Delft 3D在某航道整治工程中的應用

余衛鋒　劉艷秋　胡飛

摘 要：某航道設計為限制性Ⅳ級航道，其甘家拐段為皖蘇界河，右側主汊道進入江蘇。該段河道左右岸邊灘較為發育，彎曲半徑不足200m，為滿足設計航道標準，首先采取裁彎切灘并內側加寬方案達到船舶通航需求；其次，采用AutoBank軟件計算切灘后堤防穩定性；最后，采用荷蘭Delft水利機構的Delft 3D模型，對甘家拐等彎曲段、匯流段水流條件進行了初步數模分析。結果表明，裁彎切灘方案能滿足堤防穩定及設計航道需求，但甘家拐段受地形限制，高水期橫向流速仍大于0.3m/s，下階段需對其流態進行物理實驗研究，進一步完善整治措施。

關鍵詞：裁彎取直 內側加寬 抗滑穩定計算 數模分析

航道是水運的基礎，既受自然條件影響，也離不開人類活動的干預。對于不能達到通航標準的天然河流，需通過機械疏浚、裁彎取直、退堤拓寬、建設水工建筑物等措施，滿足通航船舶及運量需求，提供航道的經濟效益。

工程概況

1、設計背景

某航道在甘家拐處一分為二，干流右向以急彎入江蘇高淳境內西陡門方向，現狀河道呈“V”形彎，彎曲半徑約100m，需裁彎切灘。根據河道現狀條件，凸岸現有灘地存在，深槽貼凹岸，擬按200m彎曲半徑裁彎同時對彎道內側作加寬處理。

2、工程勘探

該段航道隨著降水量的季節變化，河水流速變化較大，河道中沉積了典型的河床相及河漫灘相地層。地層以深灰色淤泥質粉質粘土為主，夾粘土薄層。由于河水流速大小的變化，沉積環境發生變化，所夾粘土層厚度亦發生變化，部分地段夾有淤泥、粉砂、細砂、中砂層。

3、試驗研究

采用荷蘭Delft水利機構的Delft 3D模型，對甘家拐等彎曲段、匯流段水流條件進行了初步數模分析。

設計方案的確定

1、設計方案

為達到設計航道Ⅳ級標準，可采用裁彎退堤和裁彎切灘兩種方案。如果采用裁彎退堤方案需退建江蘇境內相國圩3級堤防，難度較大；裁彎切灘方案通過減小航道彎曲半徑并內側加寬滿足規范要求，工程量小且無需退建堤防，對河道的擾動也較小，工程實施后河道穩定性較方案一好。且該段工程量均在江蘇省境內，協調工作量較大，本階段按裁彎切灘方案布置。

根據河道現狀條件，凸岸現有灘地存在，深槽貼凹岸，擬按200m彎曲半徑裁彎同時對彎道內側作加寬處理。加寬值根據彎道加寬值公式計算：

△B=L2/（2R+B）

式中：L 為單船最大單船長80m；B 為直線段設計航道寬度45m；R 為航道的彎曲半徑200m。

△B 為加寬值（m），加寬段以1：2的漸變率過渡到正常段，根據計算加寬值為14.4m，取14.5m。據此布置航道，不退建堤防，為保證凸嘴堤腳穩定對其進行防護。

2、工程量

對甘家拐彎曲段裁彎切灘，近堤段采用抓斗船疏挖，疏浚工程量6.68萬方。

3、堤防抗滑穩定性計算

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）規定，穩定計算采用瑞典圓弧滑動法，具體計算應用河海大學編制的土石壩穩定分析系統（SLOPE）。經計算，甘家拐處裁彎切攤后，施工期迎水坡抗滑安全系數1.08，堤防穩定滿足規范要求。

整治效果分析

采用數學模型對裁彎切灘后的水流流態進行分析。

1、模型建立

流場的模擬采用了荷蘭Delft水利機構的Delft 3D模型，主要使用Delft 3D-FLOW模塊。Delft-3D-flow模型是一個三維的水動力輸運模型，該模型采用曲線正交網格。水動力模塊建立在Navier-Stokes方程的基礎上，采用交替方向法（ADI）對該坐標系下的控制方程組進行離散求解。應用沿水深平均的兩維水流數學模型來計算，采用大小模型嵌套的技術進行數值模擬。其特點是由多個模塊靈活組成，模塊間聯系性強，采用貼體正交曲線網格，計算穩定，精度高。

2、工況選取

采用高水位、中水位、平灘水位工況下，利用數學模型分析彎道速度矢量場、法向速度標量場。

3、模擬結果

如上分析，甘家拐段采用裁彎切灘方案彎頂處高水期橫向最大流速0.6m/s、中水期橫向最大流速0.4m/s。甘家拐段受地形限制，高水期橫向流速仍大于0.3m/s，下階段需對其流態進行物理實驗研究，進一步確定整治措施。

結語

裁彎切灘方案通過小半徑航道內側加寬能滿足規范要求，工程量小且無需退建堤防，對河道的擾動也較小，工程實施后河道穩定性較方案一好。但Delft數學模擬結果表明，該段高水期橫向流速仍大于0.3m/s，建議下階段對其流態進行物理實驗研究，進一步完善整治措施。

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[5] JTJ312-2003， 《航道整治工程技術規范》[S].

（作者單位：安徽省交通勘察設計院有限公司）endprint