平面形態(tài)對倒八字形港池水沙特性規(guī)律研究

平面形態(tài)對倒八字形港池水沙特性規(guī)律研究

張家飛

(云南水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明650051)

摘要：針對平面形態(tài)對內(nèi)河挖入式港池水沙特性的影響，借助丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE二維水沙數(shù)學(xué)模型，從港池口門寬度、以及主流與港池中軸交角兩個方面出發(fā)，通過建立對比數(shù)模分析研究，對這些因子變化引起港池水沙特性影響進(jìn)行定性分析，結(jié)果表明，隨著口門增大，港池內(nèi)的泥沙淤積規(guī)模先增后減，同時，中軸與主流交角的偏移，無論從正向或者逆向，都會導(dǎo)致港池內(nèi)泥沙淤積量的增大.該結(jié)論可供同類研究借鑒.

關(guān)鍵詞：倒八字形；挖入式港池；水沙特性；淤積規(guī)律

中圖分類號：TV147文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-03-30

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2012CB417001)

作者簡介：張家飛(1980-)，男，云南曲靖人，主要從事港口航道、巖土工程的設(shè)計(jì)研究工作.

Research on Sediment Characteristics of Plane Modality to Pour-eight Port

ZHANG Jia-fei

(Water Transportation Planning and Design Institute of Yunnan, Kunming 650051, China)

Abstract:Based on the influence of sediment characteristics of planar form for inland waterway excavated harbor, with the help of MIKE two-dimensional mathematical model of water and sediment developed by Danish company DHI, qualitative analysis is conducted through the establishment of contrast analog analysis on sediment characteristics influenced by changing factors, such as the dock entrance width, as well as the mainstream and basin axial angle. The research results show as the entrance increases, sediment deposition in the basin increase after decreasing first, at the same time, the central axis and the mainstream of migration, no matter from the positive or the negative, lead to the increase of sediment deposition in the basin. This research conclusion offers some reference to the similar research.

Key words:pour-eight type; excavated basin; flew and sediment characteristics; Siltation rules

倒八字形港池是內(nèi)河挖入式港池中的一種常用建設(shè)形式，其平面尺寸的設(shè)計(jì)對港池內(nèi)水流、泥沙特有很大影響[1]，目前，內(nèi)河挖入式港池普遍出現(xiàn)回流規(guī)模大，水流形態(tài)惡劣，泥沙淤積量大[2]的情況，如何提高挖入式港池設(shè)計(jì)水平，達(dá)到防淤減沙的目的成為目前港工設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題[3-5]，本文將從研究其平面形態(tài)尺寸出發(fā)，借助丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE軟件，研究港池平面形態(tài)尺寸對港池內(nèi)水沙特性的具體影響.為以后港池平面形態(tài)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持.

1數(shù)模軟件選擇與模型率定

綜合軟件的計(jì)算精度、適用范圍、版權(quán)等問題，最后選擇MIKE軟件作為數(shù)值模擬軟件，選擇京杭運(yùn)河通用河段作為本次研究模擬河段.

1.1模型建立

建立京杭運(yùn)河通用河段挖入式港池平面水流二維數(shù)學(xué)模型.計(jì)算模塊采用有限單元法(FESWMS)，全河段采用等邊三角網(wǎng)格，為保證精度，網(wǎng)格間距設(shè)為10 m，全河段共有125 664個節(jié)點(diǎn)及76 808個網(wǎng)格[6].

1.2模型參數(shù)率定

以5 000 m3/s為步長，將研究河段可能出現(xiàn)的來流量分為10級，根據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行水位、流速驗(yàn)證，率定成庫前后每級流量糙率n及紊動能系數(shù)V0的取值(見表1).

表1　研究河段二維數(shù)模參數(shù)率定

由于汛期河床泥沙高程變化量最大，因此本文主要選用一年一遇的汛期流量Q=3 524 m3/s作為計(jì)算流量.

1.3模型驗(yàn)證

根據(jù)蓄水前后的多次實(shí)測資料對各各時段、各流量級下模型計(jì)算精度進(jìn)行驗(yàn)證，從模擬計(jì)算結(jié)果來看，水位值誤差在0.1 m以內(nèi)的保證率為93.2%，流速值誤差在10%以內(nèi)的保證率為79.8%，可見本文建立的研究河段二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算精度較高，適用于該河段水流條件的模擬計(jì)算.

2數(shù)模計(jì)算與結(jié)果分析

2.1口門寬度的影響

保持其他研究變量不變，研究口門寬度變化，考慮以口門寬度B=110.98 m作為基本口門寬，設(shè)置1.0倍、1.5倍、2.0倍三種寬度口門形式，將口門寬度設(shè)置布置形式(見圖1).

圖1　不同口門寬度港池布置示意圖

建立MIKE水沙數(shù)學(xué)模型，將各口門寬度流場與泥沙計(jì)算結(jié)果(見圖2～圖4).

對比圖2～圖4，進(jìn)行詳細(xì)分析可知：

(1)隨著港池口門寬度增大，河道內(nèi)主流旋滾后進(jìn)入港池內(nèi)下邊壁的點(diǎn)越來越靠近口門，即港池口門寬度越大，進(jìn)入港池水流與河道內(nèi)主流交角越小.

(2)隨著港池口門寬度增大，港池口門附近水流與河道主流的各項(xiàng)水力特征，包括流速、流向、水流挾沙力、水動力條件等，差距越來越小，港池內(nèi)回流形態(tài)越來越為扁平，摻混區(qū)寬度越來越窄，整個回流規(guī)模越來越小.

圖2　1.0口門寬度水流泥沙特性計(jì)算結(jié)果

圖3　1.5口門寬度水流泥沙特性計(jì)算結(jié)果

圖4　2.0口門寬度水流泥沙特性計(jì)算結(jié)果

(3)港池口門寬度變化對泥沙淤積范圍與泥沙淤積量影響非常大，依次分析各口門寬度下的泥沙淤積情況可知：1.0倍口門寬度倒八字形港池淤積區(qū)域主要分布在港池外，港池內(nèi)的淤積量與淤積范圍都較小.整個淤積區(qū)域分為兩塊，一塊在脫落渦附近，一塊在角渦上方.整個淤積區(qū)域約為933.18 m2，淤積厚度范圍為0.16～0.78 m，最大淤積厚度為0.78 m，最大淤積厚度出現(xiàn)在脫落渦附近，平均淤積厚度約為0.35 m，總淤積量約為325.88 m3.1.5倍口門寬度倒八字形港池淤積范圍向港池上邊壁移動，淤積區(qū)域主要分布在脫落渦附近，整個淤積區(qū)域約為1 015.61 m2，淤積厚度范圍為0.16～1.65 m，最大淤積厚度為1.65 m，最大淤積厚度出現(xiàn)在脫落渦附近，在口門上邊壁與河道交接處，平均淤積厚度約為0.52 m，總淤積量約為527.49 m3.2.0倍口門寬度倒八字形港池淤積范圍大幅束窄，淤積區(qū)域主要分布在脫落渦附近，整個淤積區(qū)域約為851.31 m2，淤積厚度范圍為0.16～0.84 m，最大淤積厚度下降為0.84 m，最大淤積厚度出現(xiàn)在脫落渦附近，在口門上邊壁與河道交接處，平均淤積厚度約為0.31 m，總淤積量約為263.81 m3.在港池下邊壁角渦處，水流受邊壁束窄，流速略有增大，甚至出現(xiàn)局部沖刷區(qū)域.將各口門寬度港池水沙計(jì)算結(jié)果(見表2).

表2　各口門寬度倒八字形港池特征值比較

2.2主流與中軸線交角的影響

為研究挖入式港池中軸線與主流交角θ的變化對港池內(nèi)水沙特性的影響，在其他條件固定的情況下，綜合考慮實(shí)際情況，分別選擇θ為60°、90°、120°，來建立數(shù)模計(jì)算，其港池布置形式(見圖5).

圖5　不同港池中軸線與主流交角θ港池布置示意圖

建立MIKE水沙數(shù)學(xué)模型，將各口門寬度流場與泥沙計(jì)算結(jié)果(見圖6～圖8).

對比分析圖6～圖8，可知：

(1)隨著港池中軸線與主流交角增大，河道主流越來越容易進(jìn)入港池內(nèi)，因此進(jìn)入港池內(nèi)水體增多，同時回流形態(tài)也隨著港池邊壁形狀發(fā)生變化.

(2)隨著港池中軸線與主流交角增大，河道水流進(jìn)入港池困難增大，港池內(nèi)流速大幅下降，尤其是港池兩邊壁流速下降幅度最大.

(3)從泥沙淤積情況來看，港池中軸線與主流交角的變化對港池泥沙淤積范圍、泥沙淤積量影響非常大，其中：θ=60°倒八字形港池淤積范圍分布在

圖6　60°交角水流泥沙特性計(jì)算結(jié)果

圖8　120°交角水流泥沙特性計(jì)算結(jié)果

港池口門附近，港池外側(cè)泥沙淤積量最多.整個淤積區(qū)域覆蓋了整個港池口門，主要淤積區(qū)域在角渦處，整個淤積區(qū)域面積約為3 927.18 m2，淤積厚度范圍為0.18～0.72 m，最大淤積厚度為0.72 m，平均淤積厚度約為0.39 m，總淤積量約為1 531.53 m3.θ=90°倒八字形港池淤積區(qū)域主要分布在港池外，港池內(nèi)的淤積量與淤積范圍都較小.整個淤積區(qū)域分為兩塊，一塊在脫落渦附近，一塊在角渦上方.整個淤積區(qū)域約為933.18 m2，淤積厚度范圍為0.16～0.78 m，最大淤積厚度為0.78 m，最大淤積厚度出現(xiàn)在脫落渦附近，平均淤積厚度約為0.35 m，總淤積量約為325.88 m3.θ=120°倒八字形港池淤積區(qū)域主要分布在港池口門外部.且主要淤積區(qū)域向脫落渦上前方移動，整個淤積區(qū)域面積增大至5 356.77 m2，淤積厚度范圍為0.17～1.15 m，最大淤積厚度增大至為1.34 m，最大淤積厚度出現(xiàn)在角渦附近，平均淤積厚度約為0.55 m，總淤積量約為2 945.8 m3.

可見中軸與主流交角的偏移，無論從正向或者逆向，不但會引起工程量的增加，還會導(dǎo)致港池泥沙淤積規(guī)模的增大，因此在布置岸線允許的情況下，盡量采用河道主流線與港池中軸線正交的方式有利于歸順?biāo)?、減少泥沙淤積.

表3　各交角倒八字形港池特征值比較

3結(jié)論

本文針對平面形態(tài)對內(nèi)河挖入式港池水沙特性的影響，借助丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE二維水沙數(shù)學(xué)模型，從港池口門寬度、以及主流與港池中軸交角兩個方面出發(fā)，通過建立對比數(shù)模分析研究，對這些因子變化引起港池水沙特性影響做了一些定性的分析研究，從研究結(jié)果來看，隨著口門增大，港池內(nèi)的泥沙淤積規(guī)模先增后減，同時，中軸與主流交角的偏移，無論從正向或者逆向，都會導(dǎo)致港池內(nèi)泥沙淤積量的增大.本文研究結(jié)論可以同類研究提供一定的參考與借鑒.

參考文獻(xiàn)：

[1]謝龍.三峽變動回水區(qū)末端段復(fù)合水動力條件分析及對泥沙輸移的影響[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[2]李雙江，謝龍.長江上游塘土壩河段水流特性及河床演變分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013,32(4):673-676.

[3]張偉.多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2008.

[4]PeterGoodwin. Analytical solutions for estimating effective discharge[J]. Journal of Hydrau lic Engineering,2004,130(8):729-738.

[5]陳彬彬.水下地形測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：河海大學(xué)，2010.

[6]羅全勝,謝龍.三峽水庫175 m方案成庫運(yùn)行后龍門浩河段水流特性變化分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報,2014(1):98-103.