宿遷中心港三期碼頭工程水動力特性研究

任強

摘 要：利用水動力數值模型，研究宿遷中心港挖入式碼頭工程港池內的水動力特征及其對航運的影響，分析工程建設對航道航深、航寬及流速分布規律的影響，以及工程建設前后流場的變化規律。結果表明：碼頭建成后，碼頭前沿水流流速較低，對河槽不會產生較大影響，但由于流速遠小于主流流速，將引起水域局部淤積，需進行定期清淤。

關鍵詞：數值模擬;水動力特性;宿遷港碼頭;港池

中圖分類號：U656.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0126-04

碼頭工程在建設前后會對所在航道附近的流速、流態以及流場產生較大影響，由此產生的復雜水流狀態會進而影響過往船只的航行，尤其是碼頭建設大型化規?；慕裉?，連片港池的建設是否會影響到原有港池及航道的正常運行是非常值得注意的問題。所以在新建或擴建碼頭前，對碼頭建設前后的水動力情況進行深入分析是十分有必要的。隨著科學技術的發展，在國內的水運工程建設中，水動力數值分析模型越來越廣泛地被使用，計算出的結果能夠比較科學地分析工程建設前后的水動力條件影響，進而為工程建設提供指導。成積禧、章雪濤[1]等人針對日益擴大的日照港建立了日照港區二維潮流數學模型并進行數學模型分析，研究各期工程日照港水域水流條件的變化并進行比較;魏龍[2]等人就冀東南堡人工島附近海域的潮流及泥沙場進行模擬，分析人工島工程前、后的潮流變化條件;汪守東[3]利用整體潮流、波浪和泥沙數學模型，對煙臺港海陽港區建設前后水流情況進行了分析;聞云呈[4]等人針對射陽港水動力運動較為復雜的情況，對射陽港及其航道工程進行了數值模擬分析以指導后期的工程建設。宿遷中心港三期碼頭工程由于附近有一建一期碼頭工程和二期碼頭工程兩座已建碼頭，且碼頭都為挖入式布置型式，導致周邊水流條件更為復雜，具有很好的研究意義。

1工程概況

擬建宿遷港中心港區中心作業區三期碼頭工程位于宿遷市宿城區洋北鎮境內，京杭大運河宿遷閘～劉老澗閘段的右岸，項目緊鄰中心港區中心作業區二期碼頭工程東側，擬采用順岸挖入式布置形式，建設2000噸級泊位11個，項目占地約71.5萬m2，占用岸線871m。建設項目地理位置圖和與鄰近碼頭相對位置圖見圖1。

2 控制方程

基于Bousinesq渦粘假定和靜壓假定理論，沿垂向平均分布的二維潮流數學模型控制方程表述如下：

（1）連續方程：

（1）

（2）動量方程：

（2）

（3）

式中：為垂向總水深;為當地水位;為時間;為重力加速度;、分別為和方向垂向平均流速;為科氏力參量;為謝才系數，，為曼寧系數;是地球自轉角速度，是當地緯度;、、、為不同方向上渦粘系數。

計算中，模型的初始條件設定為靜水條件，模型的固邊界采用法向流速為0的邊界條件，上下游開邊界分別采用流量和水位控制。

此外，工程區附近京杭大運河兩側存在漫灘[5]，為更好刻畫漫灘地形，采用干濕點判別法對動態邊界水域進行處理。

3 模型建立

建立工程河段的平面二維水流數學模型進行分析。模型上游邊界位于擬建惠然實業碼頭上游1500m，模型下游邊界位于擬建碼頭下游850m。模型范圍見圖2。

模型采用非結構三角形網格，可較好地貼合岸線及自然邊界，網格尺寸10～40m，并對工程區附近水域網格進行局部加密。工程前網格共設計網格節點1306個，網格2332個，工程后網格網格共設計網格節點1934個，網格3587個。工程前后計算區域的網格剖分圖分別如圖3及圖4所示。

4 計算參數

（1）時間步長：模型計算時間步長根據CFL條件動態調整，為確保模型計算穩定進行，最小時間步長0.01s;

（2）糙率：經過模型驗證，河道糙率取0.02～0.03;

（3）渦粘系數：采用考慮亞尺度網格效應的Smagororinsky（1963）公式計算。

5 碼頭工程建設影響

5.1碼頭建設前后對水流條件影響

在防洪水位工況下，碼頭建成前后的流場圖如圖5及圖6所示。

由圖5可知，工程建成前，整體上航道中水流條件較優，沒有不良流態的出現。就河道兩側邊灘而言，水流流向較為散亂但流速均不足0.16m/s;就深泓流速而言其范圍為0.9～1.3m/s，深泓流速的最大值出現在擬建碼頭工程下游水域，這主要是由于水流傳播至該水域時河寬明顯束窄所致，深泓流速的最小值出現在二期工程附近河段，發生該現象的主要原因為該河段河寬較其余河段明顯較大。

對比圖5和圖6可知，擬建工程對河段流場的影響主要集中在工程區附近。工程建成以后，挖入式港池底高程與航道設計底高程一致，工程區水深及水域寬度的增加客觀上造成河段過水斷面增加，河段深泓流速有所下降。此外，由于彎曲河段以及科氏力的影響，工程區附近水流流向有向港池一側變化的趨勢，港池內出現回流和垂直于航道方向的橫向流速，但港池內流速較小，最大值也不超過0.6m/s。

5.2 碼頭工程對航深的影響

防洪水位工況下，在碼頭前沿，由于人工疏浚，河床高程大幅下降，水深增大;而在主航道區域的水深變化很小，碼頭建成對主航道水深基本沒有影響。

5.3 碼頭工程對流速的影響

為進一步分析擬建碼頭對航道流速的影響，沿碼頭附近的設計航道中心線按間隔130m布置14個采樣點，對碼頭建成前后的流速變化進行分析。采樣點的布置如圖7所示。

從表1可知，碼頭工程建設后，對于位于工程附近的采樣點（A3～A11），由于過水斷面的增加，流速明顯減小，流速最大減小值為0.47m/s，最大下降幅度為39%;距工程點稍遠處的采樣點（A1～A2，A12～A14），受工程影響較小，流速下降幅度在3%以內;上述規律反映各采樣點與工程的距離與流速變化關系密切。

總體而言，工程實施后，工程區附近航道的流速減小，而這對船舶上行無明顯不利影響。

5.4 碼頭工程對橫流的影響

為了計算工程建設對航道橫流的影響，對圖7中采樣點處工程建設前后的橫流變化列于表2。

分析表2，工程后，采樣點橫流流速最大值由0.14m/s下降至0.07m/s，橫流流速的減小有利于通航條件的改善。

6 結語

數值模型計算分析了最不利工況（防洪水位）下，本工程對工程河段通航條件的影響，主要結論如下：

（1）工程后，由于局部區域平面形態突變，流向受固邊界條件影響，略有變化，但未形成紊亂或渦流，整體流向也未改變，對通航條件基本無影響;

（2）工程后，主航道區域的水深變化很小，碼頭建成對設計航道水深基本沒有影響。由于挖入式港池導致的岸線以及地形的變化，工程區附近航道的流速呈現明顯減小或小幅增加的變化規律，對通航條件無明顯不利影響;

（3）工程后，航道橫向流速減小，橫流流速的減小有利于通航條件的改善。

由于采用順岸挖入式型式布置，且碼頭前沿線與水流保持平順，港池工程的開挖，在一定程度上改變了原河槽地形，但由于工程河段河勢穩定，且碼頭區域河段邊界相對固定，河床演變緩慢，此處的水流態勢不會有大的變化。碼頭前沿均采取可靠的護坡措施，水流變化基本不會影響到碼頭基礎工程。

綜合數值模擬分析結果，碼頭建成后，碼頭前沿水流流速較低，碼頭建設后河槽不會產生較大影響，但由于流速遠小于主流流速，碼頭前沿水域水流挾沙力不足，將引起該水域產生一定的淤積。實際運行時應定期進行清淤，可保證河勢的穩定和作業船只安全靠離泊。

參考文獻：

[1]成積禧，章雪濤.日照港水域水動力數學模型及港區回淤分析研究[J].港工技術，2004（02）：1-6.

[2]魏龍，王義剛，黃惠明，孟超.冀東南堡人工島工程潮流泥沙數值模擬[J].水運工程，2012（06）：43-47+51.

[3]汪守東，徐洪磊.煙臺港海陽港區沙灘沖淤穩定性數值模擬分析[J].水運工程，2010（07）：11-17.

[4]聞云呈. 二維波浪潮流泥沙數學模型在射陽港航道整治工程中的應用[C]. 中國海洋學會海洋工程分會.第十四屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集（下冊）.中國海洋學會海洋工程分會：中國海洋學會海洋工程分會，2009：215-220.

[5]袁濤峰，周衛東.唐坊碼頭工程挖入式港池對航道的影響及對策研究[J].中國水運（下半月），2015，15（07）：257-259+263.