基于流场数值模拟的导流堤加固方案优化设计

蔡丽婧

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

导流堤是用来引导水流或约束水流的建筑物，对改善水流流态，提高泄流能力和保护主要建筑物安全有着重要的作用。导流堤的设计过程中，水流流态和流速的分布是首要了解的问题。针对流场特性前人做了很多的研究［1-3］，Hansonw最早用二维数学模型研究了河口、海岸潮流泥沙运动；美国Leederts首次应用交替方向隐式差分格式模拟二维潮汐潮流，并很快得到推广。为此，本文以某沿海水利枢纽导流堤为研究对象，利用平面二维数学模型研究了不同导流堤的水流特性，初步优选导流堤长度，提出推荐方案，为工程布置的合理性提供科学依据。

1 工程概况

某沿海水利枢纽由一座节制闸和一座船闸组成，船闸外河侧导流堤为斜坡堤式结构，坡面护砌材料为干砌块石，仅在顶部及底部各设有一道导梁（格埂）［4］。外河导流堤原长度240m，在节制闸引、排水过程中面流速的变化时常会影响船只的正常通行。为排除隐患，利用二维数学模型对船闸、节制闸上、下游的二维流场进行分析，推求外河导流堤长度变化对面流速的影响，从而确定合理的导流堤加固方案。

2 计算原理

计算以有限元法求解，根据水深平均理论而得出水深平均二维水流，采用直角坐标系下的平面二维浅水方程［5］。

连续方程式：

运动方程式：

式中 x、y为水平和纵向坐标轴；u、v为x、y轴向流速；t为时间变量；g为重力加速度；h为水深；α0为河床泥面高程；ρ为水流密度；f为柯氏力参数（f=2ωsinφ，ω为地球旋转角速度，φ为纬度）；εxx，εxy，εyx，εyy为紊动粘滞系数；c为谢才系数，可采用曼宁公式确定。

2.1 边界条件

数学模型通常使用开边界（水边）和闭边界（岸边）两种边界条件［6-7］。

对于开边界，采用潮位过程进行控制。

对于闭边界则根据不可入原理，取法向流速为0，即

2.2 初始条件

计算开始时，整个计算区域内各点的水位、流速值就是计算的初始条件，即

3 数学模型

3.1 计算范围

以某沿海水闸导流堤为研究对象，根据附近河道横断面及河道两岸地区1∶1000地形图，数学模型计算选取区域为：节制闸上游550m处至下游1200m处。模型范围约16.74万m2。岸边高程4m，以1∶3的坡度推算河底宽度。

3.2 计算网格

计算网格由四边形八节点单元和三角形六结点单元混合构成，分为规则单元和不规则单元两种。一般水域采用四边形，单元边长3～7m，以保证计算精度。翼墙段用三角形单元以免产生异面单元。在概化河岸线和闸墩时，采用不规则单元，以便准确地反映出岸线和建筑物的外形轮廓，并对工程区域的网格进行加密。网格节点数21757～21765，单元总数7438～7442，如图1。因加长方案不同，各模型导流堤附近网格略有不同。

图1 模型计算网格

3.3 边界条件

上边界为水位边界，取内河除涝高水位4.2m；下游边界为吴淞潮位，选用1963年9月11日0时至9月13日23时的动态水位边界条件，潮位过程线如图2。

图2 潮位过程线

3.4 参数及模型验证

由于缺少资料，模型率定采用其他类似工程的计算参数对本工程模型中的参数 （主要为涡动粘滞系数E、Manning系数）进行调整，本工程区域模型中涡动粘滞系数E为4000～10000Pa.s，河道Manning系数为0.020～0.028，水闸位置考虑消能影响Manning系数取0.033～0.035。

在模型计算中，为真实反映实际河道内流场情况，边滩单元采用线性计入法，模拟边滩干湿变化，即当单元的平均高程低于某一设定的水位时，整个单元为湿单元，参加计算；当单元平均高程高于某一设定的水位时，整个单元为干单元，不参加计算；当单元高程介于这两个设定潮位之间时，按线性比例调整单元参与计算面积。

4 计算工况及结果分析

4.1 计算工况

为进行优化设计，现拟定两种方案对外河导流堤加长。

4.1.1 方案1

采用与现有导流堤相同的斜坡式结构加长导流堤。

4.1.2 方案2

采用板桩式结构加长导流堤。

针对两个方案假定5种设计工况：工况1未加长导流堤；工况2斜坡式结构加长导流堤25m；工况3斜坡式结构加长导流堤30m；工况4板桩式结构加长导流堤30m；工况5板桩式结构加长导流堤40m。

4.2 结果分析

根据《内河通航标准》，V级船闸引航道口门区的水流表面最大流速限制如下：平行于航线的纵向流速为1.5m/s，平行于航线的横向流速为0.25m/s，回流流速为0.4m/s。

通过数模计算，工况1显示船闸引航道口门区纵向流速、回流流速及内河导流堤的横向流速基本满足要求，但外河导流堤附近横向流速远大于0.25m/s，严重威胁通航安全。

采用斜坡式结构加长导流堤25m时（工况2），对河道整体的流场改变不大，但使导流堤附近漩涡减小，流速降低。但船闸引航道口门仍有部分点某些时段横向流速略大于0.25m/s。当加长斜坡式导流堤至30m（工况3），船闸引航道口门区内点的横向流速均小于0.25m/s。

当以板桩式结构加长导流堤30m时（工况4），对河道整体的流场改变不大，但可使导流堤附近漩涡减小，流速降低。导流堤附近水域的流态没有方案1平顺，这主要是因为由于导流堤形式改变，导流堤横向收缩，水流也略微收缩。导流堤横向宽度的缩减量相较河道宽很小，故不会产生大的漩涡。船闸引航道口门仍有部分点某些时段横向流速略大于0.25m/s，当加长板桩式导流堤至40m（工况5），船闸引航道口门区内点的横向流速均小于0.25m/s。

总之，导流堤未加长时，船闸外河引航道口门区附近横向流速有多个时段大于规定值0.25m/s，若采用斜坡式结构加长25m或者板桩式结构加长30m，可使导流堤附近漩涡减小，流速降低，但船闸引航道口门仍有部分点某些时段横向流速略大于0.25m/s；若采用斜坡式结构加长30m或者板桩式结构加长40m，则可使船闸引航道口门区内点的横向流速均降至0.25m/s以下。

根据计算结果，为保证行船安全，导流堤必须加长以减小船闸引航道口门区横向流速，满足通航要求。数模计算结论推荐两种导流堤加长方案：方案1采用斜坡式导流堤，顺原导流堤方向往下游加长30m；方案2采用板桩结构导流堤，顺原导流堤方向往下游加长40m。

5 导流堤加长设计

根据数模计算的结果，外河导流堤加长考虑乘潮施工，对斜坡式和板桩式结构进行比选。

方案1采用斜坡式导流堤，顶宽与原导流堤相同，两侧斜坡坡度为1︰3，坡面护砌材料为浆砌块石。接长段除在坡脚处设置了导梁及小方桩外，船闸侧斜坡中部为减轻船只撞击带来的不利影响，又增加了一级导梁加小方桩。

方案2考虑趁低潮施工，采用板桩式结构，利用中间板桩墙分隔两侧水流，使流速得到改善。另外考虑船舶撞击力的影响，在板桩的两侧对称布置两排预制钢筋混凝土方桩，方桩桩顶为承台结构。

综合比较两种方案均能起到理顺水流的目的，即减轻节制闸引、排水时对船只的不利影响，且根据数模计算结果，方案1只需加长30m即可满足要求，方案2比方案1稍长，但也只有40m，对通航水面宽度不会造成大的影响，船只仍可以安全进出外引航道。两种方案施工方法不同，方案2为乘低潮施工，不需设置围堰；方案1需在下游侧设置拦河围堰。经初步估算，方案2在投资方面具有较大优势，本阶段推荐采用方案2，即板桩式结构，加长长度为40m。

6 结语

采用二维数值模拟的手段，模拟了船闸引航道口的水流特性。通过对比分析该水利枢纽的导流堤加固方案可知，局部加长导流堤对通航水面宽度不会造成大的影响，却可有效地降低流场流速，起到理顺水流的目的，减轻节制闸引、排水时水流流态对船只的不利影响，保证了行船安全。该工程实施后运行效果良好，为今后类似工程设计提供了一定借鉴。

［1］浙江省水利河口研究院.浙江省曹娥江大闸枢纽工程水力学试验研究总报告［R］.2004.

［2］汪德.计算水力学（ 理论与应用）［M］.南京：河海大学出版社，1990.

［3］谭维炎.计算浅水动力学［M］.北京：清华大学出版社，1998.

［4］上海勘测设计研究院.蕴东水利枢纽除险加固工程可行性研究（含初步设计）报告［R］.2006.

［5］张金委，王斌.仙居县城防工程堤线布置优化数值模拟［J］.浙江水利科技，2014（1）.

［6］包中进，张才夫.开潭水利枢纽河道行洪影响分析［J］.水利水电科技进展，2008（2）.

［7］包中进，周杰.曹娥江大闸导流堤方案水力学数值模拟［J］.水动力学研究与进展，2004（12）.