0 引言
由于平原地区的实际地形及工程投资等其他客观因素的限制，闸站合建枢纽已经成为平原地区常见的型式[1]，如无锡尖江水利枢纽、泰州引江河高港水利枢纽、睢宁县沙集闸站枢纽、汉江中下游闸站改造工程等[2]。闸站合建布置方式可缓解客观因素的限制，但是非常容易引起枢纽工程上游流态的复杂化[3-4]。针对一般的闸站合建枢纽，即闸不具有通航作用时，为了改善进水池和前池的不良流态[5]，学者们对进水池和前池实施了一系列优化措施[6-7]，都取得了较好的改善效果。但是在闸站合建枢纽中，水闸需要通航时，就需进一步分析闸站布置的合理性及通航的安全性[8]，如通过数值模拟技术研究了隔流墙布置角度、隔流墙长度、隔流墙位置在掩护引航道、抑制横流的作用[9]；研究了双线船闸错峰运行和增加船闸旁侧泄水等改善措施，有效改善了船闸通航水流条件[10]；通过筑坝、新建明渠和底部透空式隔流堤工程，使引航道口门区通航水流条件得到了明显改善[11]。以上研究提出了改善通航水流条件的许多措施，并辅以试验验证，但是很少有学者利用数值模拟[12]探究导流墩开孔对闸站合建枢纽通航水流条件的影响。为此，以某闸站合建枢纽为例，采用计算流体力学（CFD）软件分析导流墩几何参数对通航水流条件的影响，并提出优化方案，为类似工程提供一定参考。
1 材料与方法
1.1 数值模拟方法
流体运动都要遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒三大定律，通航枢纽进水水流密度为常数，可视为常黏性和不可压缩的流体，该流体的热交换量可以忽略不计，故对能量方程不予考虑，并且其流动为三维湍流流动。选择由质量守恒定律和动量守恒定律得到的连续性方程和动量方程描述。
连续性方程：
动量方程：
式中：ui、uj为各方向的流速矢量；ρ为流体密度；xi、yi表示各坐标轴；g为重力加速度；p为湍流动能的静压力；t为时间；μeff为流体的有效黏滞性系数；i、j为矢量方向。
为了使方程组封闭，便于求解，还需引入反映湍动能的k方程和反映湍动能耗散率的ε方程。目前可供选择的几种模型有Standard k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型，通过对比分析以及进度要求、时间限制、计算机能力和该流体的特性等方面综合考虑，采用标准k-ε模型和SIMPLEC算法求解通航水流分布。其k-ε模型的湍动能k方程和ε方程[13]为：
式中：Gk是平均速度梯度所引起的湍动能k的产生项，其计算式为：
式中：
在标准k-ε模型中，综合考虑文献[14]的推荐值以及相应的试验验证结果，模型常数C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε分别取1.44、1.92、0.09、1.00、1.30。
1.2 计算模型及计算工况
1.2.1 计算模型
该闸站合建枢纽布置包括泵站和节制闸各1座，前池及河底板高程为13.4 m，进水池底板高程为11.4 m，泵站设置6台泵，节制闸为4级船闸，闸底板高程为6.65 m，导流墩高度为8.6 m，闸孔总净宽为25.5 m，共3孔。图1给出了该闸站合建枢纽的三维模型图。其中研究区域包括节制闸（1-3号）、导流墩。拟研究的导流墩如图2所示，其主要参数是导流墩的长度L、宽度B、孔口中心间距C、开孔的高度H。
图1 计算模型示意图
图2 导流墩结构示意图
1.2.2 计算工况
自排流量Q为300 m3/s，上游水位为22.2 m，下游水位为22.05 m。
1.2.3 网格无关性分析
自排工况时，将引河、进水前池及进水流道等用GAMBIT软件自带的TGrid和非结构化网格自动生成。为保证计算精度，同时降低计算工作量，对计算网格展开无关性分析，将引河到引航道的水力损失作为特征参数确定合适的网格数。当计算的网格数量分别为1 267 834、1 337 106、1 578 652、1 885 234、2 090 125、2 215 625时，对应的水力损失分别为0.025 350、0.025 230、0.025 150、0.025 147、0.025 149、0.025 150 m；通过对比发现，当网格数超过1 578 652时，水力损失基本不变，可以满足网格无关性分析。
1.2.4 边界条件
进口边界设置在引河进水断面，进水断面垂直于水流方向，可将来水流速看作是均匀的，由于自排工况流量已知，故采用速度进口条件，根据该工况流量和断面面积算出流速。
出口边界设置在节制闸处，并将出水断面延伸致水流充分发展，采用自由出流，选择outflow出流条件。壁面边界处理采用标准壁面函数。
本闸站枢纽工程水流表面为自由水面，水面随时间变化不大，对水面采用刚盖假定，自由表面设为对称边界条件[15]。
1.3 通航的标准
《船闸总体设计规范》JTJ 305-2001[16]要求4级船闸，在通航口门区有效水域范围内，水流表面横向流速vx≤0.3 m/s，纵向流速v1≤2.0 m/s，回流速度vb≤0.4 m/s。另外在通航区不宜出现旋涡、乱流等不良流态。参考以上船闸通航流速标准对通航口门区内导流墩墩头前面层横向流速和轴向流速进行评价。
1.4 方案比选设计
导流墩开孔对通航水流条件的主要影响因素为长度L、开孔宽度B、相邻孔口间距C、开孔高度H。采用单因素递进法研究各因素对通航水流条件的影响，首先设计导流墩长度因素比选方案，选出长度影响下的导流墩墩头前水流条件相对较优的方案；因相邻孔口中心间距的确定依赖于导流墩的长度和开孔宽度，且开孔高度与其他因素没有必然的关系，故确定导流墩长度后，依次进行开孔宽度B、相邻孔口中心间距C、开孔高度H的比选，进一步优化通航水流条件，判断是否满足通航标准，最终得出导流墩开孔最优方案。
2 结果与分析
由于数值模拟三维流场图较为复杂，数值模拟结果采用面层横向流速云图及轴向流速云图较直观地表达导流墩几何参数对通航水流条件的影响（垂直于水流方向为面层横向，顺水流方向为面层轴向）。
2.1 导流墩长度对通航水流条件的影响
在自排工况下，6台泵全关，自排闸全开时，研究导流墩长度参数对通航水流条件的影响，并设置方案1～方案4长度比选方案，长度分别为5、15、25、40 m。方案1～方案4对应的面层横向流速云图和轴向流速云图如图3所示。
图3 方案1～方案4面层横向流速云图和轴向流速云图（单位：m/s）
表1 不同方案下通航时导流墩头前水流条件
方案横向速度/（m·s-1）轴向速度/（m·s-1）墩头前斜流范围/m2 1 0.85 1.90 25.895 2 0.80 1.70 23.746 3 0.75 1.60 19.625 4 0.80 1.75 26.407 5 0.70 1.30 16.611 6 0.65 1.20 14.086 7 0.25 0.75 12.56 8 0.55 1.10 14.514 9 0.63 1.00 14.922 10 0.75 1.23 15.405 11 0.80 1.32 17.341 12 0.57 1.10 15.967 13 0.48 0.82 14.854 14 0.45 0.77 15.755 15 0.40 0.95 16.323
从图3及表1可知，方案1、方案2、方案3、方案4在导流墩头前存在斜流，并在右侧出现回旋区（是以顺水流方向确定左右），但随着导流墩长度的增加，导流墩墩头前横向水流速度略有减小、轴向速度呈现下降趋势，墩头前斜流范围有所缩小，直到方案3时降到最小，紧接着导流墩长度继续增加，墩头前水流横向速度有所增大，轴向速度呈现上升趋势，墩头前斜流范围有所增加。可见，导流墩长度L为25 m左右时，墩头前水流面层横向速度和轴向速度较其他长度方案小，但相对通航标准来说流速依然较大，需要进一步设计方案优化。
2.2 导流墩开孔宽度对通航水流条件的影响
在自排工况下，6台泵全关，自排闸全开时，研究导流墩开孔宽度参数对通航水流条件的影响。采用单因素递进法，在导流墩优长为25 m基础上，保持孔口中心间距6.25 m、开孔高度3.8 m不变，设计方案5～方案8共4种开孔宽度比选方案，开孔宽度分别为1.5、3.0、4.5、6.0 m。方案5～方案8对应的面层横向流速云图和纵向流速云图，如图4所示。从图4及表1可知，随着导流墩开孔宽度的增加，导流墩墩头前斜流范围减小，右侧漩涡区域减小，导流墩头前水流横向速度和轴向速度明显减小，直到方案7时降到最小，横向速度为0.25 m/s，轴向速度为0.75 m/s，紧接着开孔宽度继续增大，导流墩头前斜流范围有所增大，墩头前水流横向速度和轴向速度逐渐增大；可见，当开孔宽度B=4.5 m时，墩头前水流面层横向速度和轴向速度较其他开孔宽度方案的小。
2.3 导流墩相邻孔口中心间距对通航水流条件的影响
在自排工况下，6台泵全关，自排闸全开时，研究导流墩相邻孔口中心间距对通航水流条件的影响。采用单因素递进法，在导流墩优长为25 m基础上，保持开孔宽度4.5 m、开孔高度3.8 m不变，设计方案9～方案11共3种孔口中心间距比选方案，孔口中心间距分别为5.0、8.3、12.5 m。方案9～方案11对应的面层横向流速云图和纵向流速云图，如图5所示。
图4 方案5～方案8面层横向流速云图和轴向流速云图（单位：m/s）
图5 方案9～方案11面层横向流速云图和轴向流速云图（单位：m/s）
从图5及表1可知，随着相邻孔口中心间距增大，导流墩墩头前斜流范围有所减小，水流横向速度和轴向速度降低，直到方案7时降到最低，横向速度为0.25 m/s，轴向速度为0.75 m/s，紧接着导流墩相邻孔口间距继续增大，墩头前斜流范围增大，墩头前水流横向速度和轴向速度也随之增大；可见，当相邻孔口间距C为6.25 m时，墩头前水流面层横向速度和轴向速度较其他孔口中心间距方案小。
2.4 导流墩开孔高度对通航水流条件的影响
在自排工况下，6台泵全关，自排闸全开时，研究导流墩开孔高度对通航水流条件的影响。采用单因素递进法，在导流墩优长为25 m基础上，保持孔口中心间距6.25 m、开孔宽度为4.5 m不变，设计方案12～方案15共4种开孔高度比选方案，开孔高度分别为1.9、3.0、4.5、5.0 m。与方案12～方案15对应的面层横向流速云图和纵向流速云图，如图6所示。
图6 方案12～方案15面层横向流速云图和轴向流速云图（单位：m/s）
从图6及表1可知，随着开孔高度的增大，导流墩墩头前的斜流范围减小，墩头前水流横向速度和轴向速度减小，直到方案7时降到最小，横向速度为0.25 m/s，轴向速度为0.75 m/s，紧接着开孔高度继续增大，导流墩墩头前斜流范围增大，墩头前水流横向速度和轴向速度也随之增大；可见，当开孔高度H=3.8 m时，导流墩墩头前水流面层横向速度和轴向速度较其他开孔高度方案小。
3 讨论
闸站合建枢纽发挥通航作用时，水流条件是影响通航安全的关键因素。基于CFD方法改善导流墩方案确实对水流流态有着优化作用，这与以往的研究结论[17-18]一致。通过单因素递进分析法，逐步对导流墩改善方案进行对比优选，得出导流墩长度L=25 m、开孔宽度B=4.5 m、相邻孔口间距C=6.25 m、开孔高度H=3.8 m（方案7）为最优开孔方案，在方案7中，导流墩右侧回旋区基本消失，墩头斜流、偏流得到改善，导流墩墩头前大范围横向流速区被减弱，这与已有研究结果[19]一致。导流墩开孔方案能有效地减小通航水流面层横向速度和轴向速度，但在通航口门区右侧仍然有一定的回流区，因此后续的工作应该采取一些综合优化措施进一步缩小或者尽可能消除回旋区；此外，还应该通过物理模型试验来验证数值模拟的准确性。
4 结论
1）在导流墩长度方案比选中，优选出长度L=25 m时墩头前流态较好，但仍存在较严重的斜流，并在导流墩右侧附近出现回旋区。
2）在优选长度的基础上，通过单因素递进分析法进行开孔方案比选，优选出长度L=25 m、开孔宽度B=4.5 m、相邻孔口间距C=6.25 m、开孔高度H=3.8 m（方案7）为最优开孔方案。
3）在导流墩最优开孔方案中，墩头前的斜流得到较好的改善，其中大范围斜流区被削减，面层横向速度削减至0.25 m/s，轴向速度削减至0.75 m/s，均满足安全通航流速标准，右侧的回旋区范围明显缩小，通航水流条件得到较好的改善，满足通航要求。
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