走马塘江边泵站二维水流数值模拟研究

张舒羽，李 明，孙大勇，和宝锋

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

走马塘江边枢纽是走马塘入长江口门的控制建筑物，也是武澄锡虞地区洪涝水北排长江的骨干水利工程之一[1]。由于江边枢纽缺少排水泵站，区域外排能力不足，当遭遇长江高潮位时，涝水无法排出。为提高区域防洪排涝能力，充分发挥走马塘工程效益，根据地区规划要求，在原枢纽处新建走马塘江边泵站。目前，数值模拟技术常作为研究工程建设对区域及工程建筑物影响的重要手段，为了研究不同工况下泵站运行的影响[2-4]。本文采用MIKE21FM软件，建立工程区域水动力数学模型，从流速、流场变化角度研究泵站工程影响，为工程布置提供科学依据。

1 研究区概况

走马塘位于太湖流域的武澄锡虞澄锡虞高片，隶属江苏省张家港市，南自苏南运河起，北至七干河入江，全长66.51km，是望虞河西岸、澄锡虞高片的骨干排水通道，走马塘江边枢纽距长江口约1.6km，由总净宽36m节制闸、16m×180m×3m船闸和鱼道组成，为提高区域防洪排涝标准，充分发挥走马塘工程效益，增强洪涝水北排入江能力，在现有枢纽节制闸东南侧新建80m3/s排涝泵站1座[5]。枢纽泵站位置如图1所示。

图1 走马塘江边泵站工程位置示意图

2 模型构建

2.1 模型建立

采用MIKE21FM软件进行流场建模[6-7]，模型计算范围主要为枢纽上游区域河道及枢纽主体建筑物(如图2所示)。河道及枢纽按照工程总平面图进行概化，河道高程采用实测数据，枢纽高程按照规划设计布置。为准确贴合复杂多变的平面布置，采用三角形网格进行剖分，枢纽及进水流道等局部区域的网格加密，三角形网格从5～25m过渡。

图2 走马塘江边泵站工程内河侧模型概化示意图

2.2 控制方程

连续方程：

(1)

运动方程：

(2)

(3)

(4)

2.3 主要参数

(1)糙率系数

采用曼宁糙率系数用于模型计算，根据相关工程经验及率定成果，经调试，糙率取值在0.225～0.300之间。

(2)涡粘系数

Smagorinsky系数取值为0.28m2/s，水平涡粘系数采用根据Smagorinsky公式确定：

(5)

式中，U，V—x，y方向垂线平均流速；Δ—网格间距；Cs—计算参数，一般0.25

(3)干湿边界处理

处理干湿动边界的方法是基于赵棣华(1994)和Sleigh(1998)的处理方式。当单元水深变小时问题会以新的方式计算，即动量通量会被设为0，只考虑质量通量。当深度小于一定程度，计算会忽略该网格单元。模型干水深Hdry=0.005m，淹没水深Hflood=0.05m，湿水深度Hwet=0.1m。

(4)时间步长

采用了动态时间步长方式，在设定了迭代的最小时间步长和最大时间步长后，模型会在满足收敛性和模拟精度的条件下，自动调整实际计算时间步长的大小。根据模型网格大小、水深条件，使CFL数小于0.8，满足模型稳定的要求，本模型迭代的时间步长在0.01～60s之间。

3 模拟结果及分析

3.1 模拟工况设定

走马塘江边枢纽主要承担区域洪涝水北排长江等功能，为更好地对泵站运行影响进行研究，结合走马塘泵站工程设计及控制调度方式，设置模拟工况如下：①模拟工况1：枢纽上游水位2.8m(最低运行水位)，泵站排水流量80m3/s；②模拟工况2：枢纽上游水位3.2m(设计运行水位)，泵站排水流量80m3/s；③模拟工况3：枢纽上游水位4.57m(最高运行水位)，泵站排水流量80m3/s。

3.2 水动力变化分析

(1)在模拟工况1条件下，节制闸在泵站排水情况下关闭挡潮，船闸、节制闸前端大部分水域流速小于0.1m/s。节制闸上内河侧河道流速基本小于0.5m/s，中心深槽处流速处于0.4～0.5m/s之间。水流经导流墩进入内侧引河后流速增大，河道流速大部分为0.3～0.7m/s，中心处流速较大，为0.6～0.7m/s；右岸岸坡处流速相对较小，与翼墙连接段流速较大。泵站拦污栅隔墩处流速最大，为0.7～1.0m/s。水流进入消力池后流速变缓，流速范围为0.4～0.5m/s。

(2)在模拟工况2条件下，节制闸在泵站排水情况下关闭挡潮，船闸、节制闸前端大部分水域流速小于0.1m/s。节制闸上内河侧河道流速基本小于0.4m/s。内侧引河流速大部分为0.3～0.6m/s，中心区域流速较大，为0.5～0.6m/s；右岸岸坡处流速相对较小，与翼墙连接段流速较大。泵站拦污栅隔墩处流速最大，为0.6～0.9m/s。水流进入消力池后流速变缓，流速范围为0.4～0.5m/s。

(3)在模拟工况3条件下，节制闸在泵站排水情况下关闭挡潮，船闸、节制闸前端大部分水域流速小于0.1m/s。节制闸内河侧河道流速基本小于0.3m/s。内侧引河流速大部分为0.2～0.5m/s；拦污栅隔墩前部、右岸岸坡与翼墙连接段流速较大。泵站拦污栅隔墩处流速最大，为0.4～0.7m/s。水流进入消力池后流速变缓，流速范围为0.3～0.4m/s。

3.3 流态分析

根据不同运行水位下流场模拟结果，在泵站排水情况下，节制闸上内河侧河道水流流向总体平行于两侧堤岸，经导流墩和弧形段向内侧引河偏转。内侧引河流场分布较为均匀，不存在较大范围环流，进入主河道后基本与泵站垂直，仅右岸岸坡和翼墙连接段流场不均匀，存在局部环流。

4 结论

基于MIKE21FM软件建立二维水流数学模型，对走马塘泵站工程河道区域的水动力条件进行了分析，主要得出以下结论。

(1)不同运行水位情况下，随着水位的升高，节制闸上内河侧河道及内侧引河流速逐渐降低，节制闸上内河侧河道最大流速集中在中心深槽处，内侧引河最大流速集中在引河中心及拦污栅隔墩处。

(2)不同运行水位情况下，枢纽内河侧流场分布均较为均匀，节制闸上内河侧河道水流流向总体平行于两侧堤岸，进入内侧引河后基本与泵站垂直，仅内侧引河右岸岸坡和翼墙连接段流场不均匀，存在局部环流。

(3)走马塘江边泵站建成后，泵站运行期间对于节制闸、船闸区域水动力影响较小。不同运行水位情况下，船闸、节制闸前端水域流速基本小于0.1m/s，节制闸上内河侧河道流速基本小于0.5m/s。