澮河南坪船閘引航道流場數值模擬研究

張子浩

（安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室 蚌埠 233000）

1 工程概況

澮河位于淮河左岸，是淮河較大支流之一。上游發源于河南省商丘境內，流經夏邑，永城至張瓦房進入安徽省濉溪縣臨渙、南坪，經宿州市蘄縣，于固鎮縣九灣鎮匯入香澗湖，再經五河縣城西南匯入淮河。自臨渙至五河，全長約171km。

澮河南坪船閘位于淮北市濉溪縣南坪鎮，南坪節制閘處，上距臨渙閘30.5km，下距蘄縣閘18km。南坪船閘布置在節制閘左側88.5m 處，S305 公路橋從上導航墻通過。船閘上下閘首順水流向長度均26m，閘室段200m，上下游主導航墻長度均為50m，采用反對稱布置，閘首口門及閘室凈寬均為23m，為單級船閘。南坪船閘建成后，臨渙閘以下段航道將全面通航，可較大緩解淮北市交通運輸壓力，促進當地經濟發展和已建工程經濟效益發揮。

2 模型建立

針對南坪船閘河道特點，采用建立在三角形網格上的專業二維模型MIKE21FM 進行模擬計算，該模型具有邊界適應性好，計算速度快、考慮水動力條件全面等特點，并在長江口深水航道治理、淮河干流劉臺子航段裁彎等多個工程得到應用，取得較好效果，為解決航道整治中遇到的水流問題提供了有力的技術支撐。

2.1 水流方程

模型的水流運動方程為基于Boussinesq 假定和靜水壓力假定的垂向平均不可壓縮流體雷諾平均Navier-Stokes 方程。

2.1.1 連續方程

2.1.2 x 方向動量方程

2.1.3 y 方向動量方程

式中：x，y 為笛卡爾坐標系坐標；t 為時間；η 為水位；d 為靜止水深；h=η+d 為總水深；u、v分別為x、y 方向上的速度分量，字母上帶橫杠是平均值，例如為沿水深平均的流速，由以下公式定義：f 是柯氏力系數，f=2ωsin，ω 為地球自轉角速度，為當地緯度；g為重力加速度；ρ 為水的密度；sxx、sxy、syy分別為輻射應力分量；S 為源項；（us，vs）為源項水流流速。

Tij為水平粘滯應力項，包括粘性力、紊流應力和水平對流，這些量根據沿水深平均的速度梯度用渦流粘性方程得出：

式中：A 為系數。

粘滯應力梯度項可轉換為：

式中：Ex、Ey分別為水流的渦粘系數（m2/s），可由Smagorinsky 公式計算：

式中：Δ為單元面積（m2）；Cs為系數，取0.25～1.0。

2.2 網格劃分和計算參數

根據工程河段特點，選取為澮河南坪閘上游3km 至南坪港下游1km 全長約4km 河道構建水動力模型計水沙數學模型。二維模型采用三角形網格，網格分為三級步長，即總體網格步長為20m；閘室附近網格步長1～2m；閘上、下游1km 范圍內為過渡性網格，步長為2～10m。網格數量24201 個，節點數量10003。

時間步長：最小時間步長0.01s。

糙率：根據《安徽省包澮河初步治理工程報告》，該段河道主槽糙率為0.022～0.024，河道灘地糙率為0.036～0.04。

紊動黏性系數：采用Smagorinsky 公式確定，本文取0.28。

2.3 計算控制條件

地形選擇：采用2014年實測地形圖資料，1954北京坐標系，1985 國家高程標準。

計算工況：根據船閘引航道設計標準和澮河水文條件，選取3 組典型工況進行計算分析。具體工況選擇見表1。

表1 模型計算工況表

3 計算結果分析

3.1 上游引航道

上游引航道與澮河交匯處流場見圖1。10年一遇洪水工況，上引航道內最大橫向流速0.27m/s，流態平順，滿足航道規范要求；5年一遇洪水工況，上引航道內最大橫向流速0.28m/s，流態平順，滿足航道規范要求。

圖1 南坪船閘上游引航道流場圖

3.2 下游引航道

3.2.1 原設計方案

下游引航道航行區流場見圖2。10年一遇洪水工況，下游引航道航行區無回流，基本無流速；引航道邊坡處出現回流，回流流速0.05～0.45m，引航道與澮河交匯處航道最大橫向流速0.43m/s，超出橫向流速最大限值0.3m/s；5年一遇洪水工況，下游引航道航行區無回流，基本無流速；引航道邊坡處出現回流，回流流速0.05～0.5m，引航道與澮河交匯處航道最大橫向流速0.44m/s，超出橫向流速最大限值0.3m/s；常遇大洪水工況，引航道邊坡處出現回流，回來流速0.05～0.3m；引航道與澮河交匯處航道最大橫向流速0.28m/s，滿足航道最大橫向流速要求。

圖2 南坪船閘下游引航道流場圖

3.2.2 優化方案

針對下游引航道航行區橫向流速超出橫向流速最大限值0.3m/s，根據數值模擬結果分析，主要是由于南坪船閘下游引航道與澮河主流線夾角較大，大洪水時期航道橫向流速較大，導致橫向流速超出規范要求。

為了減小航道橫向流速，在船閘及引航道工程位置不變的情況下，對澮河河道灘地進行疏浚，使其主流線向右岸移動，可以降低引航道口門區橫向流量。疏浚量6～7萬m3，疏浚后澮河主流線向南移動，航道最大橫向流速0.27m/s，小于規范規定最大橫向流速0.3m/s，滿足航道規范要求。

4 結論

根據研究河段特點，建立了澮河南坪閘上游3km 至南坪港下游1km 二維水動力數學模型，模型分析了南坪船閘引航道及南坪港流態及流速分布情況，結果表明：

（1）上游引航道：水流平順，流態較好，航道內最大橫向流速均小于規范值，滿足航道規范要求。

（2）下游引航道：10年一遇和5年一遇洪水工況引航道與澮河交匯處最大橫向流速均超過規范值0.3m/s，不符合內河通航標準要求。為了減小航道橫向流速，在船閘及引航道工程位置不變的情況下，對澮河河道灘地進行疏浚，疏浚后各工況下航道內最大橫向流速均小于規范值，滿足航道規范要求■