余衛(wèi)鋒　劉艷秋　胡飛

摘 要：某航道設(shè)計(jì)為限制性Ⅳ級(jí)航道，其甘家拐段為皖蘇界河，右側(cè)主汊道進(jìn)入江蘇。該段河道左右岸邊灘較為發(fā)育，彎曲半徑不足200m，為滿足設(shè)計(jì)航道標(biāo)準(zhǔn)，首先采取裁彎切灘并內(nèi)側(cè)加寬方案達(dá)到船舶通航需求；其次，采用AutoBank軟件計(jì)算切灘后堤防穩(wěn)定性；最后，采用荷蘭Delft水利機(jī)構(gòu)的Delft 3D模型，對(duì)甘家拐等彎曲段、匯流段水流條件進(jìn)行了初步數(shù)模分析。結(jié)果表明，裁彎切灘方案能滿足堤防穩(wěn)定及設(shè)計(jì)航道需求，但甘家拐段受地形限制，高水期橫向流速仍大于0.3m/s，下階段需對(duì)其流態(tài)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步完善整治措施。

關(guān)鍵詞：裁彎取直 內(nèi)側(cè)加寬 抗滑穩(wěn)定計(jì)算 數(shù)模分析

航道是水運(yùn)的基礎(chǔ)，既受自然條件影響，也離不開(kāi)人類活動(dòng)的干預(yù)。對(duì)于不能達(dá)到通航標(biāo)準(zhǔn)的天然河流，需通過(guò)機(jī)械疏浚、裁彎取直、退堤拓寬、建設(shè)水工建筑物等措施，滿足通航船舶及運(yùn)量需求，提供航道的經(jīng)濟(jì)效益。

工程概況

1、設(shè)計(jì)背景

某航道在甘家拐處一分為二，干流右向以急彎入江蘇高淳境內(nèi)西陡門方向，現(xiàn)狀河道呈“V”形彎，彎曲半徑約100m，需裁彎切灘。根據(jù)河道現(xiàn)狀條件，凸岸現(xiàn)有灘地存在，深槽貼凹岸，擬按200m彎曲半徑裁彎同時(shí)對(duì)彎道內(nèi)側(cè)作加寬處理。

2、工程勘探

該段航道隨著降水量的季節(jié)變化，河水流速變化較大，河道中沉積了典型的河床相及河漫灘相地層。地層以深灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主，夾粘土薄層。由于河水流速大小的變化，沉積環(huán)境發(fā)生變化，所夾粘土層厚度亦發(fā)生變化，部分地段夾有淤泥、粉砂、細(xì)砂、中砂層。

3、試驗(yàn)研究

采用荷蘭Delft水利機(jī)構(gòu)的Delft 3D模型，對(duì)甘家拐等彎曲段、匯流段水流條件進(jìn)行了初步數(shù)模分析。

設(shè)計(jì)方案的確定

1、設(shè)計(jì)方案

為達(dá)到設(shè)計(jì)航道Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可采用裁彎退堤和裁彎切灘兩種方案。如果采用裁彎退堤方案需退建江蘇境內(nèi)相國(guó)圩3級(jí)堤防，難度較大；裁彎切灘方案通過(guò)減小航道彎曲半徑并內(nèi)側(cè)加寬滿足規(guī)范要求，工程量小且無(wú)需退建堤防，對(duì)河道的擾動(dòng)也較小，工程實(shí)施后河道穩(wěn)定性較方案一好。且該段工程量均在江蘇省境內(nèi)，協(xié)調(diào)工作量較大，本階段按裁彎切灘方案布置。

根據(jù)河道現(xiàn)狀條件，凸岸現(xiàn)有灘地存在，深槽貼凹岸，擬按200m彎曲半徑裁彎同時(shí)對(duì)彎道內(nèi)側(cè)作加寬處理。加寬值根據(jù)彎道加寬值公式計(jì)算：

△B=L2/（2R+B）

式中：L 為單船最大單船長(zhǎng)80m；B 為直線段設(shè)計(jì)航道寬度45m；R 為航道的彎曲半徑200m。

△B 為加寬值（m），加寬段以1：2的漸變率過(guò)渡到正常段，根據(jù)計(jì)算加寬值為14.4m，取14.5m。據(jù)此布置航道，不退建堤防，為保證凸嘴堤腳穩(wěn)定對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。

2、工程量

對(duì)甘家拐彎曲段裁彎切灘，近堤段采用抓斗船疏挖，疏浚工程量6.68萬(wàn)方。

3、堤防抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）規(guī)定，穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧滑動(dòng)法，具體計(jì)算應(yīng)用河海大學(xué)編制的土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)（SLOPE）。經(jīng)計(jì)算，甘家拐處裁彎切攤后，施工期迎水坡抗滑安全系數(shù)1.08，堤防穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

整治效果分析

采用數(shù)學(xué)模型對(duì)裁彎切灘后的水流流態(tài)進(jìn)行分析。

1、模型建立

流場(chǎng)的模擬采用了荷蘭Delft水利機(jī)構(gòu)的Delft 3D模型，主要使用Delft 3D-FLOW模塊。Delft-3D-flow模型是一個(gè)三維的水動(dòng)力輸運(yùn)模型，該模型采用曲線正交網(wǎng)格。水動(dòng)力模塊建立在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上，采用交替方向法（ADI）對(duì)該坐標(biāo)系下的控制方程組進(jìn)行離散求解。應(yīng)用沿水深平均的兩維水流數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算，采用大小模型嵌套的技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。其特點(diǎn)是由多個(gè)模塊靈活組成，模塊間聯(lián)系性強(qiáng)，采用貼體正交曲線網(wǎng)格，計(jì)算穩(wěn)定，精度高。

2、工況選取

采用高水位、中水位、平灘水位工況下，利用數(shù)學(xué)模型分析彎道速度矢量場(chǎng)、法向速度標(biāo)量場(chǎng)。

3、模擬結(jié)果

如上分析，甘家拐段采用裁彎切灘方案彎頂處高水期橫向最大流速0.6m/s、中水期橫向最大流速0.4m/s。甘家拐段受地形限制，高水期橫向流速仍大于0.3m/s，下階段需對(duì)其流態(tài)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步確定整治措施。

結(jié)語(yǔ)

裁彎切灘方案通過(guò)小半徑航道內(nèi)側(cè)加寬能滿足規(guī)范要求，工程量小且無(wú)需退建堤防，對(duì)河道的擾動(dòng)也較小，工程實(shí)施后河道穩(wěn)定性較方案一好。但Delft數(shù)學(xué)模擬結(jié)果表明，該段高水期橫向流速仍大于0.3m/s，建議下階段對(duì)其流態(tài)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步完善整治措施。

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（作者單位：安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司）endprint