邵雨辰，王 健，池麗敏，程 博，曹 洋

（1.南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京　210098；2. 宜興市新街街道水利農(nóng)機站，江蘇 無錫　214200）

順岸挖入式港池是江蘇內(nèi)河港口建設中較為常用的一種港口平面布置形式，相比挖入式港池，此種布置形式在工程量和碼頭造價方面較為節(jié)??；相比順岸布置的碼頭，其布置形式能夠一定程度上減小港池前沿船舶回旋對過往船舶的影響。因此，此種布置形式在江蘇內(nèi)河港口建設中得到了很大的推廣。

然而順岸挖入式港池的布置形式改變了原來河道的平面尺寸和斷面尺寸，對港池附近的河道水流產(chǎn)生一定程度的影響，進而對航道通航安全以及河道行洪能力產(chǎn)生一定的影響[1-2]。本文結(jié)合泰州港某LNG加氣站碼頭的工程建設實例，應用數(shù)學模擬技術分析挖入式碼頭建設對航道水流特性的影響[3-5]。

1　工程概況

擬建的泰州內(nèi)河港LNG加氣站工程位于泰州城北物流園區(qū)，新通揚運河北岸，新通揚運河與引江河的丁字交叉口東側(cè)約1.4 km處，原5#挖入式港池口門東側(cè)。

擬建工程碼頭前沿線位于現(xiàn)狀航道駁岸處，基本平行于航道中心線，距離航道中心線約110 m。碼頭前沿停泊水域?qū)挾?2 m，回旋水域直徑87 m。船舶回旋不占用通航水域。擬建工程共建設2個1000 t級泊位，泊位長度161 m。泊位上游采用折線翼墻與現(xiàn)有航道護岸連接。為了保證作業(yè)和航行安全，盡量減少相互影響，泊位與西側(cè)5#港池預留50 m安全距離。

2　航道概況

泰州市航道網(wǎng)規(guī)劃形成“三縱三橫”的“井”字形內(nèi)河航道為主體骨架，貫穿泰州市各市縣。以新通揚運河三級航道為界，南片航道由引江河三級航道、姜十線四級航道、如泰運河五級航道組成；北片航道由鹽邵線、泰東線三級航道、興東線四級航道、興姜線五級航道組成。規(guī)劃航道總里程792.93 km，其中三級航道182.48 km，四級航道115.22 km，五級航道195.35 km，六級航道299.88 km。

“三縱三橫”骨架干線航道規(guī)劃總里程為401.21 km，“三縱”為鹽邵線、泰東線和興姜—姜十線；“三橫”為興東線、通揚線和如泰運河。骨架聯(lián)絡線主要由五、六級航道組成。規(guī)劃的骨架聯(lián)絡線有建口線（下官河）、大泰線（雌雄港、幸福河）、南官河、泰州市東部干線（先鋒河、西干河、兩泰官河、羌溪河）、十圩港、西白線、高東線、古馬干河、靖泰界河、泰州市中部干線和周山河等。

擬建作業(yè)區(qū)碼頭工程地處新通揚運河北側(cè)，所在航道新通揚運河現(xiàn)狀等級為Ⅲ級，規(guī)劃為省干線航道，規(guī)劃等級為Ⅲ級，碼頭工程主要為新通揚運河中航行船舶提供加氣服務，符合《泰州市內(nèi)河航道網(wǎng)規(guī)劃》中航道等級的要求。

3　數(shù)學模型的建立和驗證

3.1　平面二維數(shù)學模型控制方程

水流連續(xù)方程：

水流運動方程：

3.2　方程定解條件

為了使平面二維水流運動的基本方程在計算域Ω內(nèi)有適定解，必須滿足定解條件，即在計算域上給出初始條件和邊界條件。

初始條件由計算時刻實測資料直接給出，即當n=0時，給定Z0i、V0

i、U0

i，計算所需的初始條件在實際計算中一般難以全部獲得，只能通過估算給出，當然估算的越接近實際越好。模型邊界條件，計算過程中，上游采用固定流量，下邊界水位由水面線推算得到。

3.3　模型計算區(qū)域及網(wǎng)格

模型下邊界位于本工程碼頭下游約900 m，模型上邊界位于本工程碼頭上游約400 m。

將實測地形數(shù)據(jù)導入網(wǎng)格模型，并離散到每一個網(wǎng)格節(jié)點上，分別得到未建碼頭的地形以及碼頭建成后的地形，見圖1、圖2。

圖1　碼頭建成前模擬地形

圖2　碼頭建成后模擬地形

3.4　模型參數(shù)設置及驗證

3.4.1模型參數(shù)設置

模型采用的時間步長△t=20 s。計算水域的糙率是一個綜合影響因素，是數(shù)值計算中一個十分重要的參數(shù)，與水深、床面形態(tài)等因素有關，根據(jù)水深條件，給出隨水深變化的糙率場。糙率范圍取0.02～0.05，根據(jù)驗證計算情況要求選取。

3.4.2模型驗證

根據(jù)對模型在實測流量200 m3/s條件下的水流流場進行模擬，表明模型能夠較好反應港池附近的水流條件。模型驗證成果見表1。

表1　模型驗證成果

4　碼頭工程對通航條件的影響分析

4.1　碼頭工程對水流條件的影響

工程前河段流速范圍為0.01～0.35 m/s，航道水域流速達到0.22～0.35 m/s。由于航道順直，整體上航道中水流條件較優(yōu)，沒有 不良流態(tài)的出現(xiàn)。工程后，碼頭向陸域開挖，客觀上造成河段過水斷面增加，河段流速范圍降至0.01～0.325 m/s，航道水域流速也降為0.19～0.325 m/s，港池區(qū)域流速范圍為0.11～0.25 m/s，港池兩端轉(zhuǎn)角區(qū)域出現(xiàn)回流和垂直于航道方向的橫向流速。工程建成前、后河段流場分布見圖3、圖4。

圖3　工程前工程河段流場分布

4.2　碼頭工程對橫向流速、縱向流速的影響

碼頭建成前、后的縱向流速分布見圖5、圖6。擬建碼頭工程前，航道水域縱向水流在原5#港池上下游各200 m范圍內(nèi)會有一個較大的區(qū)域，該區(qū)域縱向水流流速為0.30～0.325 m/s，而在緊臨5#港池口門前沿航道水域縱向流速較上下游區(qū)域要低，該區(qū)域縱向水流流速0.275～0.30 m/s，這主要是由于5#港池的存在造成了該區(qū)域河道斷面的增加，水流在經(jīng)過5#港池前沿航道時由于河道斷面增加使得水流擴散導致該區(qū)域水流流速會有所放緩，而在該區(qū)域上下游河道收窄區(qū)域處出現(xiàn)較大的縱向流速區(qū)域。擬建碼頭建成以后，由于擬建碼頭的港池存在，增加了原5#港池東側(cè)區(qū)域的河道寬度，原5#港池前沿航道水域低，縱向流速區(qū)域的范圍有所增加，該區(qū)域的縱向流速數(shù)值依然保持在0.275～0.30 m/s范圍，而在擬建碼頭工程前，5#港池口門東側(cè)出現(xiàn)的較大的縱向流速區(qū)域會有所減小。

圖5　工程前工程河段縱向流速分布

圖6　工程后工程河段縱向流速分布

碼頭建成前、后的橫向流速分布見圖7、圖8。擬建碼頭工程前，由于5#港池的存在，在5#港池口門西側(cè)會出現(xiàn)較大的橫向水流，橫向水流的流速在0.03～0.06 m/s，該區(qū)域航道水域的橫向流速在0.03～0.045 m/s，在碼頭建成后，5#港池口門西側(cè)區(qū)域橫向流速有所增加，最大橫向流速區(qū)域超過了0.07 m/s，也使得該區(qū)域的航道水域水流的橫向流速增加到0.04～0.05 m/s，其他區(qū)域的航道橫流變化不大。

圖7　工程前工程河段橫向流速分布

圖8　工程后工程河段橫向流速分布

4.3　碼頭工程對水深的影響

碼頭建成前、后的水深圖見圖9、圖10。由圖可知，碼頭建成后，工程河段過水面積增加。在碼頭前沿，由于人工疏浚，河床高程大幅下降，水深增大。而在主航道區(qū)域，碼頭建設前后水深變化很小，碼頭建成以后河段水面下降約0.005～0.02 m，基本不影響船舶通行對水深的要求。從水利行洪角度而言，河道水面下降對河道行洪有利。

圖9　工程前工程河段水深分布

圖10　工程后工程河段水深分布

5　結(jié)論

由于擬建碼頭的建設，改變原河道的邊界條件，增加了5#港池東側(cè)河道寬度，造成河道水域以及航道水域流速均有所減小。碼頭建設以后，

5#港池東側(cè)航道的縱向流速會有小幅減?。◤?.30～0.325 m/s降至0.275～0.30 m/s），西側(cè)航道的橫向流速會有小幅增加（從0.03～0.045 m/s增至0.04～0.05 m/s）。綜合各方面水流特性變化情況，擬建碼頭工程實施以后，碼頭航道前沿不會出現(xiàn)回流等不良流態(tài)，橫向流速增加的數(shù)值較小，不會對航道通航產(chǎn)生較為不利的影響；由于擬建碼頭港池增加了河道斷面尺寸，對河道的行洪有利[6-8]。

參考文獻：

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