航道整治河段流動特性的三維數值模擬分析

陳躍宏

摘 要：在應用于航道整治活動中的各種建筑物里，丁壩屬于非常常見的一類。丁壩的結構有利于約束和引導外來的水流，將水源約束在丁壩的河道里，而且能夠保護岸堤，減輕水源對環境的破壞程度。另外，丁壩的壩體附近存在很多比較復雜的水流現象，因此探究航道整治河段的水流特性是很有必要的，也能夠為與航道整治相關的建筑物的構造設計提供思路。本文以丁壩為主要研究對象，首先分析了丁壩近場可能存在的不同水流現象，并概述三維數值分析所需要應用的相關計算模型，然后通過建立模型同時結合實例驗證模型最后對計算結果進行分析，探究壩體計算區域的水流特性。

關鍵詞：數值模擬;丁壩;流動特性;航道整治

中圖分類號：U617 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0106-04

1引言

在航道整治活動中，丁壩建筑物的應用是各種建筑物中比較普遍的一種。丁壩能夠起到很好的束水歸槽的作用，不僅能夠減少堤岸損毀情況的發生，還可以有效地保證整治河段區域形態的穩定性。丁壩按照壩體的平面設計結構來劃分，可以被分為很多類別，比如“丁”字型、直線以及曲線型等等。除了按照平面形狀來劃分，丁壩還可以按照構筑材料、水位高度以及壩體軸線與水體流向的關系等劃分為很多類型。構建丁壩容易導致丁壩附近的各個水源線路匯集，進而會影響并改變其近場水流流動的結構，最終結果是造成泥沙的淤積問題。構建丁壩會改變水流的壓力以及流速場，是水流的流動表現出明顯的三維特征，丁壩壩體的頭部和尾部形成不同的水流現象，這是水流的紊流。

2數值計算模型

2.1控制方程

式（1）為水流的連續方程，式（2）-（4）為N-S方程，其中ui是平均速度，Ai和VF分別為流體的面積以及體積分數，Gi和fi分別是體積力和黏性力，壓力是P，應變力張量和總動力黏性分別是Si、μtot、τij、τw，I分別為流體以及壁面剪應力。

2.2 泥沙輸運方程

式（5）的輸沙率公式是基于希爾茲數的泥沙運輸模型而進行構建的，主要考慮河道計算區域內推移質泥沙的運動，對于河道計算區域內懸移質泥沙的運動影響則忽略不計。

式中，ρs 代表泥沙的密度，qb以及ub分別是推移質輸沙率和運輸的平均速度，d、p分別是泥沙顆粒的平均半徑以及起動的概率。

3模型實例驗證

3.1 壩體三維數值模型

某整治河段的流域長度大約為1290米，在還沒有開展河段整治活動時，該區域河段的平面形狀彎曲部分的曲率并不高，整體形狀順直。但是，該河段的河底部位并不順平，存在各種比較大的凸起和凹坑。另外，通過該河段的水流流量在其計劃的水位之下是比較小的，整個區域水位深度平均為1.9米，流量大約為每秒鐘369立方米，河段流域的寬度平均為198米，從結構上來劃分該河段為淺寬式。離河段入口斷面790米的地方，存在淤積的泥沙在河底堆積，產生了逆坡。再往后的河底處存在深譚，該區域河段存在的最大寬度為390米。想要整治并解決該河段存在的問題，使其整治后河段的設計標準達到4級，需要在河段開展實施活動去提高河流航道的深度，然后構筑順壩，順壩位置要選在河底深潭處河段斷面寬度最大的地方的左側岸堤，以便于對外來水流的約束引導。如圖1所示為整治河段的設計水位下水面曲線以及河底高程圖。

3.2 計算區域和網格劃分

以整治河段區域的施工設計和河段的地形構造為依據，對整治河段區域的形狀進行構設。整治河段區域按93*20*19對河段設計水位流場的計算網格進行劃分。如圖2所示，分別為入流斷面的網格劃分具體示意圖以及計算區域水面的網格劃分示意圖。

3.3 河段計算區域的邊界條件

整治河段計算區域的邊界條件：對稱條件由該區域的自由水面上來給定;整治河段計算區域的出口位置是出流邊界，出口斷面給定水流的流量，計算區域要在邊界流速無規律分布時合理的進行調整增大，要達到紊流水流的邊界要求;航道河段的入流邊界是計算區域的入口位置，航道河段在入流斷口的水流流速的給定是均勻的，入口斷面的面積除入口流量得到的結果值就是入口斷面的流速;無滑移條件下的固定壁面由計算河段區域的邊壁和河底給定。

4計算結果及其分析

整治河道構建丁壩會對該整治河道先前的河床面和水位狀況造成影響。首先丁壩的存在會阻擋原先水流的流動，進而會造成該河段水位的升高，而且河段的水位高度不會在變化后就快速保持穩定。另外，由于構建丁壩后整治河段的流水斷面面積會變小進而導致增大水流速度，處于河底的切應力變大，泥沙會隨著水源流動最終使該河段的水位下降保持穩定。如圖3為計算區域表面的流速矢量圖。

在設計的河段水位下方水流的流量很大但是深度比較小，每秒2.015米是位于入口斷面處的水流的平均流動速度，整治河段所處位置的地形環境會對流場造成影響。除了小部分地形構成比較復雜的河段區域水流流速不具有規律性，河段水流的運動速度在整體上呈現出拋物線形的流速規律。在x=740米處的河段位置，岸堤附近的水流存在部分回流，河底則呈現出均勻規律性的水流流速，而且水流的運動速度比較大。而在x=1350米處的河段位置，河段的寬度變大且在河流底部有深譚存在，這個位置的河段岸堤也存在水流的回流現象，但是相對比來說左側岸堤附近的水流回流現象比右側岸堤的回流現象要明顯，回流現象存在的區域范圍更大。該整治河段區域在x=950米后存在長度約為1250米的順壩和挖槽，這個河段范圍內的水流運動相對穩定，河段整體的形狀也比較直順。

如圖4所示的河流航道區域，河流臨近底部的坡度變化比較快，而且由于水流受到慣性以及重力的影響，在這些因素的共同作用下水流出現了回流現象，河段岸堤附近的區域有水流橫向運動的現象出現。如圖5所示在x=971.6m的整治河段區域橫斷面處，河底的坡度變化比較小，在河段的岸堤附近地形的走勢也比較穩定。在這個河段區域的河道寬度是比較大的，存在水流隨著岸堤的坡度向上運動的現象，而且部分水流會同時進行橫向運動。

如圖6所示x=1239.7m的整治河段區域橫斷面處，該河段的位置處于壩體的末端，而且該河段在臨近河底位置的坡度變化比較小，河段左側岸堤的河灘地勢形態是影響該區域水流運動的主要因素。在右側的岸堤附近，水流的運動速度比較均勻且河段的過水面寬度漸漸增大，而左側岸堤附近的水流運動速度則存在變化，流場比較復雜且水流的運動速度加快。如圖7所示在x=1323.4m處的整治河段區域橫斷面，該河段位于河底深潭的中心區域，這個區域的地勢形態存在較多的變化，水流具有非常顯著的三維特性。在靠近深潭的上游區域，河底的坡度變化非常劇烈，垂直方向的水流運動速度加快并往底部運動。該河段處的左側岸堤寬度較大，下方運動的水流擠壓處于回流區域內的水流并導致被擠壓的水流往上運動，該河段區域存在比較明顯的回流現象。

在x=1400米向后的河段區域，地勢形態比較穩定且河流底部的坡度變化水平比較低，水流的運動狀態比較穩定。水流的運動整體呈現主流運動速度快而岸堤兩邊的運動速度比較慢的流動規律。

5 結論

在河流整治區域內，水流運動的結構具有穩定性，而且河道會因為泥沙的淤積以及水流運動過程中的沖擊而改變其河流走勢形態。各種整治河流狀況的建筑物的構筑能夠造成河流航道發生快速且程度很大的變化。而且處于建筑物附近的水流會和邊界分離，進而會在整治建筑物的近場形成很多復雜的水流運動現象，打破先前水流運動結構的穩定性。而且形成的這些水流運動現象會對構建的壩體和河流航道的形態造成反面的影響。本文依據k～ε紊流模型以及泥沙的運動模型，同時結合控制方程構建計算模型。然后選取實例進行水流特性的三維數值模擬并分析計算結果，進而通過對計算結果的分析得到了不同整治航道不同河段的水流運動特性，為日后的航道整治活動研究提供了參考。

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