文章編號：1006-0081（2019）09-0018-04

摘要：為了研究碼頭工程建設(shè)對荊江公安河段河道水流的影響，通過建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計算分析了工程建設(shè)前后附近河段的水位、流速變化情況。結(jié)果表明：工程建設(shè)對其所在河段的水位和流速影響較小，不會對工程河段河勢、行洪帶來較大影響。建立的二維水流數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確模擬工程河段水流運動特性，可為研究工程前后河道水流、水位變化提供較為可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水位;流速;數(shù)學(xué)模型;碼頭工程;公安河段;長江中游

中圖法分類號：TV147

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：IO.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.004

1概況

1.1河段概況

長江是我國第一大河流，其干支流通航里程已超過6.5萬km，占全國內(nèi)河的52%，水運量占80%，是溝通我國東、中、西部地區(qū)的水路運輸大動脈，在流域經(jīng)濟社會發(fā)展中具有極其重要的地位，素有“黃金水道”之稱。目前，長江干線已成為世界上運輸最繁忙、運量最大的通航河流。與其他交通運輸方式相比，長江水運具有占地少、成本低、能耗小、污染輕、運能大、效益高等優(yōu)勢。隨著水運經(jīng)濟的發(fā)展，長江沿岸碼頭工程的數(shù)量越來越多，碼頭對附近水域產(chǎn)生的阻水作用很有可能對該河段的河勢及行洪產(chǎn)生影響。因此，研究碼頭建設(shè)對其所在河段水流的影響極為必要。本文以荊江公安河段左岸某碼頭工程為例，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，對工程建設(shè)前后的河道水流流速、水位的變化情況進行了模擬計算，為該河段工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

長江公安河段上起觀音寺，下止新廠，全長約54km，由陡湖堤河彎、郝穴河彎及過渡段組成，河型為微彎分汊。據(jù)歷史資料記載，白元朝至1756年，陡湖堤至郝穴河段為單一的微彎河段，從觀音寺到馬家寨，河道緊靠現(xiàn)在的荊江大堤。1830年后，隨著陡湖堤河彎南岸不斷崩塌，河面不斷展寬，逐漸形成突起洲。郝穴河彎中的采石、白沙、新淤、新泥和白腳等5個江心洲將河道分為左、右兩汊，左汊為主河槽，右汊即黃水套。1852年起，郝穴一帶開始實施護岸，由于歷年泥沙的不斷淤長，采石洲等5個江心洲逐漸聯(lián)成一個整體，成為現(xiàn)在的南五洲。近30a來，公安河段河勢演變基本平穩(wěn)，岸線、深泓及灘槽位置相對穩(wěn)定。隨著三峽水庫蓄水運用，大量泥沙被攔截在庫內(nèi)，下泄泥沙量大幅度減少，公安河段沖刷強度普遍增[1-2]，公安河段河勢見圖1。

1.2工程概況

碼頭工程位于荊州市江陵縣郝穴鎮(zhèn)城區(qū)上游，長江左岸的郝穴作業(yè)區(qū)，對應(yīng)荊江大堤樁號為鄂江左712+492-712+960。上距在建的荊州長江公鐵大橋約4.5km、距沙市水文站約45km，下距江陵縣城約3km。

碼頭工程水工建筑物主要為4個3000噸級貨運泊位，包括高樁直立式碼頭1座，浮碼頭2座（見圖2）。為了減少碼頭對荊江大堤的不利影響，碼頭采用順岸布置，碼頭前沿線與上游中航糧油綜合碼頭前沿線呈折線，夾角為174°，布置丁21-22m等高線附近，與水流方向基本一致。泊位總長468m。

高樁碼頭平臺長220m，寬25m，頂標(biāo)高40.5m。碼頭平臺通過2座引橋和1條皮帶機廊道分別與大堤和后方陸域廊道相接，上游1號固定引橋長58.4m，寬12m，下游2號固定引橋長75m，寬12m，2座引橋與大堤平交后，通過下堤道路與規(guī)劃道路連接。皮帶機廊道布置在1號固定引橋的上游側(cè)，采用多跨鋼引橋結(jié)構(gòu)跨堤，并與后方陸域廊道對接。

浮碼頭每個泊位從江側(cè)往大堤方向均設(shè)置1艘75.0mx16.0m（長×寬）鋼質(zhì)躉船、2座鋼撐桿系統(tǒng)、1座60mx4.5m（長×寬）活動鋼引橋和1座轉(zhuǎn)運樓墩臺，墩臺頂高40.77m。兩個轉(zhuǎn)運樓墩臺之間各通過1座鋼引橋連接到2號轉(zhuǎn)運樓墩臺，墩臺頂高程47.70m，2號轉(zhuǎn)運樓墩臺通過固定鋼引橋與后方陸域連接，引橋全長360.74m，寬8m。

2模型原理

本次數(shù)學(xué)模型基于正交曲線坐標(biāo)系下沿水深平均的平面二維水流運動方程組，微分方程的數(shù)值離散采用有限體積法[3-8]。定解條件包括初始條件與邊界條件，邊界條件為上游給定垂線平均流速沿河寬的分布，下游出水位沿河寬的分布。對于岸邊界，則采用水流無滑移條件，即取岸邊水流流速為0。在計算時，由計算開始時刻上、下邊界的水位確定初始條件，初始流速取0，隨著計算的進行，初始條件的偏差將逐漸得到修正，對最終計算結(jié)果的精度不會產(chǎn)生影響[9]。

3模型建立與驗證

3.1模型建立

模型選取觀音寺附近至茅林口全長約49.15km的河段作為二維數(shù)學(xué)模型的計算區(qū)域（見圖1）。計算河段的地形資料采用2016年10月實測地形資料。

計算網(wǎng)格采用正交曲線網(wǎng)格，在工程河段布置600x120個網(wǎng)格，其中ξ方向網(wǎng)格數(shù)600個，平均斷面間距8lm;η方向網(wǎng)格數(shù)120個，平均網(wǎng)格寬度約33m。同時，為使網(wǎng)格大小與工程實際尺寸一致，對工程附近的局部河段進行了網(wǎng)格加密處理。

3.2模型驗證

采用2014年12月該河段實測的水面線與垂線平均流速資料進行水位與流速驗證。水位驗證成果見表1，流速驗證成果見圖3。水位、流速計算值與實測值基本一致，水位誤差大部分在5cm以內(nèi)，流速誤差在0.1m/s之內(nèi)，符合JST/T231-4-2018《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。因此，模型中相關(guān)參數(shù)的取值是合理的，可以模擬碼頭修建對河道水位與垂線平均流速的影響。

4工程影響計算分析

4.1工程概化

碼頭工程主要阻水建筑物為樁柱、墩臺，在防洪設(shè)計洪水時還有現(xiàn)澆承臺及部分引橋橋面。為在模型中反映碼頭工程對河道水流的影響，在網(wǎng)格剖分時，盡可能在碼頭附近對網(wǎng)格進行局部加密，同時采用局部地形修正與局部糙率調(diào)整來進行概化處理。

（1）工程樁柱增加了過水濕周，從而引起阻力的增加。由于碼頭樁基尺寸小于網(wǎng)格尺寸，采用局部糙率修正的方法進行概化[10]，即樁柱處局部綜合糙率為

np=√ n12+n22 （1）式中，np為修正后的局部糙率;n1為樁壁面糙率;n2為河道糙率。

（2）將碼頭平臺、樁柱等的阻水面積平均加高到相應(yīng)位置的計算網(wǎng)格節(jié)點上，以考慮建筑物的阻水作用。

4.2計算條件

碼頭上游約45km處有沙市水文站，其間沒有大的支流人匯，沙市站流量可代表公安河段來水量。計算工況有以下3種，結(jié)果詳見表2。

（1）1998年洪水的防洪設(shè)計洪水條件。1998年沙市站實測最大流量為53700m3/s，相應(yīng)水位45.22m（凍結(jié)吳淞高程）。由丁沙巾市站至擬建碼頭間無大的支流，因此1998年擬建工程處最大流量取53700m3/s，通過水面比降推得相應(yīng)水位為40.52m。

（2）防洪設(shè)計洪水條件。根據(jù)《長江流域防洪規(guī)劃》，沙市同水位的流量值主要受荊江與洞庭湖匯合口城陵磯水位影響。同樣地，沙市、城陵磯水位低，則泄量大;城陵磯水位高，頂托影響增加，泄量就小。根據(jù)近年資料分析，當(dāng)沙市站水位為防洪設(shè)計水位45.0m（相應(yīng)城陵磯水位34.40m，凍結(jié)吳淞高程）時，相應(yīng)泄量采用53200m3/s，因此擬建工程處防洪設(shè)計洪水取53200m3/s，相應(yīng)水位為40.13m。

（3）平灘流量條件。沙市站的平灘流量約為30000m3/S，因此擬建工程處平灘流量取30000m3/S，相應(yīng)水位為36.35m。

4.3計算成果分析

4.3.1工程阻水比

碼頭工程阻水面積如表3所示，表中統(tǒng)計數(shù)據(jù)所在統(tǒng)計斷面為過水?dāng)嗝婷娣e變化幅度最大的斷面。

4.3.2壅水計算分析

碼頭工程修建后，河道水位的變化主要集中在碼頭附近的局部區(qū)域內(nèi)，具體表現(xiàn)為工程上游水位壅高，而其下游水位則有所降低。在不同的上游來流條件下，水位的變化趨勢基本一致，但變化幅度不同。選取水位變化dz=0.003m和0.005m兩條等高線繪制水位變化等值線圖（見圖4），水位變化結(jié)果見表4。

4.3.3流速影響計算分析

工程對流速的影響主要集中在工程上、下游及碼頭前沿的局部區(qū)域內(nèi)，且影響范圍隨著流量的增加而增大。選取流速變化dv=O.Olm/s和0.02m/s兩條等值線繪制流速變化等值線圖（見圖5），流速變化結(jié)果見表5。

5結(jié)論

本文通過建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計算了碼頭工程建設(shè)前后附近河段的水位、流速變化情況。數(shù)學(xué)模型驗證表明：流速、水位的計算值與實測值較為一致，模型能較好地反映公安河段的水流運動規(guī)律，因此將該模型用于計算分析該河道是可行的。計算結(jié)果表明：①1998年洪水條件下，碼頭附近水位變化的最大值為0.028m，變化值大于0.003m的范圍最遠到達工程上游約572m。工程修建對水位變化的影響較小。②1998年洪水條件下，碼頭附近流速變化的最大值為0.35m，變化值大于0.02m/s的范圍最遠到達工程下游約791m。工程修建對流速變化的影響較小。因此，碼頭工程建設(shè)對河道水流的影響較小，不會對工程河段河勢、行洪帶來影響。

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（編輯：李曉瀠）

收稿日期：2019-04-08

作者簡介：吳國君，女，工程師，主要從事港口航道工程設(shè)計等方面工作。E-mail： 542640865@qq.com