马甸枢纽船闸引航道口门区水流特性数值分析

赵泱军, 苏叶平, 丁浩, 王振华, 杨天立, 杨帆

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (5) : 18-23.
水环境与水生态

马甸枢纽船闸引航道口门区水流特性数值分析

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Numerical Analysis of the Water Flow Characteristics of the Port Gate Area of the Madian Hub Locks

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摘要

为明确马甸水利枢纽建成后节制闸、引水泵站运行对船闸引航道口门区通航水流条件的影响情况，采用SMS（Surface grater Modeling System）水动力学软件对3种不同运行工况时船闸上、下游引航道的口门区流场特征进行数值分析。结果表明：在马甸枢纽工程中，节制闸排涝校核工况时，船闸上引航道口门区水流条件均较好，下游引航道口门区局部范围存在横向流速较大的情况；在节制闸引水校核工况时，上游引航道口门区局部范围横向流速不满足要求，船闸下游引航道的口门区水流条件较好。在泵站引水工况时，船闸上、下游引航道靠近泵站侧的隔水墙末端附近均存在部分斜向水流，建议在上、下游引航道隔水墙末端增加弧立式隔流设施。所得结论为马甸枢纽工程运行提供了一定的参考。

Abstract

In order to clarify the influence of the operation of the sluice gate and the diversion pump station on the navigation flow conditions in the entrance area of the ship lock approach channel after the completion of the Madian Water Control Project， the SMS（Surface grater Modeling System）hydrodynamic software was used to numerically analyze the flow field characteristics in the entrance area of the upstream and downstream approach channels of the ship lock under three different operating conditions. The results show that in the Madian hydro-junction project， the flow conditions in the upper approach channel entrance area of the lock are good under the check condition of the flood discharge of the lock， and there is a large lateral velocity in the local area of the downstream approach channel entrance area. In the check condition of lock diversion， the lateral velocity in the local area of the upstream approach channel entrance does not meet the requirements， and the flow condition in the downstream approach channel entrance is good. In the water diversion condition of the pump station， there are some oblique flow near the end of the water partition wall near the side of the pump station in the upstream and downstream approach channel of the lock. It is suggested to increase the arc vertical separation facilities at the end of the water partition wall of the upstream and downstream approach channel. The conclusions provide a certain reference for the operation of Madian hub project.

关键词

马甸枢纽 / 船闸 / 口门区 / 数值模拟 / 通航水流条件

Key words

Madian hub project / ship lock / entrance region / numerical simulation / flow condition

基金

国家自然科学基金项目(51609210)
江苏省高校自然科学研究重大项目(20KJA570001)
江苏省水利科技计划项目(2020029)

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赵泱军 , 苏叶平 , 丁浩 , 王振华 , 杨天立 , 杨帆. 马甸枢纽船闸引航道口门区水流特性数值分析[J].中国农村水利水电, 2022(5): 18-23
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0 引 言

船闸引航道口门区位于河流动水与引航道静水的交界处，上游口门特征为河道断面由宽变窄，下游口门特征为河道断面由窄变宽，易形成斜流，其水流条件是船舶、船队安全畅通过挡水建筑物满足航运发展的关键。目前，诸多学者对引航道口门区开展了不少的研究工作，主要研究手段为物理模型试验和数值模拟。如：颜志庆等［1］通过物理模型试验分析了犬木塘枢纽坝址门口区的水流特征，明确了通过上游航线的调整、隔流墙及菱形墩的布置等技术措施，可显著减小口门区纵横向流速和回流流速，有效改善通航水流条件；李寿千等［2］采用物理模型与数值模拟相结合的方法，研究了江苏省界牌水利枢纽水动力条件及存在问题，并在此基础上提出了感潮河段支流口门枢纽布置方法研究；余凯等［3］通过模型试验研究了赣江井冈山航电枢纽船闸下游口门区及连接段通航水流条件，提出了缩短隔流墙并增设透水段的技术方案，能较好地解决口门区横向流速、回流较大等问题。王建平等［4］提出了将工程措施前置上移，构建口门缓流区并辅以局部工程措施的技术方案以改善弯曲河道船闸口门区水流条件较差、难以满足船舶安全通行要求的技术难题；叶玉康等［5］以大源渡航电枢纽二线船闸口门区通航水流条件模型试验和船模航行试验为基础，研究了弯曲河段口门区船舶航行的特点，并给出了改善口门区水流条件的技术方案。王彪等［6］通过京南水利枢纽二线船闸整体水工模型试验，分析了弯曲收缩河段多线船闸口门区及连接段的水流流态并提出了改善措施。祁永升等［7］基于定床正态河工物理模型对多种开闸泄流方式及导流墩布置数量、间距、角度等进行了优化试验，提出了常规开闸和边孔补流的泄流方式。蔡创等［8］在湘江近尾洲水工模型上进行小尺度船模试验研究，分析了上下游航道的船舶航行情况，确定了船闸的最佳布置方式。蒋孜伟等［9］通过数值模拟技术分析了景洪枢纽下游引航道的流速分布情况。Gucma等［10］提出了一种系统化优化引航道参数的方法，用于安全水深下航道宽度的计算，并应用于两个工程实例。Yang等［11］利用口门区外局部典型时刻平面流场的变化、回流区的大小、出口通道的横向流速和纵向流速，对不同方案的通航水流条件进行了分析和比较。结果表明，挡潮闸建成后，导墙外主流水流的大小和方向基本不变，出港水流流态与是否建造潮汐闸门无关，建造闸门的影响主要在导墙顶部的水域内。Jeremy等［12］结合英格兰东部斯托尔/奥威尔河口，阐述了加深引航道对水流条件的改善作用。Wang等［13］通过物理模型试验和遥控航船模型相结合，研究了它们在各种流速下航行的流动条件，并通过下游导流区的拆除、侧滩的疏浚、通航墙布置的改变，提出了满足通航要求的最优方案。
船闸口门区通航水流条件中横向流速指标是衡量船舶能否安全进出引航道口门区的主要标准之一，为明确马甸枢纽船闸口门区的水流条件是否满足《船闸总体设计规范（JTJ305-2001）》的要求，本文采用二维数学模型模拟计算马甸枢纽船闸不同运行工况下的上、下游引航道口门区水流条件，并根据计算结果提出相应的措施和运行调度方案，对确保船舶安全快速过闸提供了一定参考。

1 工程概况

泰兴市马甸水利枢纽位于泰兴市滨江镇马甸社区古马干河上，距古马干河入江口约5.2 km，是通南三泰排水区重要的引排口门。马甸水利枢纽由1座泵站、1座船闸和1座节制闸组成，如图1所示。船闸下、下闸首均采用钢筋混凝土整体坞式结构，闸室采用整体坞式结构，船闸的下闸首为兼有挡洪作用，为2级水工建筑物，上闸首及闸室不直接关系到防洪作用，为3级水工建筑物。工作闸门采用钢质三角门，液压直推式启闭机启闭，廊道阀门为钢质平板门，液压启闭机启闭。
图1 马甸水利枢纽的平面布置图

Fig.1 Plane layout of Madian hydro-junction

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考虑到工程完工后，泵站引水、节制闸排涝或引水时可能对船闸引航道及口门区通航水流条件产生影响，因此，本项目采用二维数学模型模拟计算不同运行工况下的上、下游引航道口门区水流条件，并根据计算结果提出有利于船舶安全停泊和航行的措施和运行调度方案。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型及网格

针对马甸水利枢纽的布置特点，充分考虑泵站及节制闸运行对船闸引航道口门区的影响，建立了马甸船闸引航道口门区水流条件计算模型，计算范围为马甸水利枢纽上、下游河道共2.2 km的区域，如图2所示。计算网格采用能适应复杂边界水体流动的非结构化网格，在枢纽局部区域进行网格加密，近固面边界区域因分子黏性较大，雷诺数较低，为避免在壁面处加密网格，对固体边界采用滑移边界条件处理，边界区域的网格均为三角形网格，单元边长取0.5~1.5 m，上游引航道计算模型网格单元数量为11.3 万个，下游引航道计算网格单元数量为10.7 万个。
图2 马甸枢纽引航道计算模型网格图

Fig.2 Grid diagram of approach channel calculation model of Madian hub

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2.2 计算方法与参数

SMS（Surface grater Modeling System）水动力学软件是美国Brigham大学环境模型研究实验室（EMRL）和美国陆军水道实验站（USACE-WES）开发的，该软件能很好地模拟和分析地表水的运动规律［14-16］，马甸水利枢纽引航道口门区的水流模拟采用SMS软件中的RMA2模块，该模块主要用于沿水深平均的二维水动力计算，在平面二维水动力数值模拟中控制方程是将三维流动基本方程沿水深积分后平均而得，模型利用流体动力学有限单元法计算基本方程的数值解，其求解过程分为3部分：将控制方程分别在时间和空间上进行离散，其中时间离散采用差分法，空间离散采用有限单元法；通过伽辽金加权余量法把控制方程从偏微分方程组转变成代数方程组；根据给定的初始条件和边界条件求解代数方程组，得到方程组的数值解。
为解决传统干湿法水量平衡和计算精度的问题，借鉴文献［17］中动边界的处理方法，陆地采用干湿法做动边界处理，当水深减小至小于0.1 m时定义为干边界，作陆域处理，当水深增大至0.3 m时定义为水域，在0.1~0.3 m间区域定义为滩地。上游引航道口门区水流条件计算时，模型上游采用水位边界，节制闸和泵站采用流量边界；下游引航道口门水流条件计算时，模型下游采用水位边界，节制闸和泵站采用流量边界，计算区域的主河道糙率采用0.022 5~0.025，滩地糙率为0.035~0.035，引航道局部小范围的糙率采用0.022 5，计算时间步长采用0.001 h。数值计算中不考虑船闸自身的运行情况，仅计算不同引水或排涝运行校核工况时节制闸和泵站对引航道口门区水流条件的影响，计算工况计算如表1所示，其中：节制闸排涝校核工况时上游为汛期排涝水位，下游为长江多年平均最低潮位；节制闸引水校核工况时上游为灌溉期正常水位，下游为长江多年平均高潮位；泵站引水工况时上游为最低通航水位，下游为泵站运行最低水位。
表1 不同工况计算参数表

Tab.1 Calculation parameter table for different working conditions

工况 流量/（m3·s-1） 上游河道水位/m 游河道水位/m 备 注
1 270 3.59 1.10 节制闸排涝校核工况
2 270 1.70 3.88 节制闸引水校核工况
3 60 1.30 0 泵站引水工况

3 上游引航道口门区计算结果及分析

3.1 节制闸运行工况

为了分析节制闸排涝或引水校核工况时引航道口门区的流速分布，在航道口门区4个横断面布置了20个测点，测点编号为UK1~UK20，如图3（a）所示。在工况1节制闸排涝校核工况时，上游引航道口门的各测点速度如图3（b）所示，图3（b）、3（c）中v为合速度，vz 为纵向流速，vt 为横向流速，各测点最大纵为0.343 m/s、最大横向流速为0.154 m/s，均满足《船闸总体设计规范（JTJ305-2001）》对Ⅴ级航道的船闸引航道口门区流速的要求。在工况2节制闸引水校核工况时，上游引航道口门的各测点速度如图3（c）所示，节制闸引水流量较大、且上游河道水位1.70 m相对较低，口门区测点UK1、UK6、UK11、UK16的横向流速较大，分别为0.335、0.425、0.412和0.365 m/s，均超过了《船闸总体设计规范（JTJ305-2001）》规定的Ⅴ级航道船闸引航道口门区横向流速上限值。工况1和工况2时上游引航道口门区速度等值线如图4所示，上游引航道口门流态较好，未见大范围的回流区，设计航宽范围内主流基本沿航线方向。
图3 上游引航道口门区各测点布置及速度分布（节制闸运行）

Fig.3 Layout and velocity distribution of each measuring point in the entrance area of upstream approach channel （ control gate operation）

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图4 上游引航道口门区速度等值线图（节制闸运行，单位：m/s）

Fig.4 Velocity contour map of upstream approach channel entrance area （control gate operation）

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在工况1时，各特征断面的纵向流速和横向流速均由隔岛向河道右岸呈现逐渐减小的趋势，未出现回流现象；在工况2时，各断面的纵向流速均又隔岛向河道右岸呈逐渐减小的趋势，横向流速的分布成相反趋势，横向流速呈与主流方向相反，但未形成大尺寸范围的回流。

3.2 泵站运行工况

马甸枢纽中泵站紧邻船闸的右岸布置，且船闸引航道在泵站一侧为开敞式，无隔流措施，在泵站运行时易对船闸引航道口门区产生影响，为分析泵站运行时船闸引航道口门区流态及流速，结合设计航线，在上游引航道口门区设置3个监测断面，每个断面布置5个监测点，共15个监测点，各监测点布置如图5（a）所示。在节制闸不引水、泵站引水流量60 m3/s时，各监测点的速度如图5（b）所示，图5（b）中v为合速度，v z为纵向流速，v t为横向流速。口门区各测点最大纵向流速为0.289 m/s，最大横向流速为0.03 m/s，均满足《船闸总体设计规范（JTJ305-2001）》对Ⅴ级航道的船闸引航道口门区流速的要求。由图6可知，上游引航道靠近泵站侧的隔水墙下游存在部分斜向水流，隔水墙距离越大的区域纵向流速增大，但横向流速逐渐减小。
图5 上游引航道口门区各测点布置及速度分布（泵站运行）

Fig.5 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of upstream approach channel （ pump station operation ）

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图6 上游引航道口门区速度等值线图（泵站运行，单位：m/s）

Fig.6 Velocity contour map of upstream approach channel entrance area （ pumping station operation）

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4 下游引航道口门区计算结果及分析

4.1 节制闸运行工况

节制闸排涝或引水运行时，水流同样会对下游引航道口门区产生影响，若口门区横向流速过大，也会对过闸船舶航行安全产生影响，为明确下游引航道口门区的速度分布特征，在下游口门区的4个横断面共布置了20个测点，每个横断面设置5个监测点如图7（a）所示。节制闸各工况运行时，下游引航道口门的速度分布如图7（b）和图7（c）所示，图中v为合速度，vz 为纵向流速，vt 为横向流速。在工况1节制闸排涝校核工况时，下游水位为1.10 m，口门区测点11和测点16的横向流速分别为0.286和0.352 m/s，均超过《船闸总体设计规范（JTJ305-2001）》对Ⅴ级航道的船闸引航道口门区横向流速上限值0.25 m/s的要求。工况2节制闸引水校核工况时，口门区内各测点的流速不大，最大纵向流速为0.286 m/s，最大横向流速为0.13 m/s，均满足《船闸总体设计规范（JTJ305-2001）》对Ⅴ级航道的船闸引航道口门区流速的要求。两个工况的下游引航道口门区的速度等值线如图8所示，工况1时，各特征断面的纵向流速和横向流速分布均未呈现相同的分布规律；工况2时，各特征断面的主要测点的纵向流速和横向流速分布均呈相同的分布规律，由隔岛侧向左岸侧速度逐渐减小，节制闸排涝校核工况和引水校核工况时下游引航道口门区均未见明显回流。
图7 下游引航道口门区各测点布置及速度分布（节制闸运行）

Fig.7 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of downstream approach channel （ control gate operation ）

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图8 下游引航道口门区速度等值线图（节制闸运行，单位：m/s）

Fig.8 Velocity contour map of downstream approach channel entrance area （control gate operation）

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4.2 泵站运行工况

在下游引航道口门区设置4个监测断面，每个断面布置5个监测点，共35个监测点，如图9（a）所示，因泵站与船闸位于同侧布置，各监测点位置相比节制闸运行时位置有所前移。在工况3泵站引水时，泵站引水流量为60 m3/s，下游河道水位为最低通航水位0 m，口门区各测点的速度分布如图8（b）所示。口门区各测点最大纵向流速为0.336 m/s，最大横向流速为0.086 m/s，均满足《船闸总体设计规范（JTJ305-2001）》对Ⅴ级航道的船闸引航道口门区流速的要求。工况3时，下游引航道口门区流态较好，未见明显回流区，设计航宽范围内主流基本沿航线方向，如图10所示。
图9 下游引航道口门区各测点布置及速度分布（泵站运行）

Fig.9 Layout and velocity distribution of measuring points in the entrance area of downstream approach channel （ pumping station operation）

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图10 下游引航道口门区各测点布置及速度分布（泵站运行，单位：m/s）

Fig.10 Layout and velocity distribution of each measuring point in the entrance area of downstream approach channel （ pumping station operation）

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5 结 论

马甸枢纽工程主要建筑物有节制闸、船闸和引水泵站，针对工程完工后，泵站引水、节制闸排涝或引水时可能对船闸引航道口门区通航水流条件产生影响，数值分析了3种不同运行工况时上、下游引航道口门区水流条件，对确保船舶安全快速过闸有着十分重要的意义，主要结论如下。
（1）在马甸枢纽工程中，节制闸排涝校核工况时，船闸上引航道口门区水流条件均较好，但在节制闸引水校核工况时，上游引航道口门区局部范围横向流速不满足要求。在节制闸引水校核工况和泵站引水工况时，船闸下游引航道的口门区水流条件较好，但在节制闸排涝校核工况时，下游河道水位较低，口门区局部范围横向流速较大，不满足规范要求。
（2）在泵站引水工况时，船闸上、下游引航道靠近泵站侧的隔水墙末端附近均存在部分斜向水流，建议在上、下游引航道隔水墙末端增加弧立式隔流设施，以便马甸枢纽船闸更好地运行。

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