淮安市古黄河水利枢纽工程水流条件计算

孟佳佳，陶 娟，赵立梅

（1.江苏省淮安市水利规划办公室，江苏淮安223005；2.江苏省淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安223005；3.江苏省水利厅，江苏南京210024）

淮安市古黄河水利枢纽工程水流条件计算

孟佳佳1，陶 娟2，赵立梅3

（1.江苏省淮安市水利规划办公室，江苏淮安223005；2.江苏省淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安223005；3.江苏省水利厅，江苏南京210024）

本文从古黄河水利枢纽工程初设方案出发，采用2维水流数学模型，通过100、200、500m3/s等水流条件，研究了工程建成前后枢纽上下游河段水流运动特性，为初设方案的最终确定和枢纽的运行管理提供了重要依据。研究表明：当节制闸开启相同数量的闸门时，对称开启要优于非对称开启，其闸门上下游流速相对较小，流态较为均匀，其中闸门全部开启时流速最小。

数学模型；水流条件；初设方案；枢纽工程

1 概述

淮安市古黄河水利枢纽工程位于涟水县城下游约3km的古黄河上（桩号42+150），工程的主要功能是适当抬高古黄河（杨庄闸至涟水县城段）河道水位，并利用河川库容提高城市供水保证率。由于古黄河河床为粉质沙土，易受洪水冲刷，水土流失严重，局部河段河槽弯度加大，水流紊乱，深泓逼岸，存在险工患段，因此在古黄河上修建水利设施必须首先考虑水流运动问题。为此，我们采用2维水流数学模型，对初设方案工程附近河段水流运动特性进行计算研究。

工程内容包括兴建节制闸、水电站及公路桥3结合的枢纽工程。初设方案枢纽平面布置如图1所示。

（1）节制闸。节制闸与水电站一字布置，均位于古黄河河槽内，节制闸位于河道深泓（南侧），水电站位于河道凹弯段（北侧）。节制闸及水电站上游侧设有公路桥，桥面总宽26m，桥面高程14.32～13.78m，荷载等级为公路Ⅰ级。

节制闸闸室总净宽40m，共5孔，单孔净宽8m，左岸为2孔一联，右岸3孔一联，每联呈“山”字形结构，共2联。闸室垂直水流向分别为19.2和28.4m，总长47.6m，顺水向分为2段，长度分别为11.98m（公路桥）和21.0m（节制闸），底板面高程3.5m，底板厚1.3m。

（2）水电站。水电站为河床式水电站，厂房共6孔、2块底板，3孔一联共用1块底板，单块底板顺水流方向长28m，垂直水流方向宽18.8m。

（3）上下游衔接。上、下游引河底高程4m，上游河底宽100m，下游河底宽106m，高程9m处设5m宽青坎，堤顶高程为13.50m，青坎以下河坡为1∶4，以上河坡为1∶2.5，护底及青坎以下护坡为C20灌砌块石结构，厚35cm，青坎及青坎至堤顶采用生态护坡。水电站和节制闸之间设有空箱导流墙，上游导流墙长度为52.8m，下游导流墙长度为57.2m。

2 2维水流数学模型

2.1 基本方程组

连续方程：

动量方程：

图1 初设方案枢纽平面布置

式中：u、v—ξ、η方向流速分量，m/s；Z—水位，m；H—水深，m；C—谢才系数；σξξ、σηη、σξη、σηξ—紊动切应力，可表示为：

式中：vt—紊动黏性系数，k—紊动动能，ε—紊动动能耗散率，可应用k-ε紊流模型计算确定；一般情况下，vt=Ku*H（K=0.5～ 1.0；u*—摩阻流速，m/s；），或者取vt为某一常数。

2.2 基本方程的离散与求解

为数值求解平面2维水深平均水流运动方程组（1）、（2）和（3），需将此方程组离散。笔者采用具有良好积分守恒性的控制体积法离散方程，并利用SIMPLER计算程式求解耦合方程，对于某一给定流量级，根据Partaker和Spalding提出的SIMPLER程式，反复迭代直到流场结果满足精度。

2.3 计算域选取及计算网格生成

针对河道蜿蜒曲折的特点，本研究选用正交贴体曲线坐标拟合边界，以便较好地模拟河道边界，同时使废网格大大减少。根据研究内容，为了较好地模拟水流运动，本数学模型计算范围以枢纽为起点，向上游延伸6km，向下游延伸5km（如图2所示），上自尹庄村，下至七堡，模拟河段全长约11km。

2.4 计算工况

河道入流量为100、200m3/s，水电站及节制闸联合运行，其中水电站泄流量为60m3/s，上游侧特征水位为7.50m；河道入流量为500m3/s，水电站上游侧特征水位为9.3m时枢纽上游河道流场。河道入流量为100、200、500m3/s时枢纽下游河道流场。

图2 计算区域及网格

3 初设方案水流流场计算

3.1 上游流量为100m3/s时上下游流场

河道入流量为100m3/s，枢纽水位控制在7.5m，水电站全部开启下泄60m3/s流量，节制闸分别采取1#闸室开启下泄40m3/s流量；3#闸室开启下泄40m3/s流量；节制闸1#、2#、3#、4#、5#闸门全部开启各自下泄8m3/s流量3种运行方式的研究成果如下。节制闸门全开时枢纽下游流场如图3所示。

3.1.1 特征水位7.5m时上游流场

（1）3种运行方式下，上游河道流态及流速基本不变。其中，尹庄村至六堡河道最大流速约为0.40～0.50m/s，六堡至夹板庄河弯段河道断面最大流速约为0.50～0.65m/s。

（2）3种开启方式下，水电站前沿流速及流态基本一致，而节制闸前流态随开启方式不同而有所差异。水电站前沿进流平顺，电站进流流速为0.38～0.49m/s，分水隔墩上游水流偏向水电站一侧。当开启1#闸门时，节制闸上游水流向1#闸门汇集，闸门进口处最大流速1.38m/s；当开启3#闸门时，节制闸上游水流向3#闸门附近汇集，闸门进口处最大流速1.11m/s；节制闸闸门全部打开时，闸门进口处最大流速0.26m/s，节制闸上游护底附近水流均匀流向5个闸门。

3.1.2 枢纽下游流场

（1）电站出口处水流平顺，护坦位置处流速约0.34～0.49m/s，中隔墩位置以下电站出流的流向偏向节制闸侧。

（2）当节制闸开启1#闸门时，消力池内最大流速为1.29m/s，节制闸下游右侧出现一长轴长约90m、短轴长约60m的椭圆形顺时针回流，回流流速为0.04～0.42m/s。

（3）当节制闸开启3#闸门时，消力池附近最大流速为1.14m/s，节制闸下游右侧出现一长轴长约75m、短轴长约45m的椭圆形顺时针回流，回流流速为0.03～0.35m/s。

（4）当节制闸闸门全部打开时，节制闸下游回流消失，消力池内最大流速0.23m/s，枢纽出口处断面最大流速0.51m/s。

（5）枢纽下游韩后堆至东河堆处水流已基本混合均匀，断面最大流速为0.55m/s，东河堆下游附近河道略有缩窄，断面最大流速增大至0.70m/s左右，西小堆至出口七堡一线河道最大断面流速稳定在0.45～0.60m/s左右。

3.2 上游流量为200m3/s时上下游流场

河道入流量为200m3/s，枢纽水位控制在7.5m，水电站全部开启下泄60m3/s流量，节制闸分别采取1#闸室全部开启下泄100m3/s、2#闸室开启下泄40m3/s；1#、5#闸室对称开启各自下泄70m3/s；2#、4#闸室对称开启各自下泄70m3/s；节制闸1#、2#、3#、4#、5#闸门全部开启各自下泄28m3/s流量共4种运行方式的研究成果如下。节制闸门全开时枢纽下游流场如图4所示。

3.2.1 特征水位7.5m时上游流场

（1）4种运行方式下，上游河道流态及流速基本不变。其中，尹庄村至六堡河道最大流速为0.63～0.89m/s，六堡至夹板庄河弯段河道最大流速为0.92～1.33m/s。

图3 枢纽下游流场图（100m3/s节制闸门全开时）

图4 枢纽下游流场图（200m3/s节制闸门全开时）

（2）水电站节制闸联合运行，枢纽两侧同时过流，其中水电站泄流量为60m3/s，节制闸泄流量为140m3/s。全开1#闸门、部分开启2#闸门时，水电站闸室进流流速为0.20～0.57m/s，节制闸泄流量较大，流速较水电站一侧大，最大流速3.68 m/s，节制闸上游护底附近水流向1#、2#闸门附近为0.34～0.50m/s，节制闸上游护底附近水流向两侧1#、5#闸门附近分流，最大流速2.55m/s；对称开启2#、4#闸门时，水电站闸室进流流速为0.34～0.50m/s，节制闸上游护底附近水流向2#、4#闸门附近对称分流，最大流速1.97m/s；节制闸闸门全部打开时，水电站闸室进流流速为0.34～0.50m/ s，节制闸上游护底附近水流均匀流向5个闸门，最大流速0.95m/s。

3.2.2 枢纽下游流场

（1）水电站出口处水流平顺，其中护坦附近流速约0.26～0.35m/s，中隔墩位置以下电站出流的流向偏向节制闸侧。

（2）节制闸全开1#闸门、部分开启2#闸门时，消力池附近最大流速2.37m/s，节制闸下游右侧出现一长轴长约80m、短轴长约50m的椭圆形顺时针回流，回流流速0.07～0.70m/s，枢纽出口处断面最大流速达到0.98m/s。

（3）节制闸对称开启1#、5#闸门时，消力池附近最大流速1.69m/s，节制闸下游右侧出现一长轴长约60m、短轴长约30m的椭圆形顺时针回流，回流流速0.07～0.50m/s，枢纽出口处断面最大流速0.74m/s。

（4）节制闸对称开启2#、4#闸门时，消力池附近最大流速1.36m/s，节制闸下游右侧出现一长轴长约50m、短轴长约33m的椭圆形顺时针回流，回流流速0.12～0.48m/s，枢纽出口处断面最大流速0.63m/s。

（5）当节制闸闸门全部打开时，下游回流消失，消力池内最大流速0.58m/s，枢纽出口处断面最大流速0.51m/s。

（6）枢纽下游韩后堆至东河堆一带水流已基本混合均匀，断面最大流速约0.58～0.66m/s，其中东河堆下游附近河道略有缩窄，断面最大流速增大至0.77m/s左右，西小堆至出口七堡一线河道最大断面流速稳定在0.50～0.68m/s左右。

3.3 上游流量为500m3/s时上下游流场

流量入流量500m3/s，枢纽上游特征水位9.3m，水电站停止运行，节制闸1#、2#、3#、4#、5#闸门全部开启各自下泄100m3/s流量时的研究成果如下。节制闸门全开时枢纽下游流场如图5所示。

图5 枢纽下游流场图（500m3/s节制闸门全开时）

3.3.1 特征水位9.3m时上游流场

（1）枢纽上游水流流态平稳，其中尹庄村至六堡河道断面最大流速约为0.95～1.19m/s，六堡至夹板庄河弯段河道断面最大流速约为1.11～1.79m/s，枢纽入口处断面最大流速1.11m/s。

（2）由于水电站停止运行，水流全部通过节制闸下泄，中隔墩上游水流流向偏向节制闸一侧，水电站上游护底附近出现一长轴长约46m，短轴长约28m的逆时针回流，回流流速0.07～0.32m/s。节制闸5孔闸门全部开启，闸前流态较为平顺，最大流速为2.51m/s。

3.3.2 枢纽下游流场

（1）节制闸5孔闸门全部开启，水电站下游出现一长轴长145m、短轴长53m的椭圆形逆时针回流，回流流速0.05～0.55m/s。消力池附近最大流速1.81m/s，枢纽出口处断面最大流速达到1.09m/s。

（2）枢纽下游韩后堆至东河堆一带水流已基本混合均匀，断面最大流速约0.98～1.06m/s，东河堆下游附近河道略有缩窄，断面最大流速增大至1.31m/s左右，西小堆至出口七堡一线河道最大断面流速稳定在0.75～1.11m/s左右。

4 结论

本研究采用2维水流数学模型，对淮安市古黄河水利枢纽工程建成前后枢纽上下游河道水流运动特性进行了研究，得到如下结论。①流量为100m3/s，上游特征水位为7.5m时，水电站过流较为平顺，节制闸一侧水流向开启闸门附近汇集。下游护底附近流速约0.20～1.20m/s，节制闸下游右侧出现回流。②流量为200m3/s，上游特征水位为7.5m时，水电站过流较为平顺，节制闸一侧水流向开启闸门附近汇集。下游护底附近流速约0.20～2.00m/s，节制闸下游右侧出现回流。③流量为500m3/s，上游特征水位为9.3m时，枢纽上游护底附近流速约0.37～1.99m/s，水电站上游护底附近出现回流。④节制闸开启相同数量的闸门时，对称开启要优于非对称开启，其闸门上下游流速相对较小，流态较为均匀，其中闸门全部开启时流速最小。

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文章编号：1672-2469（2015）12-0081-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.029

孟佳佳（1984年—），女，工程师。