順岸式碼頭擴建工程對河道水流影響的數值模擬

莫磊　李佳芮　王揚

摘要：基于一、二維水流數值模型模擬珠江三角洲流域某順岸式碼頭擴建工程后工程附近河道的壅水高度和流速變化，分析了擴建工程對工程附近局部流場和河道水流的影響，為順岸式碼頭擴建工程的規劃和設計提供參考依據。

關鍵詞：碼頭擴建工程；一、二維數值模型；壅水高度；流速變化

中圖分類號：U657 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）04-0036-02

近年來隨著碼頭規模化作業的發展，碼頭岸線得到充分的利用，長順岸布置的樁基碼頭得到廣泛應用，珠三角下游以及河口順岸式樁基大多為開敞式碼頭，缺少防波堤或天然屏障的防護，直接受風、浪、流的影響，碼頭所在河道的水動力條件復雜。而在碼頭擴建工程后，又會影響原碼頭附近的水流以及河道流場。因此，在碼頭擴建方案的規劃和設計中，研究碼頭擴建工程對河道水流的影響，確保河道行洪安全具有重大意義。孫東坡等應用平面二維水沙數學模型對碼頭擴建引起河道形勢變化進行的模擬分析。黃東等應用大范圍一維網河數學模型和局部工程河段二維潮流數學模型對網河流域修建碼頭工程對河道行洪納潮影響進行了數值模擬分析。李彬等應用mike21軟件對碼頭群連體擴建前、后的河道水流流態進行了數值分析。本文基于一、二維水流數值模型模擬珠江三角洲流域某順岸式碼頭擴建工程后工程附近河道的壅水高度和流速變化，分析了擴建工程對工程附近局部流場和河道水流的影響。

1.概況

1.1河道概況

碼頭擴建工程位于倒運海水道河口附近，距獅子洋蓮花山東航道約1.3km。倒運海水道屬于東江河網的4條主要出海通道之一，北起東江斗朗，流經中堂、望牛墩、洪梅、麻涌、沙田等鎮，至麻涌鎮角尾村匯入獅子洋，河道全長19km。工程位于河道左岸，下游與三江碼頭相接，距河口約1.3km。工程所在河寬約380m，河道斷面平均水深約為8.3m。

1.2工程設計方案

碼頭擴建工程按高樁式碼頭設計，在下游已有的三江碼頭東北端順延建設，采用順岸連片式布置，碼頭前沿線與三江碼頭基本平齊，前沿伸出岸線約58m。擴建碼頭平臺長245m，寬18m，碼頭面高程4.54m。碼頭平臺與用一座鋼筋砼引橋連接，引橋長40m，寬9m，引橋軸線與碼頭平臺軸線垂直。利用后方岸線長度約246m。

碼頭前沿停泊水域寬度取2倍20000DWT化學品船船寬，為36m，其疏浚水深按20000DWT化學品船使用要求設計，設計底標高為-11.60m。回旋水域布置在碼頭的正前方，平面尺度為171m×285m，其設計底高程與航道設計底高程一致，為一10.66m。

工程所在河道及總平面布置見圖1。

2.模型構建及驗證

2.1一維模型研究范圍

從計算水動力的觀點來看，整個西、北、東江下游及其三角洲構成一個較完整的水動力系統，西、北江下游三角洲通過獅子洋與東江三角洲相連。模型將整個珠江三角洲范圍納入計算范圍。一維網河水動力數學模型的研究范圍為：上邊界位于馬口、三水、老鴉崗、麒麟咀、博羅、石嘴水文站，下邊界至虎門、蕉門、洪奇瀝門、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門及崖門。

2.2二維模型計算范圍

二維數學模型的研究范圍在一維模型中選取，上邊界取自前航道前57斷面，倒運海水道倒-16斷面，洪屋-9斷面，沙灣36斷面，南支-72斷面，下邊界取至獅子洋獅-24斷面。

計算網格采用三角形非結構網格，網格大小疏密沿河道河勢寬窄變化不等，同時對工程附近的網格進行局部加密，共布設網格8516個，網格步長5m-400m不等。平面二維模型計算范圍及網格布置見圖2。

2.3模型驗證

選取“2001.2”枯水組合的資料對模型進行潮位和流量驗證，工程附近彰澎水位站點潮位驗證結果見圖3，流量驗證結果見及圖4。由驗證結果可知，模型計算代表潮位值與實測值之間的誤差均小于0.1m，洪峰流量誤差小于20%，計算潮位、流量過程線與實測過程線吻合良好，相位基本一致。珠江網河區糙率分布大致介于0.015-0.036之間，三角洲上游河段糙率較大，口門段較小。模型驗證誤差符合水利工程計算規范要求，糙率分布合理。

3.計算結果分析

3.1壅水計算

根據數值計算結果，可求得設計水文組合條件下（P=0.5%、1%、2%和5%），碼頭工程興建前、后，工程所在河段各斷面的現狀洪水位及其變化值（工程后一工程前），見表1、表2。

碼頭工程擴建后，上游附近河段的水位略有上升；碼頭所在斷面則因為受過流面積減小、局部阻力增大的共同影響，表現為水位有所降低、流速有所增大；對于工程下游河段，受上游來流量減小的影響，其洪水位略有降低。且在以洪為主的條件下，工程附近的水位變化較以潮為主明顯。P=0.5%時，工程上游水位壅高最大約0.004m，隨著斷面與碼頭距離的增加，水位壅高值逐漸減小；碼頭所在斷面水位最大降幅約0.001m。

3.2流場分析

以200年一遇洪水為例，碼頭擴建工程建前、后流場和流速變化等值線圖見圖5～圖6。

從工程方案實施后前后流場對比圖可以看出流態改變的顯著區域集中在碼頭周圍，表現為碼頭上游端出現明顯的繞流流態，水流向碼頭左右兩側偏轉，碼頭附近無明顯回流區域。碼頭附近的流態變化隨漲落潮呈現不同的規律，漲潮階段，碼頭兩側及上游端部流向均沿水流方向向左偏轉，落潮階段，碼頭上游端流向沿水流方向向右偏轉，碼頭兩側流向均沿水流方向向左偏轉。

根據流速等值線變化情況，流速減小的范圍主要在碼頭上游和碼頭前沿的停泊水域流速增大的范圍主要在碼頭下游段至三江碼頭與堤防之間的近岸水域，此外，碼頭工程斷面主槽區至對面河岸的水域范圍流速略微增大。

4.結語

本文基于一、二維水流數值模型模擬珠江三角洲流域某順岸式碼頭擴建工程后工程附近河道的壅水高度和流速變化，壅水計算結果表明，碼頭擴建工程對上游洪水位最大抬高值在0.004m以內，碼頭對河道水面線壅高影響不大。流速計算結果表明，碼頭上游端出現明顯的繞流流態，水流向碼頭左右兩側偏轉，碼頭附近無明顯回流區域。碼頭上游和碼頭前沿的停泊水域流速減小，流速變化的范圍在0.4m/s以下；碼頭下游段至三江碼頭與堤防之間的近岸水域流速增大，流速變化的范圍在0.2m/s以下。