不同运营开度下江都西闸上、下游河道流场特征研究

缪 薇，徐 丹，王肇优，冷若瑶

(江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

1 工程概况

江都西闸乃是江都水利枢纽工程的配套水工设施，具有过闸通流、防洪排涝以及配合江都三站水力发电的作用，建成运营年限接近60 a，正常运营期高潮位为5.5 m，100 a一遇高潮位为6.7 m，其上游乃是长江、芒稻河主干河道，控制长江行洪1.2万m3/s，而芒稻河下游控制行洪为2296.0 m3/s。江都西闸设计上游洪水位7.08 m，最高挡流水位为7.36 m，水闸下游最大水位为4.00 m，设计最大引水流量为950 m3/s，其主要水工结构包括闸身、翼墙以及闸门、上游消力池等；图1(a)所示为江都西闸门研究模型，支臂刚度可达25 MPa，面板上可承受最大动水压强为200 kPa，挡流、控流效果较好，在江都西闸多年运营期，闸门设施的运营安全率达100%，图1(b)为闸门钢梁支撑结构平面示意，具有对称式分布特征，钢梁翼缘厚度为12 cm，肋间距为1.8 m，闸门支撑钢梁截面体型参数均已通过对比优化，结果表明闸门即使在最大过闸流量下，应力、位移也均能满足设计要求。不仅如此，在长期水文监测数据的加持下，对江都西闸运营渗流场进行了多工况分析，包括了枯水期、丰水期等，丰水期最大流速可达3.5 m/s，水流含沙量不超过2.9 kg/m3，闸体内流线、流态稳定性较优，无涡旋等冲击流线。从江都西闸各部分结构分析，闸身、闸门、翼墙等水工建筑均能够在设计参数内高效运营，但由于江都西闸控制着芒稻河、长江汇入区水流，当江都西闸进行泄流、过流或挡流时，河道库区内渗流场势必会受之影响，因而，开展江都西闸运营期的河道内渗流场分析很有必要。

图1 闸门模型

2 建模设计

在简化江都西闸部分附属建筑的基础上，仅针对主要建筑结构进行计算分析，所建立的闸站枢纽结构模型如图2(a)所示，包括了控制厂房、上、下游导流墙以及闸墩、消力池等构件，从左至右依次分布1#～5#闸门及支撑闸墩构件。由于本文需探讨水闸运营期上、下游河道库内渗流场变化，因而，建立起过闸水体独立模型与三维模型的流体域，并区分出水流进、出口，如图2(b)所示，该流体域包括了水流进、出口范围各300 m。

图2 计算模型

采用非结构化网格作为各单元独立模型，如图3分别为闸孔段、导流墙以及水体流域内的网格模型，部分结构区域进行了网格加密，最大网格尺寸为1.2 m，网格密度为0.85。在计算模型中，引入RNG湍流模型进行水体运动仿真求解，利用Fluent渗流模块设定研究域内的顶、底面分别为无约束边界、流速交换边界，两侧壁面为无滑移边界条件，上、下游分别为水体流量、压力进、出口。基于网格无关性验证，本文流体域内网格总数为3 205 426个，节点数为2 864 728个。研究模型中，设定闸墩、厂房、导墙等均为C30材料，闸室下覆土层为砂土，厚度分布为3.2～4.5 m，域内研究模型材料参数均通过室内土工实测设定。

图3 网格模型

为了准确分析江都西闸运营期的上、下游河道库内渗流场特征，采用改变闸门开度的方法，并按照相应开度工况设定上、下游水位，并设定过闸泄流量，表1为本文各开度运行工况下上、下游水位及过闸流量值。基于不同开度运行工况下渗流场计算，探讨上、下游河道库内及过闸水流渗流场变化。

表1 运行工况参数

3 库区上、下游流场影响特征

3.1 上游流场特征

基于不同运营开度下上游河道库区渗流场计算，获得各水深处峰值流速变化特征，如图4所示。分析图4可知，运营开度愈大，则流速水平愈大，开度值与各水深流速均为正相关变化。开度1 m下，水深1 m处峰值流速为0.68 m/s，而同水深处的开度2 m、3 m、4 m时，相应峰值流速较之前者分别提高了97.6%、203.6%、210.5%。水深1 m处，随开度每梯次递增0.5 m，则峰值流速平均可提高16.9%。当水深增大至2 m、5 m后，开度1～4 m下峰值流速分布分别为1.46～3.88 m/s、3.20～6.10 m/s，较之水深1 m下分别提高了0.87～1.07倍、1.98～3.10倍，同时，在此两水深位置处，随开度梯次变化，峰值流速平均增幅分别为21.8%、24.5%。由此可知，水深愈大，则河道上游流速受运营开度影响愈显著。另一方面，从开度与峰值流速变化关系可知，不论水深在何值，开度递增，流速水平的增长均为先快后慢，在开度3 m后，流速增幅较缓。以水深3 m下为例，开度1～3 m时，峰值流速分布为2.45～4.66 m/s，随开度梯次0.5 m变化，流速增长了26.4%，而在开度3～4 m下，峰值流速分布为4.66～4.89 m/s，增幅仅为2.2%。分析表明，运营开度对河道上游库区流速影响具有强、弱差异，在开度超过3 m后，影响作用减弱。

图4 上游河道流速与运营开度关系

图5为河道库区上游渗流场中不同水深处涡量分布特征。根据涡量分布可看出，水深增大，闸门上游导墙两端流体碰撞面积增大，水体耗散势能增长，涡量因而减少，愈靠近河床，涡量分布面愈低，紊流、涡旋等分布区域愈小。同时，当开度增大，河道上游控水、水体碰撞、挟流等现象增大，涡量分布值也显著提高[1]。从涡量分布区考虑，开度递增，涡量增长区集中于上游导墙排沙孔一侧，而随水深增长，涡量的减少主要在于闸孔上游口处。

图5 各运营工况上游河道涡量分布特征(从左至右依次为水深1 m、2 m、5 m)

3.2 下游流场特征

同理，获得了水闸下游河道库区渗流场变化特征，图6为下游河道各水深处流速变化特征。观察图6可看出，与上游河道流场峰值流速变化趋势形成鲜明差异的是，随开度增长，下游河道各水深处流速均为递减变化，且也是在开度3 m后，流速降低减缓。在水深1 m时，开度1 m下峰值流速为3.04 m/s，而开度2.0 m、2.5 m时峰值流速较之前者分别减少了16.1%、23.6%，特别是在开度3～4 m下，峰值流速分布为1.95～1.98 m/s，降幅仅为1.5%。此现象与上游河道流速变化呈相反态势。河道水深愈大，峰值流速愈高，此现象与上游河道一致，但下游河道水深对开度与峰值流速之间的变化关系影响较弱，水深2 m、4 m时，随开度梯次0.5 m变化，峰值流速分别具有平均降幅6.6%、6.3%，与水深1 m下降幅基本接近，流速变幅趋势具有相似性。分析可知，开度愈大，水闸下游河道各水深处流态、动水势能表现具有一致性变化[2-3]。

图6 下游河道流速与运营开度关系

图7为河道下游各水深处涡量分布特征。从图7可看出，涡量分布区集中于出水口及下游导墙前端，该区域内聚集有较多不同体态流线，水流梯度差迥异，故而产生分布较广的涡量。同时，水深增大，流线、流态的差异性会在较大动水压强束缚下趋于一致性，减少了水流梯度差，因而涡量分布区减少。从开度递增过程涡量对比可知，随开度增长，水深1 m、3 m处下游导墙前端的分布区显著增多，而水深6 m时，下游河道涡量分布区虽有扩大，但扩散方向集中于横向闸墩区，即不同水深处，涡量分布区随运营开度变化的扩散效应不同。

图7 各运营工况下游河道涡量分布特征(从左至右依次为水深1 m、2 m、4 m)

4 过闸水流渗流场影响特征

前文分析的均为江都西闸上、下游河道库内渗流场变化，而闸室内渗流变化同样较为关键，如图8所示为闸底板峰值流速与运营开度变化关系。从流速宏观变化来看，开度增大，则流速水平量值提高，开度为1 m时，底板处峰值流速为2.3 m/s，开度1.5 m、2.5 m、4.0 m时，相应峰值流速较之前者分别提高了4.7%、15.3%、21.2%，随开度梯次1 m递增，闸底板峰值流速平均可提高0.08 m/s，增幅为3.3%。相比河道上、下游水深3 m处的流速增幅，闸室底板处流速变幅弱于前者，此与闸室内控流、限流作用较强，避免动水势能对闸身冲蚀作用。

图8 过闸流速与运营开度关系

图9为不同运营开度工况下闸下水流涡量分布特征。由图中涡量分布区可知，最大涡量集中于闸后底缘下端，并逐步扩散至下游段水流。随开度增大，涡量分布范围扩散，但最大涡量值实质上减少，如开度1 m时最大涡量为9.1 s-1，而开度2 m、4 m时最大涡量分别为7.3 s-1、5.2 s-1。分析认为，闸门运行开度增大，闸室底缘处水流碰撞加大，影响渗流区域扩大，更多区域具有涡流、紊流等流态[4]，但与之同时水体之间挤压会造成动水势能耗散也增多，故而涡量值减少，但涡量分布区增大。

图9 各运营工况闸室涡量分布特征

5 结 论

(1)运营开度与上游河道流速呈正相关变化，但流速的增长在开度3 m后减缓；随水深增大，流速水平提高，同时水深愈大，上游河道流速受运营开度影响愈显著；开度增大，涡量分布愈广，但水深增大，涡位于闸孔上游口的涡量集中区会减少。

(2)开度增大，下游河道流速降低，且在开度3 m后降幅减少，水深2 m、4 m时，随开度梯次0.5 m变化，峰值流速分别具有平均降幅6.6%、6.3%，各水深处流速随开度变化具有相似性；开度增大，下游河道涡量分布区会增长，但主要在横向扩散，水深愈大，涡量分布区愈少。

(3)闸底板峰值流速与运营开度为正相关变化，每开度1 m增长，流速平均提高了3.3%，开度对过闸流速影响不及上、下游河道；开度增大，过闸水流涡量分布区扩大，但涡量值受动水势能耗散影响而降低。