吴淞江泄洪对京杭运河通航影响的数值分析_夏熙.pdf

理论研究水利技术监督2023 年第 2 期DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.054吴淞江泄洪对京杭运河通航影响的数值分析夏熙，朱林，于建忠，沙鹏(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215000)摘要:吴淞江与京杭运河呈敞口“X”字型交汇，且运河东、西两侧未完全“对口”相接。为分析吴淞江泄洪期间对京杭运河航运的影响，基于 Mike21 建立吴淞江与京杭运河交汇区二维水动力学模型，根据 4 种最不利水位 流量组合，模拟研究交汇区域通航水流条件及其改善措施，为工程设计提供参考依据。研究结果表明:当交汇区西侧设置喇叭口及整流墩时，不仅增大水流扩散范围，同时让吴淞江主流向南北两侧水域扩散，有效降低了交汇区横向流速，满足运河通航要求。关键词:泄洪流量;通航影响;横向流速;二维水动力学中图分类号:TV131文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0215-03收稿日期:2022-08-15基金项目:江苏省水利科技项目(2020008)作者简介:夏熙(1992 年)，男，工程师。E-mail:670036063 京杭运河作为承载太湖流域腹地水量交换的骨干行水通道，不仅是江苏省“两纵四横”干线航道网中的主干航道，也是全国水运主通道的重要组成部分，素有“黄金水道”之称。近年来随着现代水运事业的快速发展，运河各类船舶的载重规模及数量呈逐年上升趋势，汛期泄洪对运河通航安全影响分析的必要性日益凸显1。目前吴淞江在瓜泾口枢纽下游约 1.8km 处与京杭运河呈敞口近“X”字型交汇，且运河东、西两侧未完全“对口”相接，如图1 所示。在瓜泾口枢纽规划最大泄洪流量 410m3/s 的情况下，河道行洪水流导致京杭运河横流流速不满足运河通航标准6.2.3 条“运河口中取、泄水口和其它汇流口的水域，航道横向流速不应超过 0.3m/s，回流流速不超过 0.4m/s”的要求，使运河行驶船舶偏离航道，对船舶航行安全构成一定的威胁。考虑到横流强度主要与夹角和流速大小相关，但受现场建筑物限制，京杭运河与行洪水流的夹角基本上没有大幅调整的条件，因此需要局部优化交汇区河线布置或设置整流措施以确保运河横向流速满足规范要求。为保障吴淞江泄洪期间京杭运河船舶通行安全，本文采用二维数学模型模拟计算不同运行工况下的交汇区水流条件，并根据计算结果提出有效的工程措施2-4。1工程概况吴淞江(江苏段)整治工程5 位于太湖流域阳图 1吴淞江与京杭运河交汇区现状示意图澄淀泖区，自江苏境内东太湖瓜泾口，由西向东，穿京杭运河，充分利用吴淞江现有河道疏(拓)浚至苏沪交界，并与上海段河道相接，河道整治全长61.7km(其中苏沪交界段 5.28km)。作为流域防洪治理的骨干工程，规划恢复吴淞江行洪通道，不仅能够促进长三角地区基础设施互联互通，同时可进一步完善太湖流域防洪工程体系，增加太湖洪水外排出路，提高流域东出黄浦江能力和工程沿线区域防洪除涝能力，并兼顾增强水资源配置、改善水环境和航运等综合效益，更加有力支撑保障了长三角一体化的高质量发展。5122023 年第 2 期水利技术监督理论研究2计算模型为了分析吴淞江与京杭运河交汇区的通航水流条件，针对工程所在河道形状及水流特征，采用丹麦水力研究所(简称 DHI)开发的 Mike21 水动力学软件，沿水深平均的平面二维水流数学模型对交汇区的水流条件进行分析计算6-8。2.1基本方程在实际水流运动中，各水力要素不仅有沿程和垂直方向水深的变化，同时又有横向河宽的变化，一般属于三维水流运动。对于在天然河流中水平运动尺度远大于垂直尺度的情况，水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化要远小于沿水平方向的变化，从而将三维流动的控制方程沿水深积分，并取水深平均可得平面二维水流数学模型，其基本方程分别 为 水 流 连 续 方 程 和 x、y 方 向 水 平 动 量方程9-10。2.2网格划分如图 2 所示，数学模型根据河线布置及非恒定流影响范围，并考虑计算所需上下游长度，选取的计算范围为吴淞江与京杭运河交汇区上下游河道。采用三角形网格对模型区域进行划分，模型网格区域最大面积为 50m2，对靠近桥墩等流态较为复杂区域网格进行了加密，网格区域最大面积为 5m2。图 2吴淞江与京杭运河交汇区计算网格划分图2.3边界条件上游采用流量边界条件，下游采用水位边界条件。固定边界采用可滑动边界条件，即Un=0(U为边界水流合速度，n 为固定边界法向单位向量)，对于两岸，按动边界处理。2.4参数选取根据地形资料，通过分析相关研究成果，河道糙率取 0.025，计算时间步长取 5s。涡黏系数一般取 0.25 1.00，本次计算取 0.50。同时为保证模型计算的连续性，采用“干湿判别”来确定计算区域，当水深小于 0.05m 时，标记为“干”，不参加计算;水深大于 0.1m 时，标记为“湿”，参加计算11。3计算工况交汇区的水流条件同时受吴淞江及京杭运河泄洪流量的影响，水流条件较为复杂，工况设计选用工程所在区域最不利降雨典型条件时可能出现的各种不利水位流量组合逐一进行计算分析。根据太湖流域一维河网模型计算结果12，选用 4 组典型不利计算工况如下:工况 1 为“吴淞江最大流量时、此时相应交汇区水位最低”工况，即瓜泾口枢纽泄洪流量达到设计流量 410m3/s 时，交汇区水位为可能出现的最低水位 3.8m，此时京杭运河对应的流量为 50m3/s。工况 2 为“吴淞江最大流量、此时相应运河流量最大”工况，即瓜泾口枢纽泄洪流量达到设计流量 410m3/s 时，京杭运河为可能出现的最大流量80m3/s，此时交汇区对应水位为 4.1m。表 1不同工况计算参数表工况边界位置边界类型取值工况 1W流量/(m3/s)410N流量/(m3/s)50E水位/m3.8S水位/m3.8工况 2W流量/(m3/s)410N流量/(m3/s)80E水位/m4.1S水位/m4.1工况 3W流量(m3/s)410N流量/(m3/s)40E水位/m4.13S水位/m4.13工况 4W流量(m3/s)230N流量/(m3/s)190E水位/m4.3S水位/m4.3注:W 为西侧边界，N 北侧边界，E 为东侧边界，S 为南侧边界工况 3 为“吴淞江最大流量、交汇区以北运河倒流流量最大”工况，即瓜泾口枢纽泄洪流量达到612理论研究水利技术监督2023 年第 2 期设计流量 410m3/s 时，此时交汇区以北京杭运河小范围出现自南向北倒流，流量最大为 40m3/s。工况4 为“吴淞江、运河流量同时相对较大”工况，由于京杭运河与瓜泾口枢纽错峰泄洪，两者泄洪流量不会同时达到最大值，但在两股水流共同作用下，存在交汇区水流流速较大的情况，此时吴淞江和京杭运河泄洪流量分别为230m3/s 及190m3/s。4数值分析4.1无整流墩时交汇区流态按照“降低交汇区水流流速且减少征地拆迁”为原则，确定交汇区河线方案采用流线型布置，保证河道拓浚宽度与水流扩散宽度基本一致，即拓宽尺度在最大限度增大过水断面面积、降低水流流速的同时，尽可能减少征地和降低投资。同时考虑吴淞江泄洪期间水流流态及运河东西两侧未“对口”相接的实际情况，整体利用北侧岸线，向南侧偏移拓浚，形成喇叭口，以引导行洪水流主体向东行泄至运河以东吴淞江，如图 3 所示。图 3吴淞江与京杭运河交汇区河线布置示意图本小节在工况 1 的基础上，分析吴淞江泄洪对京杭运河航运的影响。计算结果表明，随着河道向南拓宽，吴淞江与京杭运河交汇区横流强度逐渐降低，但拓宽到 250m 后除运河航宽水域边缘局部横向流速仍超过 0.3m/s 不能满足规范要求外，其余均满足要求。同时在扩散角一定的前提下，河道起始拓宽位置上移对横流改善有利，但将引起更大的征迁。由图 4 可知在河道起始拓宽位置不大幅上移的前提下，若进一步拉大交汇区河道喇叭口间距，交汇区水流形态基本上不会发生明显变化，相应河道中心主流流速也无法明显降低，难于达到改善交汇区的通航水流条件的目的。此外，受征地拆迁限制，交汇区河道拓宽尺度及范围也不具备大幅扩大的条件。图 4吴淞江与京杭运河交汇区流场及横流分布图 14.2有整流墩时交汇区流态局部横流超标位置处于河道主流中心位置如图4所示，主要是由于河道主流流速较大，因此在不增加河道拓宽尺度及范围的情况下，需进一步采取整流措施，以降低河道主流流速。同时考虑到吴淞江运河以西段为等外级航道，故在不影响该段通航的前提下，多方案调整、试算，在交汇区西侧河道中心桥墩下设整流墩，促使水流进入交汇区水域前将主流分流，降低主流流速，从而减轻对京杭运河的航运影响。由图5可知，增设整流墩后，吴淞江运河以西图 5吴淞江与京杭运河交汇区流场及横流分布图 2(增设整流墩)(下转第 271 页)712工程实践水利技术监督2023 年第 2 期期站身抽引孔沉降基本稳定后再对自引孔后浇带砼进行封闭浇筑，采取上述措施基本可消除地基不均匀沉降带来的底板裂缝风险，认为后浇带方案可行。4类似工程参考根据江苏省内其他类似工程多年的监测数据，后浇带的设置对工程结构并未产生不好的影响，工程的沉降变形、结构裂缝等均满足规范要求。句容河蓄水闸工程闸室分 3 孔，底板总宽 47.8m，于中孔内临墩墙侧各布置 1 道 1m 宽后浇带，根据工程闸室沉降监测资料，监测期间北侧底板累计沉降7mm，南侧累计沉降 16mm，南、北侧沉降差为9mm，满足规范要求。连云港义泽河闸底板宽41.4m，共 3 孔，各布置 1 道后浇带于边孔临中墩侧。根据两年的监测观察，闸室底板未出现影响结构的裂缝，取得了很好的工程效果。5结语对于宽度稍大于 35m 的闸站底板，采用整体式底板对于抗滑抗变形有其结构上的优势，相对于分离式底板也能节省投资。对于设置后浇带的方案，不仅需要对工程结构进行全面的受力分析，以确定后浇带的布置位置，还需要对因施工工序的改变带来荷载加载步的变化对工程其他影响方面进行复核，以满足沉降变形、地基承载力等方面的要求。工程施工时，还需要做好后浇带与一期浇筑底板之间的处理，防止在后浇带处产生施工缝，后期还应做好长期的工程位移变形监测工作，以期为更多类似工程设计工作提供参考。参考文献 1SL 2652016 水闸设计规范S 2GB 502652022 泵站设计标准S 3杨宇，贡锦炜，吴雷，等 后浇带在句容河蓄水闸上的应用研究J 山西建筑，2021，47(20):3 4何志雄 后浇带施工技术在水电站底板中的应用研究J 建筑工程技术与设计，2015，000(21):43-43 5吴昊 超长闸室底板设计与施工J 水利规划与设计，2013(8):3(上接第217 页)段河道泄洪主流遇整流墩后向南北两侧分成两股，虽然两股水流绕过整流墩后又汇合，但在“分 合”过程中增大了水流扩散范围，同时在整流墩东侧形成了一个小范围的静水区，有效降低了主流中心流速，从而使得图 4 中横流超标位置的水流流速明显降低，横流强度也均降低到0.3m/s 以下。在交汇区 4 种最不利水位 流量组合工况下，京杭运河的横流强度均降低到 0.3m/s以下，满足规范要求，即吴淞江泄洪对京杭运河通航安全基本无影响。5结语本文采用实测的基础地形数据，针对吴淞江泄洪期间可能对京杭运河通航水流条件产生影响，以满足横向流速限值为要求，对工程所在区域最不利降雨典型的 4 种不同水位、流量组合进行了数值分析。研究表明，交汇区西侧河线布置在规划河道规模的基础上，利用北侧岸线向南侧偏移拓浚形成喇叭口，并且增设整流墩，能有效改善交汇区的流态和航道内的通航水流条件，对确保京杭运河船舶航行安全有着十分重要的意义。此外考虑到数学模型本身的局限性，建议后期从物理模型试验和船模航行试验两个方面去分析交汇区通航水流条件。参考文献 1邵学良，石岩，高进 京杭运河枣庄段汛期泄洪定量分析及交通管制建议 J 珠江水运，2022(14):64-67 2李昱，程实 流域骨干河道引排对三叉河口改线段航道的影响研究 J 水利技术监督，2021(4):118-120，167 3张震，李婷 基于 Mike 21