馬甸樞紐船閘引航道口門區水流特性數值分析

趙泱軍，蘇葉平，丁 浩，2，王振華，楊天立，楊 帆

（1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇揚州 225127；2.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州 225009）

0 引 言

船閘引航道口門區位于河流動水與引航道靜水的交界處，上游口門特征為河道斷面由寬變窄，下游口門特征為河道斷面由窄變寬，易形成斜流，其水流條件是船舶、船隊安全暢通過擋水建筑物滿足航運發展的關鍵。目前，諸多學者對引航道口門區開展了不少的研究工作，主要研究手段為物理模型試驗和數值模擬。如：顏志慶等［1］通過物理模型試驗分析了犬木塘樞紐壩址門口區的水流特征，明確了通過上游航線的調整、隔流墻及菱形墩的布置等技術措施，可顯著減小口門區縱橫向流速和回流流速，有效改善通航水流條件；李壽千等［2］采用物理模型與數值模擬相結合的方法，研究了江蘇省界牌水利樞紐水動力條件及存在問題，并在此基礎上提出了感潮河段支流口門樞紐布置方法研究；余凱等［3］通過模型試驗研究了贛江井岡山航電樞紐船閘下游口門區及連接段通航水流條件，提出了縮短隔流墻并增設透水段的技術方案，能較好地解決口門區橫向流速、回流較大等問題。王建平等［4］提出了將工程措施前置上移，構建口門緩流區并輔以局部工程措施的技術方案以改善彎曲河道船閘口門區水流條件較差、難以滿足船舶安全通行要求的技術難題；葉玉康等［5］以大源渡航電樞紐二線船閘口門區通航水流條件模型試驗和船模航行試驗為基礎，研究了彎曲河段口門區船舶航行的特點，并給出了改善口門區水流條件的技術方案。王彪等［6］通過京南水利樞紐二線船閘整體水工模型試驗，分析了彎曲收縮河段多線船閘口門區及連接段的水流流態并提出了改善措施。祁永升等［7］基于定床正態河工物理模型對多種開閘泄流方式及導流墩布置數量、間距、角度等進行了優化試驗，提出了常規開閘和邊孔補流的泄流方式。蔡創等［8］在湘江近尾洲水工模型上進行小尺度船模試驗研究，分析了上下游航道的船舶航行情況，確定了船閘的最佳布置方式。蔣孜偉等［9］通過數值模擬技術分析了景洪樞紐下游引航道的流速分布情況。Gucma 等［10］提出了一種系統化優化引航道參數的方法，用于安全水深下航道寬度的計算，并應用于兩個工程實例。Yang等［11］利用口門區外局部典型時刻平面流場的變化、回流區的大小、出口通道的橫向流速和縱向流速，對不同方案的通航水流條件進行了分析和比較。結果表明，擋潮閘建成后，導墻外主流水流的大小和方向基本不變，出港水流流態與是否建造潮汐閘門無關，建造閘門的影響主要在導墻頂部的水域內。Jeremy 等［12］結合英格蘭東部斯托爾/奧威爾河口，闡述了加深引航道對水流條件的改善作用。Wang 等［13］通過物理模型試驗和遙控航船模型相結合，研究了它們在各種流速下航行的流動條件，并通過下游導流區的拆除、側灘的疏浚、通航墻布置的改變，提出了滿足通航要求的最優方案。

船閘口門區通航水流條件中橫向流速指標是衡量船舶能否安全進出引航道口門區的主要標準之一，為明確馬甸樞紐船閘口門區的水流條件是否滿足《船閘總體設計規范（JTJ305-2001）》的要求，本文采用二維數學模型模擬計算馬甸樞紐船閘不同運行工況下的上、下游引航道口門區水流條件，并根據計算結果提出相應的措施和運行調度方案，對確保船舶安全快速過閘提供了一定參考。

1 工程概況

泰興市馬甸水利樞紐位于泰興市濱江鎮馬甸社區古馬干河上，距古馬干河入江口約5.2 km，是通南三泰排水區重要的引排口門。馬甸水利樞紐由1 座泵站、1 座船閘和1 座節制閘組成，如圖1所示。船閘下、下閘首均采用鋼筋混凝土整體塢式結構，閘室采用整體塢式結構，船閘的下閘首為兼有擋洪作用，為2 級水工建筑物，上閘首及閘室不直接關系到防洪作用，為3 級水工建筑物。工作閘門采用鋼質三角門，液壓直推式啟閉機啟閉，廊道閥門為鋼質平板門，液壓啟閉機啟閉。

圖1 馬甸水利樞紐的平面布置圖Fig.1 Plane layout of Madian hydro-junction

考慮到工程完工后，泵站引水、節制閘排澇或引水時可能對船閘引航道及口門區通航水流條件產生影響，因此，本項目采用二維數學模型模擬計算不同運行工況下的上、下游引航道口門區水流條件，并根據計算結果提出有利于船舶安全停泊和航行的措施和運行調度方案。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型及網格

針對馬甸水利樞紐的布置特點，充分考慮泵站及節制閘運行對船閘引航道口門區的影響，建立了馬甸船閘引航道口門區水流條件計算模型，計算范圍為馬甸水利樞紐上、下游河道共2.2 km 的區域，如圖2 所示。計算網格采用能適應復雜邊界水體流動的非結構化網格，在樞紐局部區域進行網格加密，近固面邊界區域因分子黏性較大，雷諾數較低，為避免在壁面處加密網格，對固體邊界采用滑移邊界條件處理，邊界區域的網格均為三角形網格，單元邊長取0.5～1.5 m，上游引航道計算模型網格單元數量為11.3 萬個，下游引航道計算網格單元數量為10.7 萬個。

圖2 馬甸樞紐引航道計算模型網格圖Fig.2 Grid diagram of approach channel calculation model of Madian hub

2.2 計算方法與參數

SMS（Surface grater Modeling System）水動力學軟件是美國Brigham 大學環境模型研究實驗室（EMRL）和美國陸軍水道實驗站（USACE-WES）開發的，該軟件能很好地模擬和分析地表水的運動規律［14-16］，馬甸水利樞紐引航道口門區的水流模擬采用SMS 軟件中的RMA2 模塊，該模塊主要用于沿水深平均的二維水動力計算，在平面二維水動力數值模擬中控制方程是將三維流動基本方程沿水深積分后平均而得，模型利用流體動力學有限單元法計算基本方程的數值解，其求解過程分為3部分：將控制方程分別在時間和空間上進行離散，其中時間離散采用差分法，空間離散采用有限單元法；通過伽遼金加權余量法把控制方程從偏微分方程組轉變成代數方程組；根據給定的初始條件和邊界條件求解代數方程組，得到方程組的數值解。

為解決傳統干濕法水量平衡和計算精度的問題，借鑒文獻［17］中動邊界的處理方法，陸地采用干濕法做動邊界處理，當水深減小至小于0.1 m 時定義為干邊界，作陸域處理，當水深增大至0.3 m 時定義為水域，在0.1～0.3 m 間區域定義為灘地。上游引航道口門區水流條件計算時，模型上游采用水位邊界，節制閘和泵站采用流量邊界；下游引航道口門水流條件計算時，模型下游采用水位邊界，節制閘和泵站采用流量邊界，計算區域的主河道糙率采用0.022 5～0.025，灘地糙率為0.035～0.035，引航道局部小范圍的糙率采用0.022 5，計算時間步長采用0.001 h。數值計算中不考慮船閘自身的運行情況，僅計算不同引水或排澇運行校核工況時節制閘和泵站對引航道口門區水流條件的影響，計算工況計算如表1 所示，其中：節制閘排澇校核工況時上游為汛期排澇水位，下游為長江多年平均最低潮位；節制閘引水校核工況時上游為灌溉期正常水位，下游為長江多年平均高潮位；泵站引水工況時上游為最低通航水位，下游為泵站運行最低水位。

表1 不同工況計算參數表Tab.1 Calculation parameter table for different working conditions

3 上游引航道口門區計算結果及分析

3.1 節制閘運行工況

為了分析節制閘排澇或引水校核工況時引航道口門區的流速分布，在航道口門區4 個橫斷面布置了20 個測點，測點編號為UK1～UK20，如圖3（a）所示。在工況1 節制閘排澇校核工況時，上游引航道口門的各測點速度如圖3（b）所示，圖3（b）、3（c）中v為合速度，vz為縱向流速，vt為橫向流速，各測點最大縱為0.343 m/s、最大橫向流速為0.154 m/s，均滿足《船閘總體設計規范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區流速的要求。在工況2 節制閘引水校核工況時，上游引航道口門的各測點速度如圖3（c）所示，節制閘引水流量較大、且上游河道水位1.70 m 相對較低，口門區測點UK1、UK6、UK11、UK16 的橫向流速較大，分別為0.335、0.425、0.412 和0.365 m/s，均超過了《船閘總體設計規范（JTJ305-2001）》規定的Ⅴ級航道船閘引航道口門區橫向流速上限值。工況1 和工況2 時上游引航道口門區速度等值線如圖4所示，上游引航道口門流態較好，未見大范圍的回流區，設計航寬范圍內主流基本沿航線方向。

圖3 上游引航道口門區各測點布置及速度分布（節制閘運行）Fig.3 Layout and velocity distribution of each measuring point in the entrance area of upstream approach channel（control gate operation）

圖4 上游引航道口門區速度等值線圖（節制閘運行，單位：m/s）Fig.4 Velocity contour map of upstream approach channel entrance area（control gate operation）

在工況1 時，各特征斷面的縱向流速和橫向流速均由隔島向河道右岸呈現逐漸減小的趨勢，未出現回流現象；在工況2時，各斷面的縱向流速均又隔島向河道右岸呈逐漸減小的趨勢，橫向流速的分布成相反趨勢，橫向流速呈與主流方向相反，但未形成大尺寸范圍的回流。

3.2 泵站運行工況

馬甸樞紐中泵站緊鄰船閘的右岸布置，且船閘引航道在泵站一側為開敞式，無隔流措施，在泵站運行時易對船閘引航道口門區產生影響，為分析泵站運行時船閘引航道口門區流態及流速，結合設計航線，在上游引航道口門區設置3 個監測斷面，每個斷面布置5個監測點，共15個監測點，各監測點布置如圖5（a）所示。在節制閘不引水、泵站引水流量60 m3/s時，各監測點的速度如圖5（b）所示，圖5（b）中v為合速度，vz為縱向流速，vt為橫向流速。口門區各測點最大縱向流速為0.289 m/s，最大橫向流速為0.03 m/s，均滿足《船閘總體設計規范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區流速的要求。由圖6 可知，上游引航道靠近泵站側的隔水墻下游存在部分斜向水流，隔水墻距離越大的區域縱向流速增大，但橫向流速逐漸減小。

圖5 上游引航道口門區各測點布置及速度分布（泵站運行）Fig.5 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of upstream approach channel（pump station operation）

圖6 上游引航道口門區速度等值線圖（泵站運行，單位：m/s）Fig.6 Velocity contour map of upstream approach channel entrance area（pumping station operation）

4 下游引航道口門區計算結果及分析

4.1 節制閘運行工況

節制閘排澇或引水運行時，水流同樣會對下游引航道口門區產生影響，若口門區橫向流速過大，也會對過閘船舶航行安全產生影響，為明確下游引航道口門區的速度分布特征，在下游口門區的4 個橫斷面共布置了20 個測點，每個橫斷面設置5個監測點如圖7（a）所示。節制閘各工況運行時，下游引航道口門的速度分布如圖7（b）和圖7（c）所示，圖中v為合速度，vz為縱向流速，vt為橫向流速。在工況1 節制閘排澇校核工況時，下游水位為1.10 m，口門區測點11 和測點16 的橫向流速分別為0.286 和0.352 m/s，均超過《船閘總體設計規范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區橫向流速上限值0.25 m/s的要求。工況2 節制閘引水校核工況時，口門區內各測點的流速不大，最大縱向流速為0.286 m/s，最大橫向流速為0.13 m/s，均滿足《船閘總體設計規范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區流速的要求。兩個工況的下游引航道口門區的速度等值線如圖8 所示，工況1 時，各特征斷面的縱向流速和橫向流速分布均未呈現相同的分布規律；工況2時，各特征斷面的主要測點的縱向流速和橫向流速分布均呈相同的分布規律，由隔島側向左岸側速度逐漸減小，節制閘排澇校核工況和引水校核工況時下游引航道口門區均未見明顯回流。

圖7 下游引航道口門區各測點布置及速度分布（節制閘運行）Fig.7 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of downstream approach channel（control gate operation）

4.2 泵站運行工況

在下游引航道口門區設置4 個監測斷面，每個斷面布置5個監測點，共35個監測點，如圖9（a）所示，因泵站與船閘位于同側布置，各監測點位置相比節制閘運行時位置有所前移。在工況3泵站引水時，泵站引水流量為60 m3/s，下游河道水位為最低通航水位0 m，口門區各測點的速度分布如圖8（b）所示。口門區各測點最大縱向流速為0.336 m/s，最大橫向流速為0.086 m/s，均滿足《船閘總體設計規范（JTJ305-2001）》對Ⅴ級航道的船閘引航道口門區流速的要求。工況3 時，下游引航道口門區流態較好，未見明顯回流區，設計航寬范圍內主流基本沿航線方向，如圖10所示。

圖8 下游引航道口門區速度等值線圖（節制閘運行，單位：m/s）Fig.8 Velocity contour map of downstream approach channel entrance area（control gate operation）

圖9 下游引航道口門區各測點布置及速度分布（泵站運行）Fig.9 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of downstream approach channel（pumping station operation）

圖10 下游引航道口門區各測點布置及速度分布（泵站運行，單位：m/s）Fig.10 Layout and velocity distribution of each measuring point in the entrance area of downstream approach channel（pumping station operation）

5 結 論

馬甸樞紐工程主要建筑物有節制閘、船閘和引水泵站，針對工程完工后，泵站引水、節制閘排澇或引水時可能對船閘引航道口門區通航水流條件產生影響，數值分析了3 種不同運行工況時上、下游引航道口門區水流條件，對確保船舶安全快速過閘有著十分重要的意義，主要結論如下。

（1）在馬甸樞紐工程中，節制閘排澇校核工況時，船閘上引航道口門區水流條件均較好，但在節制閘引水校核工況時，上游引航道口門區局部范圍橫向流速不滿足要求。在節制閘引水校核工況和泵站引水工況時，船閘下游引航道的口門區水流條件較好，但在節制閘排澇校核工況時，下游河道水位較低，口門區局部范圍橫向流速較大，不滿足規范要求。

（2）在泵站引水工況時，船閘上、下游引航道靠近泵站側的隔水墻末端附近均存在部分斜向水流，建議在上、下游引航道隔水墻末端增加弧立式隔流設施，以便馬甸樞紐船閘更好地運行。