彭 雪

（銅仁市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 銅仁 554300）

長江是中國第一大河，具有得天獨(dú)厚的航道和廣闊的水運(yùn)前景，被譽(yù)為我國東、中、西三大區(qū)域的“金水道”，上游受地形和山區(qū)災(zāi)害等因素影響，鐵路和公路難以東、西向直接運(yùn)輸，貨物運(yùn)輸規(guī)模小、運(yùn)營成本高，因此，航運(yùn)成為河流上游地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，長江上游的港口在規(guī)模、設(shè)施和功能等方面已無法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，可以預(yù)期，未來在水力發(fā)電的帶動(dòng)下，將會(huì)出現(xiàn)新一輪港口與碼頭建設(shè)熱潮。

在碼頭工程建設(shè)的過程中，由于不同的碼頭形式與布局會(huì)對(duì)河道的流態(tài)產(chǎn)生很大影響，因此，碼頭布置形式是這類工程建設(shè)成功的關(guān)鍵因素。為規(guī)范碼頭工程建設(shè)，該文研究了工程對(duì)山區(qū)河道水流的影響，對(duì)碼頭工程進(jìn)行規(guī)范化管理。

1 概化模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

河道水流流態(tài)的改變受多種因素共同影響，在實(shí)際工程中，通常難以分辨由多種因素引起的復(fù)雜現(xiàn)象，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生主觀想象。需要采用一些方法去除或區(qū)分無關(guān)因素，以避免分析結(jié)構(gòu)受到相關(guān)因素干擾。在不改變物理性質(zhì)的前提下，概化模型可以有效地簡化這類問題，并可以提供解決問題的新思路。概化模型與傳統(tǒng)的縮放模型相比有很大區(qū)別，概化模型基于相似性理論建設(shè)，能滿足相似條件，在很大程度上可以反映原型的基礎(chǔ)狀況，優(yōu)勢(shì)十分顯著。該文將采用設(shè)計(jì)概化模型的方式，對(duì)該課題進(jìn)行研究。

1.1 試驗(yàn)裝置

為滿足試驗(yàn)需求，在某地區(qū)水利水運(yùn)工程實(shí)驗(yàn)室水槽內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，水槽的供回水方式如圖1 所示。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置相關(guān)技術(shù)條件，見表1。

表1 試驗(yàn)裝置相關(guān)技術(shù)條件

在試驗(yàn)中，對(duì)應(yīng)變坡水槽安裝流量測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由終端計(jì)算機(jī)設(shè)備、電動(dòng)閥門和流量計(jì)等構(gòu)成，當(dāng)變坡水槽的流量為20L/s 時(shí)（小流量），設(shè)計(jì)的流量測(cè)量誤差應(yīng)在1%內(nèi)，當(dāng)變坡水槽的流量為20L/s～400L/s 時(shí)（大流量），設(shè)計(jì)的流量測(cè)量誤差應(yīng)在2.5%內(nèi)。

在試驗(yàn)前，為避免水槽流量過大，需要在對(duì)應(yīng)的進(jìn)水處增設(shè)消能池，以避免小流量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.2 試驗(yàn)水流特征與試驗(yàn)水槽參數(shù)設(shè)計(jì)

為更直觀地反映山區(qū)河道水流特征，設(shè)定水槽寬度為2.3m，坡度為0.82°。在此條件下，計(jì)算水槽的水力值，如公式（1）所示。

式中：R為水槽的水力值；Re為雷諾數(shù)；χ為寬深比；B為水槽的寬度；H為水槽的高度。

在掌握試驗(yàn)水流特征的基礎(chǔ)上，生成水槽中紊流，均勻紊流的生成過程如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)水槽中均勻紊流的生成過程

在生成紊流的過程中，計(jì)算對(duì)應(yīng)的巖流層形狀參數(shù)，如公式（2）所示。

式中：H12為巖流層形狀參數(shù)；δ1為對(duì)應(yīng)巖層的位移厚度；δ2為對(duì)應(yīng)巖層的動(dòng)量厚度。

完成上述內(nèi)容的設(shè)計(jì)后，確定水槽內(nèi)試驗(yàn)段的長度，考慮水槽的槽壁為粗糙面，為在水槽內(nèi)形成均勻紊流，計(jì)算試驗(yàn)段長度如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)段長度設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)量方法

1.3.1 均勻流率定

完成上述步驟后，試驗(yàn)前需要對(duì)水槽中水流的均勻流率定進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，以16 把水尺所對(duì)應(yīng)的剖面為控制剖面，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的水槽中，河床的平均比降對(duì)應(yīng)0.82‰，所以用水尺讀取數(shù)據(jù)，誤差應(yīng)在±5%內(nèi)。同時(shí)，在水槽中選擇8m、10m、12m 位置作為3 個(gè)試驗(yàn)斷面，采用流量儀測(cè)量水和底流速度，使斷面上的水流速度分布趨于平均，每段的水流速度和底流速度應(yīng)沿程保持不變，測(cè)量中誤差在±5%內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，反復(fù)調(diào)節(jié)水槽進(jìn)水口位置的格柵，確保水槽內(nèi)的水流滿足均勻流等測(cè)定需求。繪制均勻流對(duì)應(yīng)的流量-水深關(guān)系如圖4 所示。測(cè)定結(jié)果滿足圖4后，作為正式試驗(yàn)過程中的水槽水流調(diào)節(jié)依據(jù)。

圖4 均勻流對(duì)應(yīng)的流量-水深關(guān)系示意圖

1.3.2 水位、流速場測(cè)量

當(dāng)測(cè)量水位時(shí)，需要先將水槽內(nèi)一定流量的水流調(diào)整為均勻水流，再按照下述步驟，測(cè)量試驗(yàn)中水位。在此過程中，需要在水槽布置水流斷面，按照均勻流率定方式，讀取水尺數(shù)據(jù)，來掌握斷面水位。同時(shí)，結(jié)合碼頭工程的具體情況，在試驗(yàn)段布置加測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)，最后輔助水準(zhǔn)儀得到對(duì)應(yīng)位置的水位。

當(dāng)測(cè)量流速場時(shí)，設(shè)置水槽內(nèi)的水流流量為60L/s 和120L/s，先將水槽內(nèi)的水流調(diào)節(jié)為均勻流，在確保水槽內(nèi)水流流速穩(wěn)定的前提下，設(shè)計(jì)水槽內(nèi)的水流流量為60L/s，再使用VDMS 測(cè)量系統(tǒng)（流場實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)），在碼頭工程段附近測(cè)量表面流速場。最后根據(jù)試驗(yàn)需求與設(shè)計(jì)的測(cè)量方案，將水槽內(nèi)的水流流量由60L/s 調(diào)整為120L/s，按照上述步驟，可以對(duì)流速場進(jìn)行測(cè)量。

2 碼頭工程對(duì)山區(qū)河道水流水位的影響分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，首先明確碼頭工程對(duì)山區(qū)河道水流水位的影響。在河流中建造碼頭后，對(duì)水流的阻滯使其上游的比降變小、流速變慢、水位變高；在碼頭前段，因河道水流收窄，比降、流速急劇增加，水位下降[1]。但在靠近碼頭的下游，慣性使水流不斷壓縮，比降、流速不斷增加，水位不斷下降。在達(dá)到收縮斷面后，漫溢使水位又逐步上升，與自然河道匯合后水流恢復(fù)自然狀態(tài)[2]。根據(jù)上述分析，計(jì)算最大壅水高度。碼頭阻水會(huì)導(dǎo)致水位壅高值上升，這直接關(guān)系到防洪安全、河流通航等[3]。從能量守恒的角度出發(fā)，采用推導(dǎo)的方式確定碼頭工程中最大壅水高度的理論計(jì)算公式。碼頭工程對(duì)于水流局部水頭的損失主要集中在壅高斷面到恢復(fù)斷面上的河段內(nèi)。按照能量守恒原理，建立斷面能量平衡如公式（3）所示。

式中：Z1為碼頭修建前斷面1 的水位；Z3為碼頭修建前斷面3 的水位；α為碼頭修建后的動(dòng)能修正系數(shù)；v為碼頭修建后的水流流速；g為重力；hf1-3為沿程水頭損失。在完成對(duì)碼頭的修建后，可以改寫，成如公式（4）所示。

式中：Z'1為碼頭修建后的斷面1 的水位；Z'4為碼頭修建后斷面3 的水位；α'為碼頭修建后的動(dòng)能修正系數(shù)；v'為碼頭修建后的水流流速；hj為局部水頭損失量。通過計(jì)算，碼頭工程局部的水頭損失如公式（5）所示。

式中：ξ為碼頭局部阻力系數(shù)；v'2為河道水流的特征流速，可以通過碼頭工程中心斷面的壓縮流速計(jì)算得出。為探究碼頭工程對(duì)三區(qū)河道水流水位的影響，記錄不同規(guī)格的淹沒丁壩和非淹沒丁壩的最大壅高發(fā)生位置、壅水影響范圍等數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2 不同丁壩類型水位壅水情況記錄表

淹沒丁壩1 的規(guī)格為5cm×6cm×5cm；淹沒丁壩2 的規(guī)格為15cm×5cm×4cm；淹沒丁壩3 的規(guī)格為32cm×6cm×5cm。通過試驗(yàn)研究，淹沒丁壩在流量最小的情況下，最大壅高基本位于丁壩中心線上[4]。當(dāng)流量最大時(shí)，最大壅高分布在丁壩中心線的上游位置。

3 碼頭工程對(duì)山區(qū)河道水流流速的影響分析

在完成碼頭工程的修建后，隨著工程周圍的河道地形發(fā)生變化，附近河道水流的水位和比降也會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)流速分布情況會(huì)隨之改變[5]。結(jié)合上述模型得到的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)碼頭工程對(duì)山區(qū)河道水流流速的影響進(jìn)行分析。得出各個(gè)類型的碼頭結(jié)構(gòu)下，工程周圍河道水流流速影響程度和范圍[6]。在試驗(yàn)的過程中，共設(shè)置3 種不同的淹沒丁壩寬度，分別為10cm、15cm 和30cm，以及設(shè)置一種寬度為18cm 的非淹沒丁壩[7]。按照上述試驗(yàn)將流量設(shè)置為60L/s和150L/s。記錄不同寬度的淹沒丁壩和非淹沒丁壩在不同流量條件下對(duì)山區(qū)河道水流流速影響，包括最大流速增值、發(fā)生位置以及影響范圍，見表3。

根據(jù)表3 可以看出，淹沒丁壩造成的最大流速增值會(huì)隨著丁壩的寬度增加而呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，隨著流量不斷增加，最大流速也會(huì)呈增加趨勢(shì)。非淹沒丁壩的最大流速增值受到流量變化的影響程度較低[8]。在相同流量的情況下，非淹沒丁壩的最大流速增長比相近寬度下淹沒丁壩大。淹沒丁壩和非淹沒丁壩的流速影響范圍會(huì)隨著丁壩寬度增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，同時(shí)隨著流量增加而增加。在流量相同的情況下，非淹沒丁壩所造成的最大流速增值比相近寬度的淹沒大壩更大。結(jié)合流速變化的范圍分布可以看出，工程側(cè)的上游和下游流速變小，工程對(duì)岸的上游和下游水域流速增加。

4 結(jié)論

通過上述研究，明確碼頭工程對(duì)山區(qū)河道水流的具體影響如下：1）當(dāng)流量很小時(shí)，淹沒丁壩最大壅高基本在丁壩中心線上，當(dāng)流量很大時(shí)，最大壅高在丁壩中心線上的上游。非淹沒丁壩不管流量大小，最大壅高均位于壩的中心線上游。2）碼頭工程前沿到對(duì)岸上游和下游流速會(huì)增加，工程側(cè)的上游和下游流速變小。碼頭工程造成的最大流速增幅主要分布在工程的前沿且向下游偏向河心狹長帶。