“以宽代深”模式在流域骨干引排工程中的应用研究

李 昱，宋黎明，孙鹏明，吴 芳

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215100)

流域骨干引排工程的设计断面一般按照引排流量确定，实施过程中常遇到一些无法迁移的重要穿河管线，河道浚深无法达到设计高程，导致设计过流断面减小，断面平均流速增大，容易造成局部冲刷问题，且水流流态较差。工程中常采用“以宽代深”的模式解决此类问题，即通过横向扩大断面，保证断面过流面积不小于原设计断面。

“以宽代深”模式下水流结构的调整主要由不同断面的衔接段长度决定，衔接段长度越长，水流越能平稳的过渡，对工程的建设和安全也有利，但是征地面积大，工程投资加大。本文以新孟河延伸拓浚工程为例，采用数值模拟的方式，计算了“西气东输”过河管线段采用“以宽代深”模式下最佳的衔接段长度，有效改善了水流结构，并且节约了造价，有重要的实际意义。

1 工程概况

新孟河延伸拓浚工程是太湖流域骨干引排工程之一，工程河道总长116.47km，其中拓浚老河道79.84km，新开河道36.63km新孟河“西气东输”段河道底高程-2.00m，按管道防护要求，“以宽代深”段河底高程为0.50m，顺水流向长度为30m，河底采用50cm厚石笼进行护底，上下游衔接段初拟长度为50m，如图1所示。

2 数值模拟

2.1 数学模型基本控制方程

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

2.2 数值求解方法

采用有限体积法对数学模型控制方程进行离散，速度压力耦合矫正采用SIMPLEC方法，动量方程采用二阶迎风离散格式，所有参量的残差控制标准取为1.0×10-5。

2.3 计算区域、边界条件和网格划分

所建立的模型进口处为入流边界，对不同的计算工况，根据流量和水位条件，给定入口过水断面的流速或流量；模型出口为水流出流边界，根据计算工况的不同给定不同的压力边界条件。

采用结构网格划分计算区域，为了提高计算的精确性，对关键区域的网格进行细化。

图1 “西气东输”管道段平面布置图

3 计算结果分析

由图2可以看出，原河道主流受断面突变影响，在上游衔接段产生大范围的回流区，回流区的存在压迫主流向河道中心线集中，导致局部流速增大，主流束窄。

图3、图4为各纵断面的流速矢量图，可以看出由于河底高程的抬高，且河底衔接段长度较短，导致河道坡度过大，纵向水流的横向扩散不充分，边界部位产生回流区，进一步挤压主流，水流结构紊乱。

图2 表面流速分布图(衔接段长度50m)

图3 原河道纵断面流速矢量图

图4 衔接段河道纵断面流速矢量图

图5 表面流速分布图(衔接段长度100m)

图6 表面流速分布图(衔接段长度150m)

图7 表面流速分布图(衔接段长度200m)

“以宽代深”模式的本质是维持设计水位下过流面积不变，使纵向水流横向扩散，从而保证工程的引排能力，减少断面变化可能造成的冲刷。经计算发现，上下游衔接段长度为50m时，上游衔接段范围内水流结构紊乱，且主流集中在河道中心，流速较大，并没有发挥“以宽代深”模式的作用。

4 不同衔接段长度的计算分析

由图5可以看出，当衔接段长度增至100m时，上游回流区消失，水流较为顺畅，改善效果明显，但是主流在“以宽代深”段的扩散效果不明显，主流比较集中。

由图6、图7可以看出，当衔接段长度大于150m时，“以宽代深”段主流已经充分扩散，此时衔接段长度的增加对水流结构的影响较小。

衔接段长度过短时水流扩散不充分，衔接段长度过长时征地面积过大，工程总投资增大，综上所述，本工程“西气东输”段“以宽代深”模式的衔接段长度以150m为宜。

5 结论

(1) 流域骨干引排工程如遇过河管线等特殊制约因素可采用“以宽代深”模式保证工程的过流能力与安全运行。

(2) “以宽代深”模式下衔接段长度越长，水流调顺效果越明显。

(3) 实际工程运用中如需采用“以宽代深”模式，宜通过计算的方式确定合适的衔接段长度，既保证工程稳定安全的运行，又节约投资。