長江黃草峽河段航道整治數(shù)學(xué)模型研究

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(1.重慶交通大學(xué) a.水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401147)

1 工程概況

黃草峽河段位于長壽城區(qū)下游約9 km，為彎曲型狹谷河段，長約3 km。上段左側(cè)有石灰窯石梁，右側(cè)有大豬圈、老鷹石等石梁伸出。下段出口處左岸有黃牛嶺凸嘴，右岸老馬嶺凸嘴石梁形成的狹口尤為狹窄，構(gòu)成典型突嘴型對(duì)口急灘，長約430 m。兩岸石嘴均伸入江中相對(duì)，使洪水河寬由上游的600 m縮窄為130 m。在石梁作用下主流全年自瓦罐窯起偏向北岸向下流，至石灰窯受阻后改由河心向下流，至黃牛嶺進(jìn)入狹口。枯水期水流平緩，隨水位上漲流速增大，洪水期水流湍急。黃牛嶺和老馬嶺緊相對(duì)峙，束阻水流，形成對(duì)口急流灘。石嘴挑流形成剪刀水和大流速、大比降，下游形成強(qiáng)烈回流、泡漩，水勢(shì)紊亂而強(qiáng)勁，為著名的急險(xiǎn)灘之一。黃草峽河段河勢(shì)如圖1所示。

圖1 黃草峽河段河勢(shì)

2 河段水深、流態(tài)問題分析

2.1 航槽水深問題

2006年“涪銅段”炸礁曾對(duì)黃牛嶺和老馬嶺2處礁石進(jìn)行了炸除，老馬嶺位于目前設(shè)計(jì)航槽外，原炸礁主要為改善流態(tài)。而黃牛嶺部分位于航槽內(nèi)，根據(jù)目前設(shè)計(jì)的最低通航水位成果，規(guī)劃航槽內(nèi)原來已經(jīng)實(shí)施過炸礁的區(qū)域水深不能滿足要求，仍需對(duì)黃牛嶺進(jìn)行繼續(xù)炸深航槽。

2.2 流態(tài)問題

黃草峽河段屬于灘險(xiǎn)較為復(fù)雜的峽谷型河段。黃牛嶺和老馬嶺緊相對(duì)峙，束阻水流，形成對(duì)口急流灘。石嘴挑流形成剪刀水和大流速、大比降，下游形成強(qiáng)烈回流、泡漩，水勢(shì)紊亂而強(qiáng)勁，為著名的急險(xiǎn)灘之一。黃草峽現(xiàn)狀灘情及河床地貌圖如圖2所示。

圖2 黃草峽現(xiàn)狀灘情及河床地貌

從2012年不同水位時(shí)期的現(xiàn)場(chǎng)考察情況來看(如2012年7月5日的圖3所示)，特別是由于左岸黃牛嶺一側(cè)159～166 m以上平臺(tái)的存在，對(duì)高水位期洪水流態(tài)影響極大。當(dāng)黃草峽水位超過162 m，即159 m以上平臺(tái)水深超過3 m以后，左岸一側(cè)存在大范圍的滑梁水、急流等礙航流態(tài)，束窄航槽，影響船舶尤其是上行通行；而當(dāng)水位低于162 m時(shí)，隨著壩前水位和流量組合的變化，黃草峽河段的不良流態(tài)逐漸減弱，對(duì)船舶的上行影響減小。目前，上行的3 000 t級(jí)單船半載情況下僅能在27 000 m3/s以下的流量通過。

圖3 黃草峽洪水流態(tài)(Q=42 800 m3/s, 長壽水位165.66 m，壩前148.01 m)

在黃草峽水位較低時(shí)，以前實(shí)施過的炸礁工程基本改善了枯水的流態(tài)，基本不存在枯水不良流態(tài)的礙航問題。

3 整治方案布置

黃草峽炸礁工程的數(shù)模方案研究共提出2個(gè)方案:方案1為“工程可行性研究”提出的方案，方案2為“數(shù)學(xué)模型研究”提出的比選方案。

3.1 方案1

2006年涪銅段炸礁曾對(duì)該河段進(jìn)行了炸除，原炸礁方案主要是在滿足當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，改善該處礁石的滑梁水等不良流態(tài)。而從實(shí)際踏勘的情況來看，目前黃草峽不良流態(tài)已經(jīng)基本消除，考慮到該河段目前的航道水深以及航道設(shè)標(biāo)的要求，本炸礁方案僅對(duì)左岸黃牛嶺原炸礁區(qū)域繼續(xù)加深至設(shè)計(jì)底部高程即可。黃牛嶺峽口的出口斷面設(shè)計(jì)最低通航水位為148.70 m，設(shè)計(jì)水深為3.7 m，設(shè)計(jì)底高程均為145.00 m。從炸礁基線起向河心側(cè)的礁石炸低至設(shè)計(jì)底高程，邊坡采用1∶1邊坡，與原炸礁方案保持一致，總計(jì)炸礁量約為9 600 m3。

3.2 方案2

考慮到目前黃草峽的主要礙航問題是汛期高水位時(shí)洪水急流礙航，故方案2主要針對(duì)汛期急流等不良流態(tài)進(jìn)行整治，改善洪水通航條件，提高通航流量[1]。

在保持方案1的炸礁方案基礎(chǔ)上擴(kuò)大炸礁范圍，將整個(gè)黃牛嶺后方突出的159～166m平臺(tái)進(jìn)行削坡，使突變的岸線與上下游平順銜接[2]。具體方式為：以方案1炸礁基線為起點(diǎn)，向河心側(cè)的礁石仍按照方案1炸低至設(shè)計(jì)底高程；并以炸礁基線為起點(diǎn)向岸一側(cè)以1∶3放坡炸除159～166 m平臺(tái)，總炸礁量約為79 970 m3。

4 整治方案論證

針對(duì)黃草峽目前存在的問題，采用平面二維數(shù)學(xué)模型對(duì)黃草峽2個(gè)炸礁方案進(jìn)行了論證研究[3]。

4.1 二維數(shù)學(xué)模型的建立

黃草峽河段二維數(shù)學(xué)模型模擬范圍上起張爺灘，下至石沱鎮(zhèn)的巨梁，航道里程568～579 km之間，長約11 km。在該河段內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，共計(jì)布置26 111個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格間距約為20～50 m。其中對(duì)黃草峽測(cè)量有1∶500局部地形的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格間距約為5 m，河段糙率0.032。黃草峽河段二維數(shù)模網(wǎng)格平面布置如圖4所示。

圖4 黃草峽二維數(shù)模網(wǎng)格

4.2 二維數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

本模型對(duì)黃草峽河段的實(shí)測(cè)水面線和流速分布進(jìn)行了驗(yàn)證。模型驗(yàn)證采用了如下資料：

(1) 工程河段河床地形圖(2012年5月測(cè)圖，比例為1∶2 000)。

(2) 工程河段河床地形圖(2012年5月測(cè)圖，比例為1∶500)。

(3) 實(shí)測(cè)瞬時(shí)水面線及流速、流向資料(2012年5月17日施測(cè)，Q=7 800 m3/s)。

實(shí)測(cè)水位及流速驗(yàn)證斷面布置如圖5所示。

圖5 黃草峽河段二維數(shù)模水位及流速驗(yàn)證斷面布置

4.2.1 水位驗(yàn)證

表1和圖6比較了Q=7 620 m3/s時(shí)沿程水位的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，二者符合程度較高，二者最大差值僅為0.056 m，且水面線走勢(shì)吻合較好。

表1 二維水位驗(yàn)證成果

圖6 黃草峽河段二維數(shù)模水位驗(yàn)證

4.2.2 流速驗(yàn)證

應(yīng)用已建立的水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)Q=7 620 m3/s進(jìn)行斷面流速驗(yàn)證，實(shí)測(cè)斷面流速分布與數(shù)模計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

注:平距從流速驗(yàn)證斷面左端點(diǎn)起算

二維數(shù)模計(jì)算的流速大小和分布均與實(shí)測(cè)資料較為一致，各測(cè)點(diǎn)流速的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的差值大多在±0.1 m/s內(nèi)，極個(gè)別誤差較大的也不超過±0.20 m/s，偏差均在±10%以內(nèi)。

4.2.3 模型驗(yàn)證小結(jié)

采用有限元法二維水流數(shù)學(xué)模型可克服模擬復(fù)雜河道邊界形狀的困難[4]。通過工程址區(qū)河段水位的驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與天然實(shí)測(cè)資料較為一致。說明二維水流數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)值計(jì)算方法合理[5]，能正確模擬實(shí)際河道的水流運(yùn)動(dòng)，可進(jìn)行下一步的方案論證計(jì)算。

4.3 數(shù)模計(jì)算條件

為了研究2個(gè)炸礁方案實(shí)施后該河段的航道條件變化情況以及方案2實(shí)施后汛期的最高通航流量，選取了不同水位期的5級(jí)流量進(jìn)行計(jì)算分析，壩前水位及流量組合見表2所示。

表2 黃草峽整治方案計(jì)算水流條件控制表

在工程方面的組合考慮了3種情況：無方案、方案1、方案2。

二維數(shù)模計(jì)算分析考慮了5級(jí)流量及3種工況，共進(jìn)行了15個(gè)組次計(jì)算。

4.4 數(shù)模計(jì)算結(jié)果分析

4.4.1 水位變化分析

表3統(tǒng)計(jì)了2個(gè)炸礁方案實(shí)施后最低通航流量下航槽內(nèi)水位變化值和斷面平均水位變化值。計(jì)算結(jié)果分析表明，炸礁方案實(shí)施后，黃草峽河段航道水位均有所變化，其中方案1變化較小，方案2變化較大。

表3 整治方案實(shí)施后黃草峽航槽水位變化統(tǒng)計(jì)

表4 整治方案實(shí)施后黃草峽航槽流速變化統(tǒng)計(jì)

在最低通航水位時(shí)，方案1實(shí)施后在航槽內(nèi)水位變幅在-0.015～0.013 m之間，斷面平均水位最多減小了約0.005 m；方案2實(shí)施后航槽內(nèi)水位變幅在-0.018～0.015 m之間，斷面平均水位最多減小了約0.008 m?？傮w來看，方案1、方案2均滿足最低通航水位下航道尺度要求[5]。

在洪水期，計(jì)算結(jié)果表明，方案1炸礁范圍及深度均不大，對(duì)洪水水位影響較小，在流量27 400～34 500 m3/s之間時(shí)，航槽水位變化值在±0.015 m之內(nèi)，斷面平均水位變化不明顯；而方案2實(shí)施后，由于黃草峽內(nèi)洪水過水?dāng)嗝鏀U(kuò)大，航槽內(nèi)水位變幅值也較大，約為-0.10～0.072 m，斷面平均水位最大降幅約0.032 m。

由此也說明方案1對(duì)汛期航道內(nèi)的不良流態(tài)的改善不明顯，而方案2實(shí)施后水位跌落處抬高，水位壅高處降低，減小了航道內(nèi)的跌水等不良流態(tài)影響范圍，對(duì)汛期通航條件有所改善[6]。

4.4.2 流速變化分析

表4統(tǒng)計(jì)了2個(gè)炸礁方案實(shí)施后航槽內(nèi)航槽左側(cè)的流速范圍及變化范圍。

炸礁方案1實(shí)施后：在最低通航水位時(shí)航槽左側(cè)流速變化范圍在±0.05 m/s之內(nèi)，最大流速和方案前差不多；汛期隨著流量的增加和水位的大幅增加，黃草峽航槽內(nèi)的流速變化趨勢(shì)減小，流速變化小于±0.05 m/s，對(duì)洪水流態(tài)的改變不明顯。

炸礁方案2實(shí)施后：在最低通航水位時(shí)，航槽內(nèi)流速變幅較方案1大，流速變幅在-0.064～0.058 m/s之間，最大流速則較方案前減少0.03 m/s；在汛期，隨著流量的增大和水位的增加，方案2對(duì)航槽內(nèi)流速的影響逐漸呈增大的趨勢(shì)，且流量越大、水位越高則變化也越大；如在27 800 m3/s的流量時(shí)，航槽內(nèi)流速最大減小值達(dá)到0.267 m/s，最大流速則從3.146 m/s減小至2.891 m/s。

4.4.3 3 000 t級(jí)船舶最高通航流量分析

由于左岸黃牛嶺一側(cè)左岸岸線不規(guī)則，導(dǎo)致汛期流態(tài)較壞，船舶無法沿左岸緩流區(qū)上行，目前現(xiàn)有上行航線基本上沿著河道中心偏左，而該航線所處位置正是目前汛期的主流位置，因而上行航線上的流速及比降組合較大。

表5統(tǒng)計(jì)了方案實(shí)施后汛期壩前水位在145 m左右時(shí)，流量分別為30 000 m3/s和34 500 m3/s時(shí)上行航線上的最不利流速、比降組合值。表6則為3 000 t級(jí)船舶自航上灘水力指標(biāo)組合[7]。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，由于黃草峽為典型的激流灘險(xiǎn)，汛期水流較急，在30 000 m3/s時(shí)3 000 t級(jí)船舶不滿足自航上灘的條件；方案1實(shí)施后上行航線的最不利流速、比降組合較方案前變化不大；而方案2實(shí)施以后盡管航線上流速及比降均有較大程度的減小，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了3 000 t級(jí)船舶自航上灘的臨界條件?？梢?，船舶按照目前的航線航行，2個(gè)炸礁工程方案均無法提高其通航流量。

表6 三峽庫尾急流灘3 000 t級(jí)船舶額定通航水力指標(biāo)

圖8 不同整治方案實(shí)施前后黃草峽流場(chǎng)分布(Q=34 500 m3/s)

圖8統(tǒng)計(jì)了炸礁方案1、方案2實(shí)施前后黃草峽河段在流量為34 500 m3/s的流場(chǎng)分布對(duì)比。從流場(chǎng)分布結(jié)果來看，方案1實(shí)施以后與方案前相比該河段流速分布變化不大，不管是主流大小還是左右岸近岸區(qū)域的不良流態(tài)基本上沒有太大的變化，盡管近岸區(qū)域?yàn)榫徚鲄^(qū)，但因?yàn)榱鲬B(tài)較壞，船舶仍然不敢沿近岸區(qū)域上行[8]。而方案2實(shí)施以后，左岸炸礁區(qū)域沿程流態(tài)大幅改善，回流、斜流和跌水基本消失，變成了水流順直、流態(tài)較好的緩流區(qū)域，水深足夠，完全滿足了汛期高水位期船舶上行的要求，因而可將現(xiàn)有船舶上行航線調(diào)整至左岸近岸區(qū)域，從而大大提高上行船舶的通航流量。

由此可見，方案2實(shí)施以后可將3 000 t級(jí)船舶現(xiàn)有上行通航流量提高至35 000 m3/s以上。

5 結(jié) 論

方案1、方案2實(shí)施后均能保證規(guī)劃航道尺度得以滿足；方案1對(duì)汛期洪水流態(tài)改變不大，不能提高汛期通航流量；而方案2實(shí)施以后，左岸炸礁區(qū)域沿程流態(tài)大幅改善，回流、斜流和跌水基本消失，變成了水流順直、流態(tài)較好的緩流區(qū)域，水深足夠，完全滿足了汛期高水位期船舶上行的要求，因而可將現(xiàn)有船舶上行航線調(diào)整至左岸近岸區(qū)域，從而大大提高上行船舶的通航流量。但方案2的工程量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案1，工程費(fèi)用將大大增加。

若目前規(guī)劃的炸礁工程僅為保證最低通航水位下的航道尺度，且工程投資有所限制，則應(yīng)選擇方案1，不但能達(dá)到最低通航水位標(biāo)準(zhǔn)要求，而且工程量較小。

若要徹底改善黃草峽的通航條件，提高通航流量，且工程投資經(jīng)費(fèi)允許，則應(yīng)選擇方案2。

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