浍河南坪船闸引航道流场数值模拟研究

张子浩

（安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室 蚌埠 233000）

1 工程概况

浍河位于淮河左岸，是淮河较大支流之一。上游发源于河南省商丘境内，流经夏邑，永城至张瓦房进入安徽省濉溪县临涣、南坪，经宿州市蕲县，于固镇县九湾镇汇入香涧湖，再经五河县城西南汇入淮河。自临涣至五河，全长约171km。

浍河南坪船闸位于淮北市濉溪县南坪镇，南坪节制闸处，上距临涣闸30.5km，下距蕲县闸18km。南坪船闸布置在节制闸左侧88.5m 处，S305 公路桥从上导航墙通过。船闸上下闸首顺水流向长度均26m，闸室段200m，上下游主导航墙长度均为50m，采用反对称布置，闸首口门及闸室净宽均为23m，为单级船闸。南坪船闸建成后，临涣闸以下段航道将全面通航，可较大缓解淮北市交通运输压力，促进当地经济发展和已建工程经济效益发挥。

2 模型建立

针对南坪船闸河道特点，采用建立在三角形网格上的专业二维模型MIKE21FM 进行模拟计算，该模型具有边界适应性好，计算速度快、考虑水动力条件全面等特点，并在长江口深水航道治理、淮河干流刘台子航段裁弯等多个工程得到应用，取得较好效果，为解决航道整治中遇到的水流问题提供了有力的技术支撑。

2.1 水流方程

模型的水流运动方程为基于Boussinesq 假定和静水压力假定的垂向平均不可压缩流体雷诺平均Navier-Stokes 方程。

2.1.1 连续方程

2.1.2 x 方向动量方程

2.1.3 y 方向动量方程

式中：x，y 为笛卡尔坐标系坐标；t 为时间；η 为水位；d 为静止水深；h=η+d 为总水深；u、v分别为x、y 方向上的速度分量，字母上带横杠是平均值，例如为沿水深平均的流速，由以下公式定义：f 是柯氏力系数，f=2ωsin，ω 为地球自转角速度，为当地纬度；g为重力加速度；ρ 为水的密度；sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量；S 为源项；（us，vs）为源项水流流速。

Tij为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出：

式中：A 为系数。

粘滞应力梯度项可转换为：

式中：Ex、Ey分别为水流的涡粘系数（m2/s），可由Smagorinsky 公式计算：

式中：Δ为单元面积（m2）；Cs为系数，取0.25～1.0。

2.2 网格划分和计算参数

根据工程河段特点，选取为浍河南坪闸上游3km 至南坪港下游1km 全长约4km 河道构建水动力模型计水沙数学模型。二维模型采用三角形网格，网格分为三级步长，即总体网格步长为20m；闸室附近网格步长1～2m；闸上、下游1km 范围内为过渡性网格，步长为2～10m。网格数量24201 个，节点数量10003。

时间步长：最小时间步长0.01s。

糙率：根据《安徽省包浍河初步治理工程报告》，该段河道主槽糙率为0.022～0.024，河道滩地糙率为0.036～0.04。

紊动黏性系数：采用Smagorinsky 公式确定，本文取0.28。

2.3 计算控制条件

地形选择：采用2014年实测地形图资料，1954北京坐标系，1985 国家高程标准。

计算工况：根据船闸引航道设计标准和浍河水文条件，选取3 组典型工况进行计算分析。具体工况选择见表1。

表1 模型计算工况表

3 计算结果分析

3.1 上游引航道

上游引航道与浍河交汇处流场见图1。10年一遇洪水工况，上引航道内最大横向流速0.27m/s，流态平顺，满足航道规范要求；5年一遇洪水工况，上引航道内最大横向流速0.28m/s，流态平顺，满足航道规范要求。

图1 南坪船闸上游引航道流场图

3.2 下游引航道

3.2.1 原设计方案

下游引航道航行区流场见图2。10年一遇洪水工况，下游引航道航行区无回流，基本无流速；引航道边坡处出现回流，回流流速0.05～0.45m，引航道与浍河交汇处航道最大横向流速0.43m/s，超出横向流速最大限值0.3m/s；5年一遇洪水工况，下游引航道航行区无回流，基本无流速；引航道边坡处出现回流，回流流速0.05～0.5m，引航道与浍河交汇处航道最大横向流速0.44m/s，超出横向流速最大限值0.3m/s；常遇大洪水工况，引航道边坡处出现回流，回来流速0.05～0.3m；引航道与浍河交汇处航道最大横向流速0.28m/s，满足航道最大横向流速要求。

图2 南坪船闸下游引航道流场图

3.2.2 优化方案

针对下游引航道航行区横向流速超出横向流速最大限值0.3m/s，根据数值模拟结果分析，主要是由于南坪船闸下游引航道与浍河主流线夹角较大，大洪水时期航道横向流速较大，导致横向流速超出规范要求。

为了减小航道横向流速，在船闸及引航道工程位置不变的情况下，对浍河河道滩地进行疏浚，使其主流线向右岸移动，可以降低引航道口门区横向流量。疏浚量6～7万m3，疏浚后浍河主流线向南移动，航道最大横向流速0.27m/s，小于规范规定最大横向流速0.3m/s，满足航道规范要求。

4 结论

根据研究河段特点，建立了浍河南坪闸上游3km 至南坪港下游1km 二维水动力数学模型，模型分析了南坪船闸引航道及南坪港流态及流速分布情况，结果表明：

（1）上游引航道：水流平顺，流态较好，航道内最大横向流速均小于规范值，满足航道规范要求。

（2）下游引航道：10年一遇和5年一遇洪水工况引航道与浍河交汇处最大横向流速均超过规范值0.3m/s，不符合内河通航标准要求。为了减小航道横向流速，在船闸及引航道工程位置不变的情况下，对浍河河道滩地进行疏浚，疏浚后各工况下航道内最大横向流速均小于规范值，满足航道规范要求■