水陽江航道整治工程方案數(shù)值模擬研究

任啟明

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

水陽江航道整治工程位于宣城市境內(nèi),為蕪申運(yùn)河支線,也是省政府調(diào)度交通重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目、亞行貸款項(xiàng)目,項(xiàng)目起點(diǎn)為宣城市海棠灣,終點(diǎn)為甘家拐,全程43.9 km,航道按Ⅳ級線型、Ⅲ級斷面標(biāo)準(zhǔn)整治,是在現(xiàn)有Ⅵ級航道基礎(chǔ)上技術(shù)改造成限制性Ⅳ級航道、Ⅲ級水深航道,并建水陽江宣州綜合碼頭工程。

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定:“內(nèi)河航道最小彎曲半徑,易采用頂推船隊(duì)長度的3倍或貨船長度、拖帶船隊(duì)最大單船長度的4倍,在特殊困難河段,航道最小彎曲半徑不能達(dá)到上述要求時(shí),在寬度加大和駕駛通視均能滿足需求的前提下,彎曲半徑可適當(dāng)減小,但不得小于頂推船隊(duì)長度的2倍或貨船長度、拖帶船隊(duì)最大單船長度的3倍。”

水陽江可通航千噸級船舶,千噸級船舶主尺度為49.8 m×10.2 m×2.95 m(長×寬×吃水)。其存在的主要問題有:部分河道斷面淺窄,枯水期水深不足,河道彎曲半徑不滿足Ⅳ級航道要求。

1 研究方案及判別標(biāo)準(zhǔn)

本文以陶村航道為例論述水陽江航道整治工程。陶村現(xiàn)有航道彎曲半徑較小,約為140 m,不滿足規(guī)范要求。為了使陶村航道的彎曲半徑滿足規(guī)范要求,擬對陶村航道整治采用兩種方案,如圖1所示。方案一:在原彎道右側(cè)河漫灘疏挖寬45 m,底高程2.1 m的航道,彎曲半徑約320 m。方案二:在原彎道右側(cè)河漫灘疏挖寬45 m,底高程2.1 m的航道,彎曲半徑約220 m。

圖1 陶村航道改造方案示意圖

參照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》船閘引航道口門區(qū)的水流表面最大橫向流速不能大于0.3 m/s,否則船舶會(huì)發(fā)生橫漂和偏航等事故。

2 控制方程

流場的模擬采用了丹麥水力研究所開發(fā)的平面二維數(shù)學(xué)模型MIKE 21。MIKE 21是一個(gè)專業(yè)的工程軟件包,用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。目前該軟件在中國的應(yīng)用發(fā)展很快,并在一些大型工程中廣泛應(yīng)用,如長江口綜合治理工程、杭州灣數(shù)值模擬、南水北調(diào)工程、重慶市城市排污評價(jià)、太湖富營養(yǎng)模型、香港新機(jī)場工程建設(shè)等。

2.1 控制方程

二維淺水基本控制方程如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

Tij為水平黏滯應(yīng)力項(xiàng),包括黏性力、紊流應(yīng)力和水平對流,這些量是根據(jù)沿水深的平均速度梯度用渦流黏性方程得出的:

(5)

2.2 數(shù)值解法

2.2.1 空間離散

計(jì)算區(qū)域的空間離散是用有限體積法(finite volume method),將該連續(xù)統(tǒng)一體細(xì)分為不重疊的單元,單元可以是任意形狀的多邊形,但在這里只考慮三角形和四邊形單元。

2.2.2 時(shí)間積分

方程的一般形式為:

(6)

對于二維模擬,淺水方程的求解有兩種方法,一種是低階方法,另一種是高階方法。低階方法即低階顯式的Euler方法。

Un+1=Un+ΔtG(Un)

(7)

式中:Δt為時(shí)間步長。高階的方法為按以下形式的使用了二階的 Runge Kutta方法。

(8)

3 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域選在陶村彎道處,模型總長約3.29 km,模型入口選擇在斷面K20+260,模型出口選擇在K23+550。計(jì)算網(wǎng)格由三角形網(wǎng)格組成,整個(gè)河段共劃分7 766個(gè)網(wǎng)格單元。模型網(wǎng)格的劃分及地形如圖2和圖3所示。

圖2 方案一計(jì)算模型

圖3 方案二計(jì)算模型

4 結(jié)果分析

本文選取洪水位、高水位和中水位三種工況對陶村航道整治方案進(jìn)行研究,計(jì)算結(jié)果如圖4～圖9所示。

圖4 洪水位模擬流場圖(方案一)圖5 高水位模擬流場圖(方案一)圖6 中水位模擬流場圖(方案一)圖7 洪水位模擬流場圖(方案二)圖8 高水水位模擬流場圖(方案二)圖9 中水位模擬流場圖(方案二)

方案一:在洪水工況下,彎道處航槽的流速在0.68～1.00 m/s,最大橫向流速為0.17 m/s。在高水工況下,彎道處航槽的流速在0.52～1.05 m/s,最大橫向流速為0.20 m/s。高水位時(shí)陶村航道處航槽的最大流速較洪水位的大,因?yàn)楹樗畷r(shí)流量雖然較大,但其過流斷面面積也相對較大。在中水工況下,彎道處航槽的流速在0.31～0.64 m/s,最大橫向流速為0.09 m/s。

方案二:在洪水工況下,彎道處航槽的流速在0.65～1.25 m/s,最大橫向流速為0.34 m/s,大于規(guī)范要求的0.3 m/s,不利于通航安全。在高水工況下,彎道處航槽的流速在0.58～1.16 m/s,最大橫向流速為0.21 m/s。在中水工況下,彎道處航槽的流速在0.28～0.64 m/s,最大橫向流速為0.08 m/s。

5 結(jié)束語

綜述所述,陶村航道方案一洪水位時(shí),彎道處航槽的最大流速為1.00 m/s,在高水位時(shí)為1.05 m/s,大于洪水位時(shí)的流速。因?yàn)榉桨敢缓樗畷r(shí)流量雖然較大,但其過流斷面面積也相對較大;方案二洪水時(shí)航道的最大流速為1.25 m/s,高水位時(shí)最大流速為1.16 m/s;中水位時(shí),所以方案一的彎道處航槽的流速略小于方案二。

陶村航道方案二較方案一流速大,且方案二的航道彎曲半徑較小,水流與航道夾角較大,但在洪水時(shí)方案二最大橫向流速大于規(guī)范要求0.3 m/s,不利于通航安全,故建議將方案一作為陶村航道的推薦方案。