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        碼頭工程建設(shè)對(duì)長(zhǎng)江中游典型河段水流影響的數(shù)值模擬研究

        2019-09-10 07:22:44吳國(guó)君
        水利水電快報(bào) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)模型流速水位

        文章編號(hào):1006-0081(2019)09-0018-04

        摘要:為了研究碼頭工程建設(shè)對(duì)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(jì)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(duì)其所在河段的水位和流速影響較小,不會(huì)對(duì)工程河段河勢(shì)、行洪帶來(lái)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(yùn)動(dòng)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(zhǎng)江中游

        中圖法分類號(hào):TV147

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

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

        1概況

        1.1河段概況

        長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河流,其干支流通航里程已超過6.5萬(wàn)km,占全國(guó)內(nèi)河的52%,水運(yùn)量占80%,是溝通我國(guó)東、中、西部地區(qū)的水路運(yùn)輸大動(dòng)脈,在流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有極其重要的地位,素有“黃金水道”之稱。目前,長(zhǎng)江干線已成為世界上運(yùn)輸最繁忙、運(yùn)量最大的通航河流。與其他交通運(yùn)輸方式相比,長(zhǎng)江水運(yùn)具有占地少、成本低、能耗小、污染輕、運(yùn)能大、效益高等優(yōu)勢(shì)。隨著水運(yùn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,長(zhǎng)江沿岸碼頭工程的數(shù)量越來(lái)越多,碼頭對(duì)附近水域產(chǎn)生的阻水作用很有可能對(duì)該河段的河勢(shì)及行洪產(chǎn)生影響。因此,研究碼頭建設(shè)對(duì)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(duì)工程建設(shè)前后的河道水流流速、水位的變化情況進(jìn)行了模擬計(jì)算,為該河段工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

        長(zhǎng)江公安河段上起觀音寺,下止新廠,全長(zhǎng)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(gè)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(shí)施護(hù)岸,由于歷年泥沙的不斷淤長(zhǎng),采石洲等5個(gè)江心洲逐漸聯(lián)成一個(gè)整體,成為現(xiàn)在的南五洲。近30a來(lái),公安河段河勢(shì)演變基本平穩(wěn),岸線、深泓及灘槽位置相對(duì)穩(wěn)定。隨著三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用,大量泥沙被攔截在庫(kù)內(nèi),下泄泥沙量大幅度減少,公安河段沖刷強(qiáng)度普遍增[1-2],公安河段河勢(shì)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(zhǎng)江左岸的郝穴作業(yè)區(qū),對(duì)應(yīng)荊江大堤樁號(hào)為鄂江左712+492-712+960。上距在建的荊州長(zhǎng)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(gè)3000噸級(jí)貨運(yùn)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(duì)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(zhǎng)468m。

        高樁碼頭平臺(tái)長(zhǎng)220m,寬25m,頂標(biāo)高40.5m。碼頭平臺(tái)通過2座引橋和1條皮帶機(jī)廊道分別與大堤和后方陸域廊道相接,上游1號(hào)固定引橋長(zhǎng)58.4m,寬12m,下游2號(hào)固定引橋長(zhǎng)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(jī)廊道布置在1號(hào)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(duì)接。

        浮碼頭每個(gè)泊位從江側(cè)往大堤方向均設(shè)置1艘75.0mx16.0m(長(zhǎng)×寬)鋼質(zhì)躉船、2座鋼撐桿系統(tǒng)、1座60mx4.5m(長(zhǎng)×寬)活動(dòng)鋼引橋和1座轉(zhuǎn)運(yùn)樓墩臺(tái),墩臺(tái)頂高40.77m。兩個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)樓墩臺(tái)之間各通過1座鋼引橋連接到2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)樓墩臺(tái),墩臺(tái)頂高程47.70m,2號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)樓墩臺(tái)通過固定鋼引橋與后方陸域連接,引橋全長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(duì)于岸邊界,則采用水流無(wú)滑移條件,即取岸邊水流流速為0。在計(jì)算時(shí),由計(jì)算開始時(shí)刻上、下邊界的水位確定初始條件,初始流速取0,隨著計(jì)算的進(jìn)行,初始條件的偏差將逐漸得到修正,對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的精度不會(huì)產(chǎn)生影響[9]。

        3模型建立與驗(yàn)證

        3.1模型建立

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

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

        3.2模型驗(yàn)證

        采用2014年12月該河段實(shí)測(cè)的水面線與垂線平均流速資料進(jìn)行水位與流速驗(yàn)證。水位驗(yàn)證成果見表1,流速驗(yàn)證成果見圖3。水位、流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(duì)河道水位與垂線平均流速的影響。

        4工程影響計(jì)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(tái),在防洪設(shè)計(jì)洪水時(shí)還有現(xiàn)澆承臺(tái)及部分引橋橋面。為在模型中反映碼頭工程對(duì)河道水流的影響,在網(wǎng)格剖分時(shí),盡可能在碼頭附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,同時(shí)采用局部地形修正與局部糙率調(diào)整來(lái)進(jìn)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(jìn)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(tái)、樁柱等的阻水面積平均加高到相應(yīng)位置的計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上,以考慮建筑物的阻水作用。

        4.2計(jì)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(lái)水量。計(jì)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(jì)洪水條件。1998年沙市站實(shí)測(cè)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(wú)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(jì)洪水條件。根據(jù)《長(zhǎng)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(jì)水位45.0m(相應(yīng)城陵磯水位34.40m,凍結(jié)吳淞高程)時(shí),相應(yīng)泄量采用53200m3/s,因此擬建工程處防洪設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)數(shù)據(jù)所在統(tǒng)計(jì)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(jì)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(lái)流條件下,水位的變化趨勢(shì)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(jì)算分析

        工程對(duì)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(jì)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(yàn)證表明:流速、水位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為一致,模型能較好地反映公安河段的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律,因此將該模型用于計(jì)算分析該河道是可行的。計(jì)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(yuǎn)到達(dá)工程上游約572m。工程修建對(duì)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(yuǎn)到達(dá)工程下游約791m。工程修建對(duì)流速變化的影響較小。因此,碼頭工程建設(shè)對(duì)河道水流的影響較小,不會(huì)對(duì)工程河段河勢(shì)、行洪帶來(lái)影響。

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        (編輯:李曉瀠)

        收稿日期:2019-04-08

        作者簡(jiǎn)介:吳國(guó)君,女,工程師,主要從事港口航道工程設(shè)計(jì)等方面工作。E-mail: 542640865@qq.com

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