曹娥江上浦船闸工程临时围堰平面二维水流数值模拟.pdf

11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8曹娥江上浦船闸工程临时围堰平面二维水流数值模拟 车建波1 姚军波2 1.绍兴虞水工程设计有限公司；2.绍兴市上虞区水利工程管理所 摘 要：曹娥江上浦船闸工程位于浙江省绍兴市上虞区境内，为上虞与嵊州交界至大厍船闸曹娥江航段，船闸的施工需新建临时围堰设施，工程施工需在汛期开展，围堰占用部分水域面积，将引起局部河段的水位、流速变化，为此建立平面二维水流动力数学模型分析围堰在不同洪水频率下产生的影响，为工程的顺利实施提供科学依据。关键词：曹娥江；MIKE 21模型；临时围堰1.工程概述曹娥江上浦船闸工程位于曹娥江中下游的平原地带，拟建上浦船闸所在区域为江心沙洲区域，其中船闸施工时需设置临时围堰，围堰垂直水流方向堰顶最大间距为174m，顺水流方向堰顶最大间距为406m，围堰采用两级平台结构，一级平台顶标高10.6m，二级平台顶标高6.60m，顶部宽度6m，迎水面坡比为1:2.0，背水面坡比为1:1.80。迎水坡护坡采用模袋混凝土及干砌块石护坡，背水面为袋装土，围堰体填筑为回填土，中间布置混凝土防渗墙，防渗墙进入不透水层1.5m。2.二维水流数学模型及验证计算2.1二维非恒定流水动力模块的原理曹娥江江道相对较为宽浅，根据涉水建筑物情况，考虑资料条件和河道特性，采用平面二维MIKE21FM模型。采用雷诺平均应力方程。h=+d (1)描述平面二维水流连续方程为：(2)描述平面二维水流的动量方程为：(3)(4)(5)式中：为基于水 深 平均的流速；t为时间；x，y和z为笛卡尔坐标；为河底高程；d为静水水深；h=+d为总水头；u、为x、y方向的速度分量；g为重力加速度；为水的密度；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力的分量；Pa为大气压强；0为水的相对密度；S为点源流量大小；us、vs为源汇项水流的流速。侧向应力项Tij其值由基于水深平均的流速梯度的粘性涡粘性公式估算。(6)2.2计算区域及概化计算范围设置为：上边界设置在东沙埠（距离上浦闸约20km），下边界设置在桑盆殿水文站上游（位于上浦闸下游25km左右）模型范围。模型选择非结构化网格，对于船闸的处理，根据船闸各建筑物的高程，通过修改船闸所在网格的地形直接模拟。对于桥墩的处理，根据各桥墩的有效阻水宽度进行了概化，并将各桥墩剖分至模型网格中，模型通过识别网格属性使其参与或不参与模型计算。对于施工围堰的模拟，利用软件中增加建筑物功能直接在相应位置建立围堰进行模拟。上浦闸闸墩区域网格进行了局部加密处理最小网格为1.5m2，网格单元总数为49493。模型概化区域包括了两岸堤防之间河槽之外的滩地，模型边界为两岸堤防岸线，并对曹娥江主槽和边滩进行了细密的概化，河床地形采用高密度实测数据（测量断面间距小于50m），河床地形资料基本反映工程附近河段的地形变化，满足模型计算精度。2.3阻力系数阻力系数可用曼宁公式确定：式中：R为水力半径，对于宽浅珠江水运 2023 16311mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8修建围堰后十年一遇计算洪水位变化如图4所示，上浦闸下游最大壅高为0.01m，上浦闸上游1500m范围内壅高0.0250.035m，最大壅高值为0.035m，位于围堰前端，上浦闸上游1500m范围以外雍高小于0.03m。十年一遇洪水工况下从图中可看出闸上水位均高于11.2m，施工围堰顶高程10.6m，此工况下围堰已淹没。3）二十年一遇洪水位。修 建 围 堰 后二十 年一 遇计 算洪水位变化如图5所示，上浦闸下游最大壅高为0.01m，上浦闸上游1500m范围内壅高0.030.055m，最大壅高值为0.055m，位于围堰前端，上浦闸上游1500m范围以外雍高小于0.045m。从图中可看出二十年一遇洪水工况下闸上水位均高于12.30m，施工围堰顶高程10.6m，此工况下围堰已淹没。3.2流速分析计算1）五年一遇洪水位流 速 影响分析。施工期五年一遇洪水对于流速 的影 响，主要 在 上浦 枢 纽 上游1km下游800m范围内围堰左侧流速减小，围堰右侧流速增大，围堰前河道可用水深替代；n为糙率系数，取0.030.06。2.4边界及研究工况考虑到周边涉水工程两岸堤防的防洪标准为20年一遇防洪标准，本次研究对施工期围堰进行5、10、20年一遇洪水进行分析研究。数模上边界流量采用 曹娥江流域综合规划修编（2015-2030年）中东沙埠现状条件的洪水流量数据，下边界受曹娥江大闸控制，因此选择常水位3.9m。计算工况见表1。3.水流分析计算3.1雍水分析计算主围堰各工况计算成果如下：1）五年一遇洪水位。修 建 围 堰 后五年 一 遇 计 算 洪水位变化如图3所示，上浦闸下游800m范围内壅高0.020.03m，上 浦 闸 上 游 1 5 0 0 m 范 围 内 壅 高0.0 3 0.0 5 5 m，最 大 壅 高 值 为0.055m，位于围堰前端，上浦闸上游1500m范围以外雍高小于0.045m。2）十年一遇洪水位。图1 模型范围频率20%10%5%2%1%代表点水位(m)流量(m3/s)水位(m)流量(m3/s)水位(m)流量(m3/s)水位(m)流量(m3/s)水位(m)流量(m3/s)东沙埠10.71321012.41471313.13598913.7706713.997630上浦闸上10.1352511.7512812.25588312.58697912.877597桑盆殿5.7433686.5951006.8956757.0157547.086076表1 现状工况曹娥江沿程洪水位工况组合洪水重现期船闸围堰工况一5年/工况二5年工况三10年/工况四10年工况五20年/工况六20年表2 计算洪水工况组合a.修建施工围堰 b.现状图2 修建围堰后五年一遇洪水位对比图a.修建施工围堰 b.现状图3 修建围堰后十年一遇洪水位对比图4学术ACADEMIC11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8大壅高值为0.055m，位于围堰前端，上浦闸上游1500m范围以外雍高小于0.045m。五年一遇洪水对于流速的影响主要在上浦枢纽上游1km下游800m范围内围堰左侧流速减小，围堰右侧流速增大，围堰前沿及下游掩护区流速减小，江心滩地区域流速增加幅度在0.050.2m/s范围，河道右侧的漫水闸流速平均增加0.2m/s。十年一遇洪水位及二十年一遇洪水位围堰处于淹没状态。沿及下游掩护区流速减小，江心滩地区域流速增加幅度在0.050.2m/s范围，河道右侧的漫水闸流速平均增加0.2m/s。2）十年一遇洪水位流速影响分析。施工期十年一遇洪水对于流速的影响，主要在上浦枢纽上游1km下游800m范围内围堰左侧流速减小。围堰右侧流速增大，围堰前沿及下游掩护区流速减小，江心滩地区域流速增加幅度在0.010.25m/s范围，河道右侧的漫水闸流速平均增加0.25m/s。3）二十 年一遇洪水位 流 速 影响分析。施工期二十年一遇洪水对于流速的影响，主要在上浦枢纽上游1km下游800m范围内围堰左侧流速减小。围堰右侧流速增大，围堰前沿及下游掩护区流速减小显著-0.3-0.6m/s，江心滩地区域流速增加幅度在0.010.3m/s范围，河道 右侧的漫 水闸流 速平均增加0.3m/s。4.结论主围堰在遭遇五年一遇、十年一遇、二十年一遇洪水时六种工况条件下，可以得到如下结论：修建围堰后五年一遇计算洪水位变化主要为上浦闸下游800m范围内壅高0.020.03m，上浦闸上游1500m范围内壅高0.030.055m，最参考文献：1陈飞,应晓丽 绍兴平原河网模型研究与应用J.浙江水利水电学院学报，2016(05):43-47.2朱京德,陆洪亚,孙传文.二维水动力模型在多座桥梁行洪影响分析中的应用J.水资源开发与管理，2021(05):10-16.3王涛,郭新蕾,李甲振，等.河道糙率和桥墩壅水对宽浅河道行洪能力影响的研究J.水利学报,2019(02):175-183.4李大鸣,林毅,徐亚男,等.河道、滞洪区洪水演进数学模型J.天津大学学报,2009(01):47-55.5任梅芳,徐宗学,苏广新.基于二维水动力模型与经验公式的桥梁壅水计算及其对比分析J.水力发电学报,2017(05):78-87.a.修建施工围堰 b.现状图4 修建围堰后二十年一遇洪水位对比图图5 五年一遇洪水建围堰后与现状流速差值（m/s）图6 十年一遇洪水建围堰后与现状流速差值（m/s）图7 二十年一遇洪水建围堰后与现状流速差值（m/s）珠江水运 2023 165