碼頭工程對山區(qū)河道水流特性影響試驗研究

徐 芳，楊勝發(fā)，付旭輝，李 怡

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074）

碼頭工程對山區(qū)河道水流特性影響試驗研究

徐 芳，楊勝發(fā)，付旭輝，李 怡

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074）

不同型式碼頭對工程河段水流特性的影響程度對于防洪問題和工程可行性研究意義重大。文章研究了37組次不同條件下的碼頭工程對山區(qū)河道水位的影響，同時還研究了24組次不同條件下的碼頭工程對山區(qū)河道流速的影響。結(jié)果表明，碼頭工程的相對最大水位壅高值主要與其阻水面積率、弗汝德數(shù)和碼頭工程結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，得出了計算碼頭工程的相對最大水位壅高值的關(guān)系式；并根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析了各類碼頭工程附近的流速變化情況，分析表明工程對附近河段的最大流速增值與影響范圍均隨工程阻水能力和附近流速的增加而增長；從流速變化的平面分布上看，工程前沿至對岸的上、下游流速會增加，工程側(cè)的上、下游流速會減小。

碼頭工程；山區(qū)河道；水位；流速

Biography：XU Fang（1973-），female，associate professor.

長江上游山區(qū)河流流經(jīng)峽谷、丘陵和階地間，河道平面形態(tài)復(fù)雜，明暗礁石眾多，航道彎、窄、淺、險，水流湍急，流態(tài)紊亂，礙航灘險多達210處，船舶航行艱難，水上運輸受到嚴(yán)重制約［1］。隨著三峽工程以及長江上游干支流水電工程的修建，重慶至宜昌段通航條件將從根本上得到改善。根據(jù)已有研究，三峽水庫蓄水后，險灘淹沒、航深增大、水流趨緩、航道加寬，萬噸級船隊可從上海直達重慶，單向年通過能力將從目前的1 000萬t增加到5 000萬t，運輸成本可降低三分之一，可使長江在未來中國交通事業(yè)上真正發(fā)揮黃金水道“低成本、大通量”的作用。但目前長江上游山區(qū)河道港口無論從規(guī)模、設(shè)備，還是從功能上都無法滿足未來經(jīng)濟發(fā)展的需要，可以預(yù)見隨著上游水電開發(fā)的蓬勃發(fā)展，必將掀起新一輪的港口碼頭建設(shè)高潮［2］。

在河道上修建碼頭工程，碼頭建筑物占據(jù)一定的過水面積，會改變河道水流特性，可能對河道通航、行洪、河勢穩(wěn)定、堤圍安全、水運交通等帶來不利影響。不同的碼頭類型及布置形式直接影響河段的水流特性，對其進行研究具有重要的理論和實際意義。本文通過概化水槽模型試驗，系統(tǒng)研究了各類（實體式、高樁式）碼頭工程對山區(qū)河道工程河段附近水位（包括最大壅水高度及發(fā)生位置、上游壅水范圍）、流速等水流特性的影響，以期為未來山區(qū)河道碼頭工程建設(shè)管理和設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

1 山區(qū)性河道特點及碼頭工程概況

1.1 山區(qū)性河道特點

1.1.1 地形地質(zhì)特征

山區(qū)河流流經(jīng)地勢高峻、地形復(fù)雜的山區(qū)。水流在由構(gòu)造運動所形成的原始地形上不斷侵蝕，山區(qū)河流的河床就是由水流不斷縱向切割和橫向拓寬而逐步發(fā)展形成的。

由于沿途地形、地質(zhì)構(gòu)造以及巖性差異，山區(qū)河流的峽谷河段和寬谷河段往往交替出現(xiàn)。兩岸常有巖嘴、石梁和亂石堆體伸入江中，致使岸線極不規(guī)則，特別是枯水河岸線。山區(qū)河流河床遠比等流量的平原河流河床狹窄，峽谷河段更甚。

山區(qū)河流縱斷面形態(tài)呈上陡下緩、突高突低、起伏不平、逐漸向下游傾斜的臺階狀，縱坡較陡。

1.1.2 水文泥沙特性

山區(qū)河流重要的水文特點是流經(jīng)的地區(qū)坡面陡峻、徑流模數(shù)大、匯流時間較短、洪水暴漲暴落。在暴雨集中地區(qū)尤為顯著，暴雨與山洪往往同時發(fā)生，但洪水持續(xù)時間一般不長，降雨過后，河道又恢復(fù)原來的低水細(xì)流。流量與水位變幅大，是山區(qū)河流又一個重要的水文特點。最大流量與最小流量的比值可達幾百倍。

山區(qū)河流的水面比降一般較大，多在1‰以上。比降不但大，而且受河床形態(tài)的影響，沿程分配極不均勻，絕大部分落差集中于局部河段。比降大、河槽窄，流速勢必很大。山區(qū)河流流速普遍較大，灘上流速往往在 2～3 m/s，個別灘更大。

山區(qū)河流的泥沙來量主要集中在汛期。懸移質(zhì)含沙量視地區(qū)而異，懸移質(zhì)大都是中細(xì)沙和粘土，由于比降及流速大，一般處于不飽和狀態(tài)，可全部視為沖瀉質(zhì)。山區(qū)河流的推移質(zhì)多為卵石及粗沙。河床多由原生基巖、亂石或卵石組成。

1.1.3 河床演變特征

山區(qū)性河道由于比降陡、流速大、含沙量不飽和，有利于河床向沖刷變形方面發(fā)展，但河床多為基巖或卵石組成，抗沖性能強，沖刷受到抑制。因此，盡管山區(qū)河道從長時期來看是不斷下切展寬的，但從短時段來看這種變形卻十分緩慢，甚至可以認(rèn)為基本不變。只是在某些河段，由于特殊的邊界、水流條件，可能發(fā)生大幅度暫時性的淤積和沖刷。

山區(qū)性河道演變的另一個特點是：易于遭受突然而強烈的外界因素影響，而產(chǎn)生河床顯著變形。例如地震、山崩、大滑坡等，能在極短時間內(nèi)將河道堵塞，在其上下游形成壅水和跌水，急劇改變水流河床狀況。

1.2 碼頭工程概況

山區(qū)性河道洪、枯水流量相差大，水位變幅大，因此設(shè)計高、低水位差大是山區(qū)性河道碼頭設(shè)計的共同特點，山區(qū)性河道碼頭主要有直立式和斜坡式2大類。其中直立式碼頭主要有高樁碼頭、墩式碼頭和重力式碼頭；斜坡式碼頭主要有實體式斜坡碼頭、架空式斜坡碼頭和實體與架空混合式斜坡碼頭，此外也有浮碼頭型式［2］。

對重慶主城附近擬建和在建的碼頭進行調(diào)查，按下部結(jié)構(gòu)不同，主要將其分為架空式碼頭和實體式碼頭，結(jié)果顯示，在所調(diào)查的碼頭中，架空式碼頭占絕大多數(shù)，只有少量碼頭下部結(jié)構(gòu)采用實體式。

由于航道等級的提升、市場需求擴大、運輸方式的現(xiàn)代化、裝卸工藝效率的要求和投資增長等原因，同時為了充分發(fā)揮港口的通過能力，提高港區(qū)陸域面積和碼頭泊位利用率，今后直立式碼頭尤其是架空直立式碼頭應(yīng)用前景將越來越廣泛［2］。

2 概化模型試驗設(shè)計

2.1 試驗裝置簡介

本次概化模型試驗在重慶市水利水運工程重點實驗室的概化模型水槽內(nèi)進行。圖1為水槽的供水系統(tǒng)示意圖［3］。實驗供水水泵的設(shè)計功率為120 kW，平水塔高度為13.0 m，設(shè)計供水流量1 m3/s。變坡水槽的入口是流量測控系統(tǒng)，由電磁流量計、電動閥、計算機組成。在小流量（0.02 m3/s）時，流量由三角堰測定，流量誤差1%，在大流量（0.02～0.04 m3/s）時，采用巴歇爾槽測定，流量誤差2.5%。

由于本次試驗的流量較大，在水槽的進口設(shè)置一級消能池和二級消能池，以減小水流波動對試驗結(jié)果的影響。一級消能池的尺寸為2.0 m×2.0 m×1.5 m（長×寬×高，下同），在底部設(shè)置消能坎，主要是在大流量（大于0.1 m3/s）時，對巴歇爾槽的出流消能。二級消能池的尺寸為13.0 m×8.0 m×1.0 m，并在水槽進口處設(shè)置可調(diào)整的消能格柵，使水流穩(wěn)定均勻。

2.2 試驗水流特征值

本次試驗設(shè)計時確定水槽的寬度B為2.3 m，水槽的坡度J0為0.82‰。共采用0.06 m3/s、0.09 m3/s、0.12 m3/s和0.15 m3/s四級流量。

本次試驗研究確定的寬深比范圍為22～33，最大水深不超過0.2 m。明渠水流的雷諾數(shù)變化范圍為30 623～73 601，其遠遠大于 500，說明水流為紊流［4］。

2.3 試驗水槽設(shè)計

本試驗概化水槽為矩形斷面，水槽尺寸為18 m×2.3 m×0.5 m，根據(jù)長江上游代表河段砂粒中值粒徑統(tǒng)計，底部水泥砂漿選用沙粒直徑d50=0.99 mm，底坡設(shè)計為0.82‰，模型碼頭布設(shè)在從水槽進口起10～10.5 m水槽左岸的范圍內(nèi)，水槽在距進口1 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m處左、右岸壁底部分別布置一個測壓管，以便測讀相應(yīng)斷面的水位。試驗段范圍在距水槽進口8～12 m，尾部為自由出流。在二級消能池形成的平穩(wěn)水流進入變坡水槽，經(jīng)過進口段的調(diào)整，在試驗段形成均勻紊流。

2.4 模型方案設(shè)計

本次研究的碼頭工程主要有代表實體式碼頭的淹沒丁壩、非淹沒丁壩和代表高樁式碼頭的單排樁以及群樁4種類型。其中淹沒丁壩尺寸為8 cm×6 cm×5 cm、16 cm×6 cm×5 cm、32 cm×6 cm×5 cm 三種，非淹沒丁壩尺寸為 17 cm×6 cm×40 cm，單排樁有 2、4、6、8 根 4 種布置，群樁有 2×2（排數(shù)×根數(shù)，下同）、2×4、2×6、2×8、4×2、4×4、4×6、4×8 一共 8 種布置，圖 2 為模型總體布置示意圖。

圖2 模型總體布置示意圖Fig.2 General layout of the model

實際工程中的樁截面形式主要為圓形和方形，中心間距為樁徑的3～5倍。本試驗只考慮用圓形樁，采用直徑d=2 cm，平均長度為40 cm的PVC塑料棒模擬樁，模型樁群按等間距排列，樁中心間距為Dx=Dy=4 d=8 cm。

3 各種碼頭工程對水位影響的綜合分析

河道中修建碼頭后，會阻擋水流引起碼頭上游比降減小、流速降低和水位壅高；當(dāng)水流到達碼頭前端斷面時，由于河面束窄，比降和流速迅速增大、水位降低；而在碼頭附近下游，由于慣性作用，水流會繼續(xù)收縮，比降和流速繼續(xù)增大，水位降低；至收縮斷面后，又在擴散作用下，水位逐漸擴散到與天然河段相接，水流恢復(fù)到天然狀況。

本次試驗研究表明，試驗中各種碼頭工程，最大水位壅高值ΔZ基本上都出現(xiàn)在碼頭工程上游附近。

對試驗中各組方案而言，最大水位壅高值ΔZ與其局部水頭損失hj基本呈一次線性關(guān)系，將所有點繪于圖3，擬合的關(guān)系式為相關(guān)系數(shù)為0.998。研究表明，試驗中各組方案的最大水位壅高值ΔZ不僅與其局部阻力系數(shù)ξ有關(guān)，而且與流量大小有關(guān)。在流量一定時，除淹沒丁壩外，其余各方案的最大水位壅高值ΔZ與其局部阻力系數(shù)ξ基本呈一次線性關(guān)系；對淹沒丁壩而言，最大水位壅高值ΔZ與其局部阻力系數(shù)ξ關(guān)系不明顯。

丁壩、單排樁的相對最大壅高值ΔZ/H（即最大壅高值與方案前相應(yīng)水深H的比值）與其阻水面積率ε、弗汝德數(shù)Fr有關(guān)，其相關(guān)公式均可表示為

圖3 最大壅高值△Z與局部水頭損失hj的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between maximum increment△Z and local head loss hj

式中：a，b均為隨碼頭工程的型式而變化的系數(shù)。

在阻水面積率ε、弗汝德數(shù)Fr相同時，丁壩方案的相對最大水位壅高值（ΔZ/H）遠遠大于單排樁方案的相應(yīng)值，稍大于四排樁的相應(yīng)值，因此在阻水面積率ε、弗汝德數(shù)Fr相同時，群樁的相對最大水位壅高值（ΔZ/H）介于丁壩與單排樁的相對最大水位壅高值（ΔZ/H）之間。

4 各種碼頭工程對流速影響的綜合分析

碼頭工程修建后，改變了工程附近的河道地形，使得附近水域的水位和比降發(fā)生了改變，流速分布也會發(fā)生相應(yīng)變化。根據(jù)模型試驗數(shù)據(jù)［5］，得到各種類型的碼頭結(jié)構(gòu)對工程附近流速影響程度和范圍，然后以此為依據(jù)，推斷較有代表性的丁壩型、單排樁型、群樁型碼頭工程對工程河段的流速影響規(guī)律。

根據(jù)概化模型試驗數(shù)據(jù)［5］，分析研究丁壩型、單排樁型和群樁型的碼頭結(jié)構(gòu)，對工程河段的流速影響幅度和范圍。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：

（1）工程對附近河段的最大流速增值與影響范圍，均隨工程阻水能力和附近流速的增加而增長。工程結(jié)構(gòu)的阻水能力越強，流速越大，造成的工程河段最大流速增值越大，影響范圍越廣。

（2）從流速變化的平面分布上看，工程前沿至對岸的上、下游流速會增加，工程側(cè)的上、下游流速會減小。工程造成的最大流速增值，基本分布于工程前沿且向下游偏向河心的狹長帶。

5 結(jié)論

本文采用概化水槽試驗和理論分析相結(jié)合的研究方法，研究了37組次不同條件下的碼頭工程對山區(qū)河道水位的影響及24組次不同條件下的碼頭工程對山區(qū)河道水流的影響，探討了各類碼頭工程的最大水位壅高值與工程上游壅水范圍的影響因素和計算公式，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析了各類碼頭工程附近的流速變化情況，得到如下主要結(jié)論：

（1）碼頭工程的相對最大水位壅高值（ΔZ/H）主要與其阻水面積率ε、弗汝德數(shù)Fr、碼頭工程結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出了計算碼頭工程（丁壩、單排樁）的相對最大水位壅高值的關(guān)系式（2）。對群樁式碼頭工程，群樁的相對最大水位壅高值介于丁壩與單排樁的相對最大水位壅高值之間，在樁的排數(shù)大于2以后，排數(shù)對相對最大水位壅高值的影響很小。

（2）工程對附近河段的最大流速增值與影響范圍，均隨工程阻水能力和附近流速的增加而增長。

（3）從流速變化平面分布上看，工程前沿至對岸的上、下游流速會增加，工程側(cè)的上、下游流速會減小。

［1］李義天，鄧金運，甘福萬.長江航道建設(shè)新的機遇和挑戰(zhàn)及對策［J］.科技導(dǎo)報，2007，25（3）：39-44.

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［3］楊勝發(fā).內(nèi)流河寬淺變遷河段水沙運動規(guī)律及模擬技術(shù)［D］.成都：四川大學(xué)，2003.

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［5］徐芳.碼頭工程對山區(qū)河道水流影響試驗研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

Experimental study on impact of wharf structures on flow characteristics in mountain stream

XU Fang，YANG Sheng-fa，F(xiàn)U Xu-hui，LI Yi
（Department of River&Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）

The impact of various wharf structures on flow characteristics is an important consideration in flood control and project feasibility studies.In this paper，the impact of different wharf layout schemes on flow characteristics in mountain stream was studied，specifically 37 sets of schemes for water level，and 24 sets of schemes for flow velocity.The experimental results indicate that the relative maximum water level rise caused by wharf structures is mainly related to the blockage ratio，F(xiàn)roude number and the structural form of wharfs.An experimental expression for the relative maximum water level rise caused by wharf structures was also developed.Based on the experimental data，the velocity distribution around different wharf structures was analyzed.It is observed that the impact of wharf structures on maximum velocity rise and the impact extent increase as blockage and velocity increase.In terms of the plane distribution，flow velocity decreases at the wharf-side，but increases at the other side of river.

wharf structures；mountain stream；water level；flow velocity

U 656.1；TV 131.61

A

1005-8443（2010）05-0454-05

徐芳（1973-），女，湖北省公安縣人，副教授，從事水力水文學(xué)、河流泥沙運動力學(xué)及航道整治的教學(xué)研究工作。