河道沖淤狀況進行了分析。

3.1 3種工況下流速分布對比

為了對比分析，將組合模式1細分為工況1、工況2和工況3;將組合模式2細分為工況4、工況5和工況6，各個工況詳細信息如表3所列。

為直觀比較不同工況下外秦淮河水流流速分布，現選取多個典型斷面，對斷面流速橫向分布進行分析。選取斷面為：閘上游200 m、閘上游100 m、三汊河河口閘軸線處、閘下游80 m、閘下游100 m、河口處（閘下游約150 m）。

組合模式1各個典型斷面橫向流速分布曲線如圖4所示，

組合模式2各個典型斷面橫向流速分布曲線如圖5所示。

通過兩種組合模式下的斷面流速分布，可以得到如下規律性認識：

單孔開啟對流速分布的影響主要出現在閘上100 m斷面至閘下150 m斷面范圍內，在閘軸線斷面處流速差異達到最大，越遠離閘軸線流速分布差異越小。

3.2 研究范圍內河道沖淤

前文所作分析皆基于大范圍水深平均模型，其優勢在于可以分析較大范圍內水流流態變化情況，但對于流速分析，不能提供充足數據。為提取沖淤分析所需的河道底面流速，也為了分析河道過水面積變化與流速分布的關系，需要重新選取計算區域，建立局部三維模型。

三汊河河口閘三維建模計算范圍的選取，既要能夠體現河口閘上下游流態又要保證水流順直。根據流速分布曲線，3種工況差異大約出現在河口閘上游200 m位置，三維建模上游邊界取到閘上游約300 m處;同時考慮到三維模擬主要關注閘孔開閉對閘下游附近區域的影響，當下游匯入長江后，長江流量大，影響因素多，邊界不易確定，因此下游取到外秦淮河河口附近區域。這個范圍既包含了重點關注的區域，又方便了邊界條件的確定。局部三維水動力模型計算區域及網格劃分如圖6所示。

采用正交曲線網格對計算區域進行網格剖分，對河口閘樞紐局部進行了網格加密，垂向上沿水深均勻分為10層，其中垂向網格以閘下游100 m處斷面為例。網格尺寸在 3～35 m之間，垂向模型網格見圖7。

由圖8（a）～（b）可以看出：工況2，3條件下（外秦淮河下游邊界水位3.5 m，上游來流量60 m3/s），計算范圍內閘上游250 m到閘墩范圍內流速普遍大于0.57 m/s，高于河道泥沙起動流速0.53 m/s，河道會發生沖刷;閘軸線到河口范圍內水流流速小于0.38 m/s，小于起動流速0.47 m/s，不會發生沖刷。

由圖8（c）～（d）可以看出，工況5、工況6條件下（秦淮河下游邊界水位4.5 m，上游來流量60 m3/s），計算范圍內閘上游250 m到閘墩范圍內流速普遍小于0.48 m/s，低于河道泥沙的起動流速0.53 m/s，河道不會發生沖刷，僅在閘上游200 m附近區域流速大于泥沙起動流速，會發生沖刷;閘軸線到河口范圍內水流流速小于0.24 m/s，小于起動流速0.53 m/s，不會發生沖刷。

3.3 研究范圍內流速變化原因分析

本節從過水面積變化的角度簡要分析研究范圍內流速大小變化的原因。

圖9為研究范圍內典型斷面處過水面積示意圖（以工況1為例）。

從圖9可以看出：在閘上200 m處，河道斷面基本呈“V”形，過水面積較小，因此流速較大。在閘上200 m到閘軸線范圍內，河道斷面形狀逐漸變為“U”形，過水面積增大，流速略有減小。在閘墩附近，單孔開啟工況下，過水斷面的寬度達到最小，流速也較大。在河口閘下游，由于河道加寬，流速逐漸減小。而到了河口處，由于河道底面高程抬高，過水面積急劇減小，流速再次增大。故在河口閘下游流速呈現先減小后增大的趨勢，防沖槽處的流速較小。

4 結 論

本文構建了三汊河河口閘大范圍水深平均模型和局部三維模型，對河口閘各種預設單孔開啟模式進行了水動力計算，分析了各種工況下的水流流速特征，確定了閘孔不同運行模式對流速分布的影響范圍。并通過將河道床面流速與計算所得泥沙起動流速進行比較，對單孔開啟模式下的河床沖淤情況進行了分析，得到了以下結論。

（1） 單孔開啟對流速分布的影響出現在河口閘上游100 m處至河口閘下游150 m處，越靠近閘軸線斷面影響越大，并在閘軸線斷面處達到最大，越遠離閘軸線斷面影響越小。

（2） 組合模式1工況下，河口閘上游段河道發生沖刷;組合模式2工況下，河口閘上游200 m處斷面發生沖刷。其余河道位置河道床面流速小于泥沙起動流速，不會發生沖刷。

（3） 通過典型斷面過水面積與計算區域內河道流速變化對比，刻畫了計算區域內河道過水面積與流速的關系，對河道流速變化的原因進行了分析，認為河道過水面積的變化是導致流速變化的原因。

參考文獻：

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[15] 沙玉清.泥沙運動學引論[M].北京：中國工業出版社，1965.

（編輯：胡旭東）

引用本文：

謝昕卓，陳偉，楊明強，等.南京市三汊河河口閘單孔開啟水流流態模擬研究

[J].人民長江，2021，52（7）：153-159，167.

Simulation on flow pattern of Sanchahe estuary sluice under single hole opening in Nanjing City

XIE Xinzhuo1，CHEN Wei2，YANG Mingqiang2，WANG Lu2，YANG Feifei2，CAI Xin1

（1.Collage of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 211100，China; 2.Nanjing Sanchahe River Gate Management Office，Nanjing 210036，China）

Abstract：

In order to simulate the flow pattern near the Sanchahe estuary sluice in Nanjing City and explore the feasibility of opening a single hole of the sluice，Delft 3D software was used to establish a large-scale water depth average model and a local three-dimensional mathematical model.Then the flow pattern near the Sanchahe estuary sluice was numerically simulated，the flow pattern under the most unfavorable water level condition was studied，and the influence range of different operation modes of the sluice on the velocity distribution was determined.Furthermore，by comparing the flow velocity at the bottom of the river with the sediment incipient velocity in the study area，the distribution of the deposition-erosion range of the river near the estuary gate was obtained.The research results can provide a basis for the study of single hole opening of the estuary sluice.

Key words：

operation mode of sluice;flow pattern;velocity distribution;Delft 3D model;river deposition-erosion;Sanchahe estuary gate