繆 薇，徐 丹，王肇優(yōu)，冷若瑤

(江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

1 工程概況

江都西閘乃是江都水利樞紐工程的配套水工設施，具有過閘通流、防洪排澇以及配合江都三站水力發(fā)電的作用，建成運營年限接近60 a，正常運營期高潮位為5.5 m，100 a一遇高潮位為6.7 m，其上游乃是長江、芒稻河主干河道，控制長江行洪1.2萬m3/s，而芒稻河下游控制行洪為2296.0 m3/s。江都西閘設計上游洪水位7.08 m，最高擋流水位為7.36 m，水閘下游最大水位為4.00 m，設計最大引水流量為950 m3/s，其主要水工結(jié)構(gòu)包括閘身、翼墻以及閘門、上游消力池等；圖1(a)所示為江都西閘門研究模型，支臂剛度可達25 MPa，面板上可承受最大動水壓強為200 kPa，擋流、控流效果較好，在江都西閘多年運營期，閘門設施的運營安全率達100%，圖1(b)為閘門鋼梁支撐結(jié)構(gòu)平面示意，具有對稱式分布特征，鋼梁翼緣厚度為12 cm，肋間距為1.8 m，閘門支撐鋼梁截面體型參數(shù)均已通過對比優(yōu)化，結(jié)果表明閘門即使在最大過閘流量下，應力、位移也均能滿足設計要求。不僅如此，在長期水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的加持下，對江都西閘運營滲流場進行了多工況分析，包括了枯水期、豐水期等，豐水期最大流速可達3.5 m/s，水流含沙量不超過2.9 kg/m3，閘體內(nèi)流線、流態(tài)穩(wěn)定性較優(yōu)，無渦旋等沖擊流線。從江都西閘各部分結(jié)構(gòu)分析，閘身、閘門、翼墻等水工建筑均能夠在設計參數(shù)內(nèi)高效運營，但由于江都西閘控制著芒稻河、長江匯入?yún)^(qū)水流，當江都西閘進行泄流、過流或擋流時，河道庫區(qū)內(nèi)滲流場勢必會受之影響，因而，開展江都西閘運營期的河道內(nèi)滲流場分析很有必要。

圖1 閘門模型

2 建模設計

在簡化江都西閘部分附屬建筑的基礎上，僅針對主要建筑結(jié)構(gòu)進行計算分析，所建立的閘站樞紐結(jié)構(gòu)模型如圖2(a)所示，包括了控制廠房、上、下游導流墻以及閘墩、消力池等構(gòu)件，從左至右依次分布1#～5#閘門及支撐閘墩構(gòu)件。由于本文需探討水閘運營期上、下游河道庫內(nèi)滲流場變化，因而，建立起過閘水體獨立模型與三維模型的流體域，并區(qū)分出水流進、出口，如圖2(b)所示，該流體域包括了水流進、出口范圍各300 m。

圖2 計算模型

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格作為各單元獨立模型，如圖3分別為閘孔段、導流墻以及水體流域內(nèi)的網(wǎng)格模型，部分結(jié)構(gòu)區(qū)域進行了網(wǎng)格加密，最大網(wǎng)格尺寸為1.2 m，網(wǎng)格密度為0.85。在計算模型中，引入RNG湍流模型進行水體運動仿真求解，利用Fluent滲流模塊設定研究域內(nèi)的頂、底面分別為無約束邊界、流速交換邊界，兩側(cè)壁面為無滑移邊界條件，上、下游分別為水體流量、壓力進、出口?；诰W(wǎng)格無關性驗證，本文流體域內(nèi)網(wǎng)格總數(shù)為3 205 426個，節(jié)點數(shù)為2 864 728個。研究模型中，設定閘墩、廠房、導墻等均為C30材料，閘室下覆土層為砂土，厚度分布為3.2～4.5 m，域內(nèi)研究模型材料參數(shù)均通過室內(nèi)土工實測設定。

圖3 網(wǎng)格模型

為了準確分析江都西閘運營期的上、下游河道庫內(nèi)滲流場特征，采用改變閘門開度的方法，并按照相應開度工況設定上、下游水位，并設定過閘泄流量，表1為本文各開度運行工況下上、下游水位及過閘流量值?；诓煌_度運行工況下滲流場計算，探討上、下游河道庫內(nèi)及過閘水流滲流場變化。

表1 運行工況參數(shù)

3 庫區(qū)上、下游流場影響特征

3.1 上游流場特征

基于不同運營開度下上游河道庫區(qū)滲流場計算，獲得各水深處峰值流速變化特征，如圖4所示。分析圖4可知，運營開度愈大，則流速水平愈大，開度值與各水深流速均為正相關變化。開度1 m下，水深1 m處峰值流速為0.68 m/s，而同水深處的開度2 m、3 m、4 m時，相應峰值流速較之前者分別提高了97.6%、203.6%、210.5%。水深1 m處，隨開度每梯次遞增0.5 m，則峰值流速平均可提高16.9%。當水深增大至2 m、5 m后，開度1～4 m下峰值流速分布分別為1.46～3.88 m/s、3.20～6.10 m/s，較之水深1 m下分別提高了0.87～1.07倍、1.98～3.10倍，同時，在此兩水深位置處，隨開度梯次變化，峰值流速平均增幅分別為21.8%、24.5%。由此可知，水深愈大，則河道上游流速受運營開度影響愈顯著。另一方面，從開度與峰值流速變化關系可知，不論水深在何值，開度遞增，流速水平的增長均為先快后慢，在開度3 m后，流速增幅較緩。以水深3 m下為例，開度1～3 m時，峰值流速分布為2.45～4.66 m/s，隨開度梯次0.5 m變化，流速增長了26.4%，而在開度3～4 m下，峰值流速分布為4.66～4.89 m/s，增幅僅為2.2%。分析表明，運營開度對河道上游庫區(qū)流速影響具有強、弱差異，在開度超過3 m后，影響作用減弱。

圖4 上游河道流速與運營開度關系

圖5為河道庫區(qū)上游滲流場中不同水深處渦量分布特征。根據(jù)渦量分布可看出，水深增大，閘門上游導墻兩端流體碰撞面積增大，水體耗散勢能增長，渦量因而減少，愈靠近河床，渦量分布面愈低，紊流、渦旋等分布區(qū)域愈小。同時，當開度增大，河道上游控水、水體碰撞、挾流等現(xiàn)象增大，渦量分布值也顯著提高[1]。從渦量分布區(qū)考慮，開度遞增，渦量增長區(qū)集中于上游導墻排沙孔一側(cè)，而隨水深增長，渦量的減少主要在于閘孔上游口處。

圖5 各運營工況上游河道渦量分布特征(從左至右依次為水深1 m、2 m、5 m)

3.2 下游流場特征

同理，獲得了水閘下游河道庫區(qū)滲流場變化特征，圖6為下游河道各水深處流速變化特征。觀察圖6可看出，與上游河道流場峰值流速變化趨勢形成鮮明差異的是，隨開度增長，下游河道各水深處流速均為遞減變化，且也是在開度3 m后，流速降低減緩。在水深1 m時，開度1 m下峰值流速為3.04 m/s，而開度2.0 m、2.5 m時峰值流速較之前者分別減少了16.1%、23.6%，特別是在開度3～4 m下，峰值流速分布為1.95～1.98 m/s，降幅僅為1.5%。此現(xiàn)象與上游河道流速變化呈相反態(tài)勢。河道水深愈大，峰值流速愈高，此現(xiàn)象與上游河道一致，但下游河道水深對開度與峰值流速之間的變化關系影響較弱，水深2 m、4 m時，隨開度梯次0.5 m變化，峰值流速分別具有平均降幅6.6%、6.3%，與水深1 m下降幅基本接近，流速變幅趨勢具有相似性。分析可知，開度愈大，水閘下游河道各水深處流態(tài)、動水勢能表現(xiàn)具有一致性變化[2-3]。

圖6 下游河道流速與運營開度關系

圖7為河道下游各水深處渦量分布特征。從圖7可看出，渦量分布區(qū)集中于出水口及下游導墻前端，該區(qū)域內(nèi)聚集有較多不同體態(tài)流線，水流梯度差迥異，故而產(chǎn)生分布較廣的渦量。同時，水深增大，流線、流態(tài)的差異性會在較大動水壓強束縛下趨于一致性，減少了水流梯度差，因而渦量分布區(qū)減少。從開度遞增過程渦量對比可知，隨開度增長，水深1 m、3 m處下游導墻前端的分布區(qū)顯著增多，而水深6 m時，下游河道渦量分布區(qū)雖有擴大，但擴散方向集中于橫向閘墩區(qū)，即不同水深處，渦量分布區(qū)隨運營開度變化的擴散效應不同。

圖7 各運營工況下游河道渦量分布特征(從左至右依次為水深1 m、2 m、4 m)

4 過閘水流滲流場影響特征

前文分析的均為江都西閘上、下游河道庫內(nèi)滲流場變化，而閘室內(nèi)滲流變化同樣較為關鍵，如圖8所示為閘底板峰值流速與運營開度變化關系。從流速宏觀變化來看，開度增大，則流速水平量值提高，開度為1 m時，底板處峰值流速為2.3 m/s，開度1.5 m、2.5 m、4.0 m時，相應峰值流速較之前者分別提高了4.7%、15.3%、21.2%，隨開度梯次1 m遞增，閘底板峰值流速平均可提高0.08 m/s，增幅為3.3%。相比河道上、下游水深3 m處的流速增幅，閘室底板處流速變幅弱于前者，此與閘室內(nèi)控流、限流作用較強，避免動水勢能對閘身沖蝕作用。

圖8 過閘流速與運營開度關系

圖9為不同運營開度工況下閘下水流渦量分布特征。由圖中渦量分布區(qū)可知，最大渦量集中于閘后底緣下端，并逐步擴散至下游段水流。隨開度增大，渦量分布范圍擴散，但最大渦量值實質(zhì)上減少，如開度1 m時最大渦量為9.1 s-1，而開度2 m、4 m時最大渦量分別為7.3 s-1、5.2 s-1。分析認為，閘門運行開度增大，閘室底緣處水流碰撞加大，影響滲流區(qū)域擴大，更多區(qū)域具有渦流、紊流等流態(tài)[4]，但與之同時水體之間擠壓會造成動水勢能耗散也增多，故而渦量值減少，但渦量分布區(qū)增大。

圖9 各運營工況閘室渦量分布特征

5 結(jié) 論

(1)運營開度與上游河道流速呈正相關變化，但流速的增長在開度3 m后減緩；隨水深增大，流速水平提高，同時水深愈大，上游河道流速受運營開度影響愈顯著；開度增大，渦量分布愈廣，但水深增大，渦位于閘孔上游口的渦量集中區(qū)會減少。

(2)開度增大，下游河道流速降低，且在開度3 m后降幅減少，水深2 m、4 m時，隨開度梯次0.5 m變化，峰值流速分別具有平均降幅6.6%、6.3%，各水深處流速隨開度變化具有相似性；開度增大，下游河道渦量分布區(qū)會增長，但主要在橫向擴散，水深愈大，渦量分布區(qū)愈少。

(3)閘底板峰值流速與運營開度為正相關變化，每開度1 m增長，流速平均提高了3.3%，開度對過閘流速影響不及上、下游河道；開度增大，過閘水流渦量分布區(qū)擴大，但渦量值受動水勢能耗散影響而降低。