山區(qū)內(nèi)河航道碼頭方案影響水動(dòng)力數(shù)值研究

程海迅，李麗，邱炳然，臧志鵬

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司天津分公司，天津 300457；3.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300350）

本研究項(xiàng)目位于我國(guó)東北山區(qū)某河流上游，為解決當(dāng)?shù)睾降拦芾砭肿鳂I(yè)船舶停靠的問(wèn)題，擬在河岸新建小型碼頭工程，以滿足船舶停靠、管理和養(yǎng)護(hù)等功能。同我國(guó)多數(shù)山區(qū)中小型河流相似，該項(xiàng)目所在河道具有表面比降大、礫石遍布、灘淺流急等特點(diǎn)；此外，山區(qū)河流徑流模數(shù)大、匯流時(shí)間較短，夏季暴雨影響下，極易發(fā)生山洪災(zāi)害，但洪水持續(xù)時(shí)間通常較短。流量與水位變幅大是山區(qū)河流一個(gè)重要的水文特點(diǎn)，其最大流量與最小流量的比值有時(shí)可達(dá)幾十倍[1,2]。在河道上修建的碼頭建筑物占據(jù)一定的過(guò)水面積，會(huì)改變河道水流特性，可能對(duì)河道通航、行洪、河勢(shì)穩(wěn)定、水運(yùn)交通等帶來(lái)一定影響[3]。

為了更好地開(kāi)展項(xiàng)目實(shí)施，通常需要利用數(shù)學(xué)模型或者實(shí)驗(yàn)手段對(duì)工程方案的水流和泥沙特性進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)[3,4]。本文通過(guò)數(shù)值模擬山區(qū)內(nèi)河航道碼頭工程前后水流和泥沙演化規(guī)律，分析不同流量下的河道斷面的水位、流速以及河道沖淤變化，研究修建航道碼頭的工程影響，為碼頭工程方案設(shè)計(jì)和實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型建立及條件

本文基于MIKE21 HD 模塊建立河道的平面二維水動(dòng)力模型，并基于ST 模塊對(duì)河道的泥沙沖淤演變進(jìn)行模擬。MIKE21 采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，在處理水流動(dòng)邊界、復(fù)雜工程建筑物邊界等方面具有強(qiáng)大的功能，且計(jì)算穩(wěn)定性良好，已在國(guó)內(nèi)外許多工程項(xiàng)目研究中得到了廣泛應(yīng)用，其模擬結(jié)果具有較高的承認(rèn)度[5-7]。

項(xiàng)目航道碼頭方案實(shí)施前的水深地形如圖1（a）所示，在河道變寬處擬建一個(gè)作業(yè)船舶碼頭。圖1（b）為碼頭工程建設(shè)之后的水深地形圖，港池及碼頭前沿停泊水域比原河道高程向下開(kāi)挖1.0～1.2m；寬度18m；港池回旋水域直徑45m，碼頭前沿回旋水域直徑75m。為了水流計(jì)算穩(wěn)定，本文選取碼頭上下游各1.5km 長(zhǎng)度范圍建立水動(dòng)力數(shù)值模型，并沿河道上游至下游設(shè)置了6個(gè)斷面進(jìn)行水位和流速的變化監(jiān)測(cè)，如圖2（a）所示。

圖1 河道底標(biāo)高（a）方案前，（b）方案后

圖2 河道數(shù)值模型示意圖（a）斷面位置，（b）速度場(chǎng)（Q=200 m3/s）

項(xiàng)目方案實(shí)施前，在河道內(nèi)進(jìn)行了流量和流速的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。針對(duì)觀測(cè)流量為Q=200 m3/s 的工況進(jìn)行河道水流模擬，河道內(nèi)速度分布結(jié)果如圖2（b）所示。碼頭正前方斷面#4 和#5 最大流速分別為2.1 m/s 和2.5 m/s，平均值為2.3m/s，與實(shí)測(cè)碼頭前沿的最大流速2.3 m/s 吻合。碼頭修建前后的斷面流速也發(fā)生了較大變化，尤其是與碼頭比較靠近的斷面#2～ #5。在斷面#2 處流速發(fā)生了一定的增大，主要由于修建的碼頭減小了河道的寬度，而此處水深沒(méi)有發(fā)生變化，故總的過(guò)流斷面發(fā)生了減小，說(shuō)明此處需要進(jìn)行河道開(kāi)挖，以進(jìn)一步降低流速。斷面#4 位于碼頭的正中間位置，流速由原來(lái)的最大2.1 m/s，降低為碼頭修建之后的1.2 m/s。這是由于碼頭前方的回旋水域進(jìn)行了-1.2 m 開(kāi)挖的原因，盡管碼頭修建降低了河道的寬度，但是總的過(guò)流斷面仍然增大，故碼頭正前方的最大流速發(fā)生較大程度的降低，這有利于碼頭前工作船的停靠泊。此外，在距離碼頭較遠(yuǎn)的4 個(gè)斷面，即#1、#2、#5 和#6 處的最大流速都沒(méi)有發(fā)生變化，表明碼頭修建之后對(duì)于整體河道的水流影響很小，僅限于碼頭局部范圍。

項(xiàng)目河道2010—2017 年7 年間的高程觀測(cè)資料表明河道高程最大變化量為±0.6 m。基于MIKE21 里的ST 模塊建立泥沙輸運(yùn)的數(shù)值模型。由于河道位于山區(qū)，其河床主要以礫石為主，項(xiàng)目選取中值粒徑40 mm的中礫作為代表，進(jìn)行河床演變模擬。如圖3（a）所示，河道高程變化量的數(shù)值結(jié)果在-0.7 m～ 0.6 m（圖3a），與實(shí)際長(zhǎng)期觀測(cè)值一致。此外據(jù)歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，該段河道的歷史最大泥沙濃度為985 g/m3。項(xiàng)目基于10年一遇洪水最大流量Q=3710 m3/s 進(jìn)行了泥沙濃度的模擬，如圖3（b）所示。數(shù)值模擬的最大泥沙濃度為957 g/m3，與觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合。以上流速、河床演變和泥沙濃度模擬結(jié)果可以證明當(dāng)前模型的可靠性。

圖3 數(shù)值模型結(jié)果驗(yàn)證（a）河床高程演變，（b）泥沙濃度分布

2 不同流量下水位及流速分析

研究針對(duì)不同的設(shè)計(jì)流量分別進(jìn)行了河道水流模擬，包括最小通航水位流量（Q=86.3 m3/s）、多年暢流期平均流量（Q=276 m3/s）、最大年暢流期平均流量（Q=570 m3/s）、2 年一遇洪水流量（Q=1490 m3/s）、5 年一遇洪水流量（Q=2910 m3/s）和10 年一遇洪水流量（Q=3730 m3/s），工況條件如表1 所示。

表1 項(xiàng)目河道代表性流量工況表

數(shù)值結(jié)果表明：碼頭的修建可以一定程度上降低斷面#4 處的水位，而且河道流量越小，碼頭工程對(duì)于水位的影響越明顯。當(dāng)河道流量大于最大年暢流期平均流量（Q ＞ 570 m3/s）時(shí)，碼頭工程基本不會(huì)對(duì)水位產(chǎn)生影響。總體上，碼頭建設(shè)對(duì)于碼頭前沿的流速具有一定降低作用，尤其是在正常流量情況下；而在洪水流量情況下則對(duì)速度的影響不明顯，這與斷面水位變化趨勢(shì)相同。碼頭前沿河道的開(kāi)挖增加了過(guò)流斷面的面積，在流量較小的情況下，碼頭工程的影響更加明顯；而在洪水流量下，過(guò)流斷面的影響可以基本被忽略。總體上，碼頭修建后，碼頭前沿的水深整體增加了，且最大流速發(fā)生了一定的降低，有利于工作船舶的通航和靠泊；并且洪水期的水位和流速基本沒(méi)有變化，不會(huì)對(duì)行洪產(chǎn)生影響。碼頭工程建設(shè)前后的水位和流速變化差值見(jiàn)表1。

3 方案實(shí)施后河道沖淤分析

本文進(jìn)一步對(duì)碼頭修建后的河道沖淤進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬的兩個(gè)工況條件為2 年一遇和10 年一遇的洪水過(guò)程，該流量條件下水動(dòng)力足夠強(qiáng)，大于河道泥沙的臨界起動(dòng)流量（Q=670 m3/s）。圖4 為2 年一遇和10年一遇洪水過(guò)程后的碼頭附近的河道演變結(jié)果。2 年一遇的洪水過(guò)程中，河道的沖刷和淤積量在-0.4 m～ 0.4 m 之間；而10 年一遇的洪水過(guò)程中，河道沖刷和淤積量在-0.8 m～ 0.7 m 之間。2 個(gè)洪水流量下的河道沖刷和淤積的位置基本相同，主要在碼頭的上游來(lái)流方向發(fā)生沖刷，然后淤積發(fā)生在碼頭前沿回旋水域的上游，總體上對(duì)于回旋水域內(nèi)的水深影響很小。同時(shí)，在回旋水域挖槽近河道中心的斜坡底腳一帶發(fā)生了淤積，而斜坡的坡頂發(fā)生了一定的侵蝕，這是正常的泥沙輸運(yùn)結(jié)果。此外在碼頭下游區(qū)域發(fā)生零星局部的沖刷和淤積。圖5為斷面#4 上的河道高程變化，可見(jiàn)，碼頭前沿?cái)嗝嫖恢脹_刷和淤積主要發(fā)生在挖槽斜坡的底腳和坡頂，這也是挖槽斜坡在水動(dòng)力作用下發(fā)生自然坍塌的正常表現(xiàn)。而在碼頭前沿附近的水深基本沒(méi)有發(fā)生變化。可見(jiàn)，本項(xiàng)目不會(huì)在碼頭前沿回旋水域位置發(fā)生明顯的淤積，可以保持穩(wěn)定的作業(yè)水深。

圖4 不同流量下方案前后河道高程變化分布

圖5 不同流量下方案前后河道斷面流速變化情況

4 結(jié)論

基于現(xiàn)狀水深地形建立河道水動(dòng)力和泥沙輸運(yùn)數(shù)值模型，河道現(xiàn)狀斷面最大流速、河道長(zhǎng)期演變沖淤量以及河道泥沙濃度最大值均與觀測(cè)值和歷史記錄值吻合，表明當(dāng)前模型對(duì)于山區(qū)河道水流和泥沙模擬結(jié)果合理，可用于本研究中碼頭修建影響水動(dòng)力分析。

分別對(duì)不同設(shè)計(jì)流量下的河道水流進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析了碼頭修建對(duì)河道斷面水位和流速最大值的影響。該工程河段的相對(duì)水深較淺，新建碼頭之后由于回旋水域的疏浚挖深，使該河段有效斷面增加，因此對(duì)于河道水流速度有減緩的作用，特別是在碼頭前靠泊區(qū)域流速較小更加明顯。在通航流量下，碼頭工程對(duì)于河道流速的減緩作用較為明顯，有利于船舶通航安全。在多年一遇洪水流量下，碼頭工程對(duì)河道水位和流速的影響很小，不會(huì)對(duì)行洪安全產(chǎn)生影響。碼頭工程實(shí)施后，碼頭前沿回旋水域內(nèi)部發(fā)生淤積量很小。總體上碼頭工程方案可行。