大落差支流口入汇运河治理优化的数值模拟研究

黄毓斌 覃海林 赵红芳

摘要：大落差支流汇入主航道时对干流航道的影响较大，需采取相应的治理措施。文章以平陆运河典型支流入汇为例，基于VOF法的RNG k-ε双方程紊流数学模型对运河水流特性及交汇口通航水流流态进行二维和三维数值模拟，对大落差支流口的通航水流条件进行分析评价，并根据原支流口平面布置方案的流速分布情况以及水流特性，对方案进行调整优化。结果表明：在原方案20年一遇流量通航控制工况条件下，汇流口横向流速值超标；在考虑航道需求和增设生态涵养区方案情况下航道通航效果良好，汇流口区域横向流速满足要求，最大横向流速分别为0.27 m/s和0.26 m/s，可作为优化方案。研究成果可为类似工程的优化治理提供参考。

关键词：支流；大落差；运河；通航水流条件；数值模拟

中图分类号：U617.2   文献标识码：A

0 引言

“十四五”以来，我国内河航运进入高速发展期，在航道纵断面设计时，应考虑在最低通航水位下使各个梯级的航道能够充分衔接，达到设计通航标准。特别是当较大落差的支流汇入主航道时，由于大落差的存在使得水流冲刷力强，对干流航道造成影响，因此需采取相应的治理措施［1］。治理此类问题不仅可以保证航道的通畅，还可以防止因落差过大引发的洪水、塌方等自然灾害，对于保护人民生命财产安全具有重大意义。

目前，针对上述问题的研究方法主要有物理模型试验和CFD数值模拟技术［2］。物理模型试验中存在工作量大［3］、试验周期长，试验成本高、流场内部流态分析困难、难以满足工程需求等缺点，随着计算机技术的发展，数值模拟方法的快速发展弥补了物理模型试验的诸多不足。沈立群等［4］以汉江碾盘山水电枢纽通航水流条件为例，建立枢纽工程区域物理模型，提出延长隔流堤来满足航道通航水流条件要求的引航道优化方案。王铁力等［5］结合淮柴闸枢纽工程设计，基于CFD数值模拟技术建立水流三维数学模型，分析了该枢纽水流流动特性，得出满足通航安全的允许流速。张辉等［6］利用率定后的数学模型对引江济淮工程韩桥跌水工程通航水流条件进行综合评价，并提出满足江淮沟通段临河建筑物支流洪水入渠控制条件的优化方案。东培华等［7］通过建立平面二维水流数学模型，计算分析不同代表流量条件下尹公洲水道内水动力特征，为尹公洲水道通航能力提升研究提供技术支撑。邵雨辰等［8］运用MIKE水动力模块建立数值模型，对芜申运河三里埂提出相应的工程措施，使航道内水流条件满足设计要求。虽然诸多学者对航道通航水流条件进行了研究，并提出了许多改善衔接段通航水流条件的举措，却罕有大落差支流入汇运河治理优化的数值模拟研究。

平陆运河工程作为西部陆海新通道的重要组成和新开辟的江海联运战略大通道，支流汇入口河段航道的正常通航是整个工程功能效益能否正常发挥的重要保障。而平陆运河梯级枢纽基坑开挖尺度大，运河河底与沿线支流口的河床高差一般达5～10 m。因此，支流汇入口布置对干流航道的影响是保障运河正常通航亟待研究的重要问题。根据《运河通航标准》（JTS 180-2-2011）6.2.3节规定［9］，支流汇入口对应的运河航道内横向流速应≤0.3 m/s。为保证人工运河工程的通航安全，需对支流口衔接方式进行合理布置，并对支流口的通航水流条件进行分析评价，提出支流口治理的推荐方案。

本文以平陆运河典型支流沙埠江为例，对原方案通航水流条件进行数值模拟。采用基于VOF法［10］的RNG k-ε（湍流动能-湍流动能耗散率）［11］双方程紊流数学模型，对考虑航道需求下的沙埠江支流汇入口通航水流条件进行数值模拟，并提出增设生态涵养区且满足沙埠江支流汇入运河控制条件的优化方案，可为类似的大落差运河工程的设计及安全运行提供技术支撑，具有重要的理论价值与工程应用现实意义。

1 典型支流概况

平陆运河工程涉及水系众多，主要有郁江支流沙坪河、钦江流域及其支流沙埠江、旧州江等，全长约140 km。沙埠江支流原本是钦江左岸的一条支流，平陆运河修建后，原沙埠江支流先汇入钦江，再由钦江汇入运河，沙埠江流域内包含广平河、杨屋河、钦江及运河水流的相互运动，入汇关系比较复杂。沙埠江支流口河段枯水河宽在3～4 m，流量为2.0～3.0 m3/s，一般洪水河宽可达5～10 m，原钦江河床与运河河底的高差约为9.3 m。

2 模拟计算结果与分析

2.1 原方案

2.1.1 原方案布置

为减少运河修建后广平河支流对运河通航水流条件的影响，对支流汇入运河口段（即原钦江汇入运河）进行了衔接布置。现状情况下，由沙埠江至钦江汇入运河口段河床底高程约为11.0 m，在河口段进行放坡衔接，即由原钦江河底11.0 m放坡至运河河底1.7 m高程，放坡长度约为424 m，宽度约为30 m；放坡后，距离河口距离约261 m。

2.1.2 计算工况及相关参数

根据平陆运河干流与支流入汇关系分析，从最不利角度出发，模拟计算工况选取沙埠江支流20年一遇洪水流量遭遇运河干流5年一遇的流量组合，其中支流流量Q=471 m3/s，尾水位为14.41 m，干流底高程为1.7 m。糙率取值0.025。

鉴于该研究河段内钦江与运河有多次交叉，原钦江被截弯取直，保留了多个截弯取直河段，水流流动、往复运动非常复杂，且各支流与运河衔接的坡度相对较缓，因此采用二维数学模型进行模拟求解。由于各支流、钦江与运河呈绳套关系，为保证进出口河段平顺、单一且没有汇流干扰等影响，模型选取了较大范围进行模拟。在整个模拟范围内，运河干流长约9.1 km，原钦江长度约为16.5 km。其中，支流青塘河模拟计算范围长约1.5 km，沙埠江计算范围长约1.8 km，陈屋河计算范围长约0.55 km，杨屋河计算范围长约0.63 km，广平河计算范围长约1.5 km。为保证计算精度，模型网格尺度为15.0～20.0 m，总体网格数量约210 000个。

2.1.3 航道内横流计算结果

原方案模拟得到的运河航道内的横流云图如图1所示。由图1可知，对于模拟范围内的支流口，≤0.3 m/s横流标准的支流口包括旧村河、陈屋河和杨屋河；横流＞0.3 m/s的支流口包括青塘河、沙埠江和广平河。沙埠江超标横流范围相对较大，约为30.0 m×16.0 m（长×宽），沙埠江支流口附近运河干流航道内的横流在0～0.38 m/s，最大横流约0.38 m/s，＞0.3 m/s的横流限值。因此沙埠江支流汇入后，运河航道的通航水流条件不满足要求。

2.2 考虑航道需求方案

2.2.1 考虑航道需求方案布置

分析沙埠江与钦江关系，原沙埠江汇入钦江故道后可能从右汊过流，右汊处于主汊位置，水流自右汊流入钦江后，从钦江汇入运河的角度更大，对运河的顶冲作用更为突出，可能会引起水流条件的恶化。因此，方案布置时将右汊进行堵塞，从最不利情况出发，使沙埠江从左汊汇入钦江后一并进行消能处理。

考虑航道需求，从原放坡点至支流河口266.8 m，原泥面12.0 m放坡至运河的底高程1.7 m，坡度为1∶4，长度约为51.2 m，宽度为30 m。其后，开挖消力池进行消能，开挖深度为2.5 m，开挖高程至-0.8 m，长度为80.0 m，再按照坡度1∶4放坡至运河底高程1.7 m，长度约为10 m。消力池建成后与运河相接，保持1.7 m河底高程衔接至支流汇入口，长度约为368.8 m。

2.2.2 三维模拟相关参数

根据干支流交汇关系，进出口尽量选取在单一的平顺段。在模型模拟范围内运河河段长约1.53 km，其中支流口上游段长约790 m，下游段长约740 m。整个计算区域采用六面体结构化网格进行划分。由于模拟范围较大，为尽量捕捉到流动细节，将网格总数设置为约413万。按流动区域类型，分为3个网格块进行模拟。在沙埠江支流口消能河段采用的X、Y方向上网格尺度为1.0 m，Z方向上网格尺度为0.5 m；在其他两个网格块中，X、Y方向上网格尺度为2.0 m，Z方向上网格尺度为1.0 m，最大相邻网格变化比为2.0。

2.2.3 航道内横流计算结果

根据模拟计算分析，运河干流航道的主流绝大部分沿运河下游方向流动，在支流汇入口附近有一定的局部回流。根据模拟计算，运河干流的水深变化在11.0～12.50 m，支流进口水深约3.5 m，运河航道内平均流速一般在1.0～2.10 m/s，支流进口局部流速约2.3 m/s，运河干流航道内地横流一般在0～0.27 m/s，运河干流航道最大流速约1.82 m/s，没有超过0.3 m/s的横流限值（表1），因此通航水流条件满足要求。

2.3 增设生态涵养区方案

2.3.1 生态涵养区方案的布置

为同时兼顾通航水流条件、鱼类栖息及生态涵养预留功能，在航道需求方案基础上增设生态涵养区。生态涵养区方案为：从原沙埠江支流到运河之间增设约515 m长的生态涵养区，在生态涵养区砌筑7个抛石筑坝（坝顶宽3 m、高1 m、侧向坡比1∶2），接着从原泥面12.0 m放坡至运河的底高程-0.8 m，坡度为1∶4，长度约为51.2 m，宽度为30 m。其后，开挖消力池进行消能，开挖深度为2.5 m，开挖高程至-0.8 m，长度为80.0 m；再按照坡度1∶4恢复至运河底高程1.7 m，长度约为10 m。消力池建成后与运河相接，保持1.7 m河底高程衔接至支流汇入口，长度约369 m。生态涵养区方案的计算区域选取、网格划分、边界条件和初始条件与考虑航道需求方案均相同。

2.3.2 航道内横流计算结果

根据模拟计算分析，运河干流航道的主流绝大部分沿运河下游方向流动，在支流汇入口附近有一定局部回流。按增设生态涵养区方案模拟，运河干流的水深变化在11.0～12.50 m，支流进口水深约3.6 m，运河航道内平均流速一般在1.0～2.10 m/s，支流进口局部流速约2.3 m/s，运河干流航道内横流一般在0～0.26 m/s，没有超过0.3 m/s的横流限值。运河干流航道最大纵向流速约1.87 m/s，最大横流约0.26 m/s（表1）。因此，增设生态涵养区方案情况下航道通航水流条件满足要求。

3 结语

（1）基于平面二维水动力学数学模型对典型大落差支流入汇干流进行了模拟计算，结果表明原方案情况下运河航道内最大流速约2.55 m/s，最大横流约0.38 m/s，超标横流范围约10.0 m×5.0 m（长×宽）。

（2）根据原布置方案流速分布以及水流特性，对原设计方案进行调整优化。采用三维水动力数学模型对支流口优化方案开展了较为精细的模拟计算，结果表明，运河航道内最大流速约1.82 m/s，最大横流约0.27 m/s，没有超过0.3 m/s的横流限值。

（3）为同时兼顾通航水流条件、鱼类栖息及生态涵养预留功能，在原航道需求方案上增设生态涵养区模拟，得出运河干流航道最大纵向流速约1.87 m/s，最大横流约0.26 m/s。因此，在考虑航道需求方案和增设生态涵养区方案情况下航道通航水流条件均满足要求。本研究可为类似的大落差支流入汇运河工程的优化布置及治理提供参考和借鉴。

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作者简介：黄毓斌（1986—），工程师，主要从事水运工程建设方面的工作。