碼頭工程建設對長江中游典型河段水流影響的數值模擬研究

文章編號：1006-0081（2019）09-0018-04

摘要：為了研究碼頭工程建設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學模型，計算分析了工程建設前后附近河段的水位、流速變化情況。結果表明：工程建設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。建立的二維水流數學模型可準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。

關鍵詞：水位;流速;數學模型;碼頭工程;公安河段;長江中游

中圖法分類號：TV147

文獻標志碼：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，占全國內河的52%，水運量占80%，是溝通我國東、中、西部地區的水路運輸大動脈，在流域經濟社會發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、效益高等優勢。隨著水運經濟的發展，長江沿岸碼頭工程的數量越來越多，碼頭對附近水域產生的阻水作用很有可能對該河段的河勢及行洪產生影響。因此，研究碼頭建設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學模型，對工程建設前后的河道水流流速、水位的變化情況進行了模擬計算，為該河段工程建設提供技術支撐。

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個江心洲逐漸聯成一個整體，成為現在的南五洲。近30a來，公安河段河勢演變基本平穩，岸線、深泓及灘槽位置相對穩定。隨著三峽水庫蓄水運用，大量泥沙被攔截在庫內，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城區上游，長江左岸的郝穴作業區，對應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，通過下堤道路與規劃道路連接。皮帶機廊道布置在1號固定引橋的上游側，采用多跨鋼引橋結構跨堤，并與后方陸域廊道對接。

浮碼頭每個泊位從江側往大堤方向均設置1艘75.0mx16.0m（長×寬）鋼質躉船、2座鋼撐桿系統、1座60mx4.5m（長×寬）活動鋼引橋和1座轉運樓墩臺，墩臺頂高40.77m。兩個轉運樓墩臺之間各通過1座鋼引橋連接到2號轉運樓墩臺，墩臺頂高程47.70m，2號轉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

本次數學模型基于正交曲線坐標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，對最終計算結果的精度不會產生影響[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的河段作為二維數學模型的計算區域（見圖1）。計算河段的地形資料采用2016年10月實測地形資料。

計算網格采用正交曲線網格，在工程河段布置600x120個網格，其中ξ方向網格數600個，平均斷面間距8lm;η方向網格數120個，平均網格寬度約33m。同時，為使網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，流速誤差在0.1m/s之內，符合JST/T231-4-2018《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》要求。因此，模型中相關參數的取值是合理的，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，在防洪設計洪水時還有現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，在網格剖分時，盡可能在碼頭附近對網格進行局部加密，同時采用局部地形修正與局部糙率調整來進行概化處理。

（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位置的計算網格節點上，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，結果詳見表2。

（1）1998年洪水的防洪設計洪水條件。1998年沙市站實測最大流量為53700m3/s，相應水位45.22m（凍結吳淞高程）。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水位為40.52m。

（2）防洪設計洪水條件。根據《長江流域防洪規劃》，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。根據近年資料分析，當沙市站水位為防洪設計水位45.0m（相應城陵磯水位34.40m，凍結吳淞高程）時，相應泄量采用53200m3/s，因此擬建工程處防洪設計洪水取53200m3/s，相應水位為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，表中統計數據所在統計斷面為過水斷面面積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域內，具體表現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域內，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），流速變化結果見表5。

5結論

本文通過建立平面二維水流數學模型，計算了碼頭工程建設前后附近河段的水位、流速變化情況。數學模型驗證表明：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律，因此將該模型用于計算分析該河道是可行的。計算結果表明：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計等方面工作。E-mail： 542640865@qq.com