奔牛水利枢纽导流河弯道水流特性分析

李 雷，顾黄飞，刘永刚

(1.江阴市重点水利工程建设管理处，江苏 江阴 214431； 2.无锡市泓利工程监理有限公司，江苏 无锡 214400； 3.江阴市长泾水利农机管理服务站，江苏 江阴 214400)

1 工程概况

根据奔牛水利枢纽工程中各组成建筑物的任务和规模，结合拟建场地区地形、地貌和地质情况，船闸选址于原新孟河河道上，与现状京杭运河航道正交布置，船闸中心线与现状新孟河河口段河道中心线一致；节制闸与船闸并列布置于现状新孟河河口段；穿京杭运河立交地涵拟建于现状新孟河河口以东，立交地涵纵轴线与船闸中心线间距为210 m，节制闸中心线与船闸中心线间距为20.1 m(图1)。按照新孟河和京杭运河现状通航标准，新孟河导航河道标准为Ⅵ级航道，京杭运河导航河道标准为Ⅲ级航道。

图1 奔牛水利枢纽鸟瞰图

2 施工导流总体布置

根据奔牛水利枢纽合并工期后的施工导截流设计情况，在现状京杭运河南侧开挖导流/导航河道，然后通过京杭运河上的1#，2#围堰，形成穿京杭运河立交地涵的施工基坑；通过新孟河上的3#，4#围堰，形成船闸和节制闸的施工基坑。1#，2#和4#围堰挡京杭运河洪水，设计防洪标准为20年一遇，设计洪水位为6.06 m；3#围堰挡新孟河洪水，设计防洪标准为10年一遇，设计洪水位为5.86 m。见图2。

图2 奔牛水利枢纽施工总布置图

3 施工导流设计与流量安排

施工期间施工导流标准按照施工段上游来水主汛期20年一遇设计，相应导流流量为276.4 m3/s[1]。第二、第四阶段，导流河分流248.8 m3/s，新孟河分流27.6 m3/s；第三阶段，利用导流河分流。导流河河道标准断面见图3。

图3 导流河标准断面图

4 数学模型参考范围

奔牛水利枢纽施工导流河数学模型(图4)参考范围由京杭运河部分直线段各200 m、弯曲半径428.5 m导流河及1#，2#，4#围堰外围组成。根据奔牛水利枢纽建筑物及河道布置情况，按照1∶1比例，建立导流河区域水流三维物理模型(图1)。

图4 三维数学模型

5 控制方程

奔牛水利枢纽施工导流河水流流动区域三维数值模拟采用三维雷诺时均N-S方程来描述其不可压缩湍流流动，方程式如下:

雷诺时均N-S方程：

式中：ρ流体密度；t为时间；ui(i=x，y，z)为速度沿i方向的分量；p为压力；v为流体的运动黏性系数。

6 边界条件设置

计算采用标准k-ε模型，一阶迎风格式；进口设置为速度进口；出口设置为自由出流，水流与空气接触面为刚盖假定，其余壁面均设为无滑移壁面条件，设定参考大气压力为1atm。枢纽所有边壁均设为无滑移壁面；迭代残差值为5×10-4。

7 水流特性分析

7.1 计算工况

施工期间，施工导流标准按照施工段上游来水主汛期20年一遇设计，相应导流流量为276.4 m3/s，相应水位6.06 m。京杭运河与新孟河流量分配分流比分别为1∶0，9∶1和5.67∶1，即新孟河流量分别为0，27.64和41.46 m3/s。

7.2 计算结果分析

施工导流河水流流态与速度分布见图5-图7。当新孟河流量为0 m3/s时，新孟河侧、围堰外围及出口处都出现较大的回流区，导流河流态平顺，导流河内侧最大流速0.7 m/s且分布范围很小。当新孟河流量为27.64 m3/s时，新孟河与京杭运河连接圆弧段、2#围堰外围出现较大的回流区，导流河流态平顺，导流河内侧最大流速0.65 m/s且分布范围很小。当新孟河流量为41.46 m3/s时，新孟河与京杭运河连接圆弧段、2#围堰外围出现较大的回流区，导流河流态平顺，导流河内侧最大流速0.6 m/s且分布范围很小。

图5 分流比1∶0流态流速分布图

图6 分流比9∶1流态流速分布图

图7 分流比5.67∶1流态流速分布图

根据休克莱弯道水槽实验成果可知[2]，弯道最大纵向流速在进入弯道之前就离开它的正常位置，偏向弯道凸岸，之后慢慢向渠道中心线靠近，出弯道以后还继续向弯道外侧发展，经过相当长的距离方能恢复正常位置。本工程弯道导流河纵向流速分布规律比较符合休克莱弯道水槽实验成果。

7.3 冲淤计算

导流河河床位于③2层黏土，根据地勘报告，凝聚力C=21.7 kPa=0.217 kg/cm2，考虑C的离散性，设计取C0=C/3=0.072 kg/cm2。

河床不冲流速按列维公式计算：

(1)

式中：Rα为水力半径修正系数，其中R为过水断面水力半径；h为河道水深；d为河床土质平均粒径。

按式(1)计算可得该段河床不冲流速为1.08 m/s，大于导流河最大流速0.7 m/s，满足抗冲要求。

8 结 语

奔牛水利枢纽导流河弯道对水流流动影响复杂，从水流流态、流速分布、冲淤计算进行分析，结论如下：

1) 京杭运河与新孟河流量分配不同分流比工况下，导流河流态较为平顺，局部出现较大回流区但不影响整体通航条件。

2) 导流河纵向流速分布规律较为符合休克莱弯道水槽实验成果，表明该计算方法、边界条件设置合理，计算成果较为符合实际状况。

3) 根据《水力计算手册》(第二版)渠道转弯半径计算[3]，导流河转弯半径设置合理，内侧最大流速分布范围小且小于下游河床不冲流速，抗冲满足要求。