青草沙水库下游水闸加大排水能力工程措施研究.pdf

第 4 4卷 第 2 1期 2 0 1 3年 1 1月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 44 No 21 NO V ， 2 01 3 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 3 ) 2 1 0 0 4 30 5 青草沙水库下游水闸加大排水能力工程措施研究 谈 祥 ， 谢 东， 谢 慧 娇 ( 上 海友为工程设计 有限公司 ， 上海 2 0 0 3 3 3 ) 摘要 ： 通过增加 青草沙水库下 游水 闸的 闸门开度 ， 加大其 下泄流量 ， 以达到 缩短青草 沙水库的换 水周期 ， 防止 水质 恶化的 目的。结合 采用海漫始端 筑堰 壅水、 海漫段 加糙 和扩 大外河 防冲槽 外滩面保 护范 围 3种 工程措 施 ， 以满足 下游水闸下泄流量加 大后 ， 对 消能防冲设施的新要求 。运 用水力学、 F L U E N T数值模拟和 S M S数值 模拟 方法 ， 对拟 采取 的工程措施进行 了详细的计算分 析。结果表 明 ： 采取 工程措施后 ， 水库换水 时间缩短 ， 水 动力增加 ， 可有效保持水库水质 。 关键词 ： 消能防冲 ；海漫加糙 ； F L U E N T数值模拟 ；S MS数值模拟 ；青草沙水库 中图法分类号 ： T V 6 6 文献标志码 ：A 上海市青草沙水库位于长江 口的长兴 岛北侧 ， 为 蓄淡避咸水库 ， 非咸潮期引水入库供水 ， 咸潮期通过预 蓄水 量 来满 足上 海 市饮 用水 的原水 供应 。青 草 沙水 库 为大( 二 ) 型水库 ， 库容约 4 8 2亿 m ， 由水库 围堤、 上 游取 水 泵 闸 、 下游 水 闸 和输 水 泵 闸 等工 程 组 成 。下 游 水闸是青草沙 水库 主要排水 口门， 闸孔 总净 宽为 2 0 m， 分 3孔 ( 5 m +1 0 m + 5 m) ， 采取 底 流式 消能 。青 草 沙水库库容较大 ， 换水周期较长 ， 库 内水体 ( 特别是边 滩水体 ) 流速缓慢 ， 水体滞 留时间长。因此 ， 在夏季高 温季节 ， 库 内水质变化 快 ， 有 可能导致藻 类繁殖 的趋 势 。 根据对青草沙水库各 口门建筑物和现状运行情况 的分析 ， 若能适当增加下游水闸的排水流量 ， 将可加速 青草沙水库水体的流动 ， 缩短青草沙水库的换排水周 期 ， 是 防止水 质恶 化 的 有效 措 施 之 一 。青 草 沙 水 库 于 2 0 1 0年底建成 通水 ， 是上海 市特别 重要 的饮 用水 水 源 ， 任何拟采取的工程措施都必须首先确保水库安全 ， 并且不影响水库的正常运行 。笔者认为可通过改变下 游水闸的运行调度方式 ， 主要是增加 闸门开度 ， 在不改 变水 闸现有结构 的前提下 ， 增加下游水闸的排水能力 。 1 研究思路和工程措施拟定 下游水 闸外河侧为长江， 水 闸运行水位变幅大 ， 具 有低佛 氏数水跃 消 能特性 。通过 加大 闸 门开度增 加下 泄流 量后 ， 将产 生 一系列 的水 力学 问题 ， 主 要表 现在 以 下几方 面 。 ( 1 )闸下 水流 形成 远驱 式水 跃 ； ( 2 )跃首佛 氏数降低 ， 消能率减少 ， 使水面波动加 大 ； ( 3 )海漫 上水 流 可 能发 生 脱 流 ， 导 致 流 量 集 中 以 及水流流速增大， 对海漫和外滩面造成冲刷。 对 于 上述 可能 出 现 的 问题 ， 拟采 取 以下 3项 工 程 措施加 以解决 ： 海漫 始端筑 堰壅水 ； 海 漫段加 糙 ； 扩大外河防冲槽外滩面的保护范围。 分别采 用水力 学计 算方 法 、 F L U E N T数模 软件 、 S MS数模软件对上述 3项工程措施分析研究 。计算工 况 均采 取 消能控 制 工况 ， 具 体 如表 I 所示 。 表 1消 能控 制 工 况水 位 组 合 m 注： 高程 以上 海吴淞零 点为基准 ， 下 同。 现 状下 游水 闸在 消能控制 工况条 件下 ， 设 计单 宽 流 量为7 7 5 t n s ； 加大 下 泄流量 后 ， 拟将其 单宽 流量 提 高 到 1 5 m s ， 总 的 下泄 控 制 流 量 达 到 3 0 0 m。 s 。 收稿 日期 ： 2 0 1 30 82 5 作者简介： 谈 祥， 男， 高级工程师， 主要从事水利工程设计工作。E ma i l ： 1 3 9 1 6 0 0 2 8 4 3 1 3 9 e o m 4 4 。 熙 长 I 2 海漫始端筑堰壅水 基 于堰 顶水 头 与流 量 的关 系 ， 在 海 漫始 端 筑 堰 壅 水 ， 抬高池后水深 ， 使之大于跃后水深 ， 水跃 发生在消 力 池 内 ， 以达 到 消能 的 目的 ， 海 漫始 端筑 堰与 原有 的消 力池共 同构成综合式消力池。采用常规水力学计算方 法 ， 在 满足 消力 池形 成 稍 许 淹没 水 跃 的前 提 下 确 定堰 高 ， 同时验 证堰 后 的 水 流形 态 是 否 发 生 二 次跌 落 。计 算简 图如 图 l所示 。 图 1 综 合 式 消 力池 计 算 简 图 根据水力学试算结果 ， 对于给定的消能控制工况 ， 增大 单宽 流量 到 1 5 m s ， 在消 力池 末 端筑 高 度为 0 8 m 的梯形 堰 ， 可保证 消力 池 内形成 淹没 水跃 ， 且堰 后 为 淹 没 出流 。 现状 下 游水 闸长 江 侧 消 力池 尾 坎 为差 动 式 ， 坎 高 1 1 2 n 3 。考 虑在 原差 动式 尾坎 坎 问抛投 0 5 m高 梯形 块体 ， 仍然为差动式尾坎。根据文献 1 ， 差动式尾坎 的消能作用， 相 当于高度等于 1 2坎高 的整体式消力 坎 的消能作 用 。 因此 ， 抛 投梯 形块 体后 ， 此 差动式 尾 坎 相当于高度为 0 8 1 H I的整体式消力坎 ， 能够满 足要 求 。具体 工程 措施 见 图 2 ， 3 。 ff 2 5 素混凝土块体 ( 新增 ) 一 圈 消 L = ! ： ： r 现有差动式 齿坎 圈 L 20 00 i 图 2消 力池 尾 坎 平 面 布 置 ( 单 位 ： IT l m) 3 海漫段加糙 基 于水 流阻 力与 重力 的关 系 ， 在海 漫加糙 ， 可 以提 高海漫 床 面阻力 ， 水 流 为 克 服 阻力 需 要 消 耗 一定 的能 量 ， 当水流 所具 有 的能量 不 足以克 服水 流阻 力 时 ， 水面 就会 壅高 ， 水 面坡 降增 大 ， 以增 加水 流 重力 沿流 动方 向 的分量 。一 方 面抬高 水 面线促使 池 后水 深增 加 ，使 图 3 消 力 池 尾 坎 纵 剖 面 ( 单 位 ： ln I T 1 ) 之 大 于跃后 水深 ； 另 一 方 面 ， 加 速水 流扩 散 ， 调 整垂 线 流 速分 布 ， 减 少底 部水 流 冲刷力 。 该 工程 拟采 用异 形 块 体 对 海 漫 段 进行 加 糙 ， 并 利 用 F L U E N T数值 模 拟计算 加糙 后对 垂 线流 速分 布 的影 响， 从而为选择异形块 体的数量、 位置 进行 了量 化分 析 。F L U E N T软件是 现今 较 为成 熟 的计 算 流体 力 学 软 件包 ， 可 用来模 拟从 不 可 压 缩 到 高度 可 压 缩 范 围 内的 复杂 流动 。 3 1 基本理论 和计算 方法 ( 1 )控 制方 程 。在 三 维 直 角 坐标 系 中 ， 从严 格 描 述 湍流 瞬 时 量 的 N a v i e r S t o k e s方 程 出发 ， 经 过 雷 诺 分解 和平衡 ， 可 得到 微分方 程 组 。 连续 方程 ： 0 p + ：0 ( 1 ) a d 动量 方 程 ： + 一 fl _EP + 毒 ( 姜一 ) a a a ， a ， a ( 2) 式 中， 五 ， 分别代表流体 的平均流速和平均压力 ； 代 表 分 子粘性 系数 ；一p u u 是 由湍 流 脉动 引起 的 雷诺 应力 张量 。 ( 2 )湍 流模式 。该 项 目所研 究 三维 流场涉 及 复杂 的 湍流流 动 。有关 湍 流 的 数值 计 算 ， 目前 经 常 采 用 的 研究 方 法 主要 分 为 半 经 验 分 析 方 法 和 统 计 理 论 两 大 类。其中， 半经验分析方法着重于统计平均运动， 是当 前 工程 湍流计 算 中广 泛采 用 的基本方 法 。该 项 目是从 “ 平均 运 动 ”的角 度 来 研 究 湍 流 流 动 的 ， 即 可 得 出 式 ( 3)、 ( 4) 。 式( 3 ) 中 不是流体的物性参数 ， 而取决于流体 的流动状态， 它的确定需要借助于湍流模型。此次计 算采用标准 k一 8湍流模式 ， 该模式适用于高雷诺数完 全发 展湍 流流 动 。 一 O k p u j ： ( +丝 ) + 十 一 sy O x i l + ) j+ G k+GI,一P ” ( 3) 第 2 l 期 谈 祥， 等： 青草沙水库下游水 闸加大排水 能力工程措施研究 4 5 ： ( +丝 ) v -+ p + + C ( G + c G ) 一 c p ( 4 ) 式 中 ， =p C ； G 为 由于平 均 速 度梯 度 引起 的湍 动能 生成 项 。 ( 3 )壁面处理。在涉及该项 目的复杂流场的数值 模 拟 中 ， 因壁 面 附近 气流 边界 层 的复 杂性 ， 固体 壁 面及 其近壁区域的处理将对计算结果的准确性产生很大影 响。文中采用壁面函数方法 ， 即不求解粘性影响 的粘 性子 层 ， 而是 采 用壁 面 函数 来 连 接 近 壁 区 内 的粘 性 子 层和完全湍流发展区域。 定义 无 量纲 法 向距 离 ： Y = ； 壁 面无 量纲 切 向 y 速度 ： = U； 摩擦速度 ： ， = 詈 。 其 中 ，y 为 壁 面 法 向距 离 ， y为 分子 运动 粘性 ， u为平 行 于 壁 面 的切 向速 度 ， r 为 壁 面剪 切应 力 。 3 2几何模 型和 网格布置 此次研究推荐采 用四脚锥体对海漫进行加糙 ， 混 凝土 四脚 锥 体具 有 重 心 低 、 稳 定 性 强 、 自重 较 大 ， 多个 组合使用整体性好 、 相互钳制力强等特点 ； 特别是 由于 受水流冲击面小 、 用材少 、 透水率高 ， 因而具有较好消 能防 冲作 用 。 四脚 锥 体形 状尺 寸如 图 4所示 。其 排 列 形式 为 “ 一 ” 字 排 列 。 _ ： 些 - f 图 4 四脚锥体 尺寸 示意 ( 重量 为 1 t 个 ) 3 3 加糙块体对海漫 段流速场的影 响 为了分析异形块体海漫加糙 对水 流分布 的影 响， 此次研究按照异形块体布设位置 和排列顺序 的不 同， 初拟了 9种方案进行比较分析。 方案 1 ： 无加糙块体 ； 方案 2 ： 在距离海漫段入 口距 离 1 3 m处 ， 布置 1排四脚锥体 ； 方案 3 ： 在距离海漫段 入 口距 离 3 5 m处 ， 布 置 1排 四脚 锥 体 ； 方 案 4： 在 距 离 海漫段 入 口距离 5 7 m处 ， 布 置 1排 四脚 锥 体 ； 方案 5 ： 在距离 海 漫段 入 口距 离 1 3 m 和 3 5 IT I 处 ， 各 布置 1排 四脚锥体 ； 方案 6 ： 在距离海漫段人 口距离 1 3 m和 5 7 m处 ， 各布置 1排四脚锥体 ； 方案 7 ： 在距离海漫段入 口距离 3 5 i n和 5 7 II 1 处 ， 各布置 1排四脚锥体 ； 方案 8 ： 在距离海漫段入口距离 1 3 ， 3 5 ， 5 7 m处 ， 各布置 1排四 脚锥体 ； 方案 9 ： 在距离海漫段入 F I 距离 1 3 m处， 布置 2排交错排列的四脚锥体 ， 在 3 5， 5 7 n l 处 ， 各布置 1排 四脚 锥体 。 选取 顺水 流 向距离 海漫 起 始端 距 离 分别 为 7 ， 2 4， 4 6， 6 8 m和 7 8 m的 5个横断面进行计算分析 ， 其中 7 8 m为 防 冲槽 出 口处 的截 面 。水流 近底 流速过 大是 闸下 冲刷的一个原因 ， 因此常用垂直流速分布流态因子作 为防冲和消减剩余能量的一个判断因素。海漫段中心 纵截 面 (Y=5 m) 上不 同流 向位 置 垂线 速 度 的分 布如 图 5 9所 示 。图 中 为顺水 流 向坐标 ， l ， 为垂 直水 流 向坐标 ，z为离海漫底面的高度 ， 为水流速度。 Z m 图 5垂线 速度 ( 9种方 案。 下同 ) ( X = 7 m) 图 6 垂 线 速 度 (X =2 4 m) 3 4 F L U E N T数值模拟计算分析结论 通过 对 9种布 置方 案 的分析计 算 ， 得到 如下 结论 。 ( 1 )根据界面跟踪的数值模拟 ， 海漫段采用四脚 锥体加糙可使海漫段加糙块体前水位壅高， 有利于消 能 ， 海漫 段开 始部 分水 深增 加 了 2 5 3 5 。 ( 2 )在海漫段布置四脚锥体进行加糙时，虽然下 4 6 图 7垂 线 速 度 (X =4 6 m) 图 8垂 线 速 度 (X =6 8 m) 图 9垂 线 透 度 【X =7 8 m】 游 位置 横断 面 的平均 流 速 变 化 不 大 ， 但 可 调 整海 漫 下 游 流速 分 布 ， 降低 海 漫段 近底 流速 。计算 结 果显 示 ， 加 大泄 量后通 过 布置 四脚 锥 体 ， 可使 海 漫 段 近 底 流 速 降 低 5 0 。C t - ， 随着 四脚 锥 体 排 数 的 增 加 ， 水 流 紊 流 强度 平均 值增 大 ， 流体 质点 问相互 混 掺加 剧 ， 从 而使 消 能率 得 以提 高 。 ( 3 )随着块 体排 数 的 增加 ， 加 糙 体 对流 场 中流 速 的调整及消能率的提高不再敏感。根据经济技术 比较 结 果 ， 推荐 采用方 案 8 ， 即 在距 离 海 漫 段 入 口距 离 1 3 ， 3 5 l n和 5 7 m处各布置 1排 四脚锥体 ； 结合 在现状 消 力池 差动 式尾坎 坎 问 抛投 0 5 m 高 的梯 形块 体 ， 对 消 力池 及海 漫段 能够 达到 较好 的消 能防 冲效 果 。 4 扩大外河防冲槽 外滩面保护范围 水闸 下泄流 量加 大后 ， 虽 然 海 漫 段 增 加 厂消 能措 施 ， 但 外河 防冲槽 外滩 面仍 将 面临 冲 刷 范 围扩 大 的风 险 。此 次研究 采 用 S MS水 动 力 数 学模 型 软 件 分 析 计 算滩 面 冲刷扩 大 的具 体范 围 。 4 1 基本方程 连 续方 程 ： + + ：0 ( 5 1 Ot O x Oy 运 动方 程 ： + u + E ， ： cg t O x O y f t ， g 一 c + ， aU dU dU + 土 + f = Ot Ox 、 Oy f u 、一g t3 y一 +， v ( + ) 式 中 ， 、 Y为直 角坐 标 系坐 标 ； t 为 时 间变 量 ； h为 平 均 水深 ； 为相对 于平 均海 平面 的潮 位 ； U 、 U 为 、 Y 方 向 上的垂 线 平 均 速 度 ； p为 水 流 密 度 ； g为 重 力 加 速 度 ； 、 为 、 Y方 向 的水 平紊 动 粘性 系 数 ； l厂 为科 氏参 数 ( f=2 s i n 6， O 9 为地球 旋 转角 速度 ， 为纬度 ) ； 、 为 波流 共 同作用 下床 面剪 切应 力在 、 Y方 向 的分量 。 4 2数学模型 的建立 模 型 的计 算 范 围为 青 草 沙 水 库及 下 游 水 闸 ， 采 用 S MS软件建 立 青草 沙水 库 、 长 江 口南支 北 港 和南 港 的 数 学 模 型 ， 模 型 的 范 围 和 网格 见 图 l 0 ， 在 该 工程 区 域 网格 局部加 密 。模 型选 用长 江 口大潮 潮型 进行 水动 力 计 算 ， 边界 条件 由长江 口杭州 湾 大模 型提供 ； 模 型 的水 下地 形为 2 0 1 1年 5月 实测 水 下地 形 ； 模 型 的计算 参 数 与经 率定 验证 的 长江 口杭州 湾 大模 型一致 。 图 1 0模 型 网格 地 形 4 3 下游水 闸处的水动力分析 采 用 S MS模 型分 析下 游水 闸 闸下 泄 流 水 动 力 ， 计 算 输 入数 据为 上面 F L U E N T数模 软件计 算 得 出的 各断 面垂 线平 均 流 速 。工 程 区域 内 扩 大 排 水 流蹙 前 后 落 急 、 落憩 流速 分布 见 图 l 1 ， 1 2 。 一 鼍# l 一 - 。 静 耵 三 一 - i 鸯蛐 排 徘 排 排 排 排 排 排 一 嚣 l 一eI 一 尊 一 - 一 v l 一 i謇 一 - _f I 一 l 聱 一 ， L 川 。 。 译 鲁 一 - ， 主 一 奢 i 一 - i x #置 一 ， ， 。 ， 。，。 。 r 。； 量