一維水動力模型在感潮河道施工導(dǎo)流中的應(yīng)用

周　利　楊春燕　費海蓉

(鹽城市水利勘測設(shè)計研究院， 江蘇 鹽城　224002)

一維水動力模型在感潮河道施工導(dǎo)流中的應(yīng)用

周利楊春燕費海蓉

(鹽城市水利勘測設(shè)計研究院， 江蘇 鹽城224002)

【摘要】根據(jù)感潮河網(wǎng)的水力特性，采用有限差分格式求解圣維南方程，建立了三洋港水動力數(shù)學(xué)模型，并利用2010年實測資料對模型進行驗證。根據(jù)施工截流的要求，利用水動力模型對龍口進行模擬計算，從而確定中泓截流方案所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。據(jù)此制定截流方案，成功實現(xiàn)截流。本文對此加以介紹。

【關(guān)鍵詞】水動力模型； 感潮河道； 施工導(dǎo)流； 三洋港樞紐

三洋港樞紐工程位于江蘇省連云港市郊新沭河臨?？?，距新浦市區(qū)與海港均約25km，按新沭河50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，閘上設(shè)計泄洪水位3.88m，相應(yīng)閘下水位3.70m，設(shè)計流量6400m3/s。三洋港樞紐為I等大(1)型工程，主要建筑物為1級，工程總投資55216萬元。三洋港樞紐的主要建筑物包括： 擋潮閘、排水閘、上下游引河及管理區(qū)等。擋潮閘布置在泓道左側(cè)灘地，擋潮閘閘室每孔凈寬15m，共33孔，總凈寬495m，閘底板頂高程-2.0m。

由于新沭河屬于感潮河道，導(dǎo)流流量和流速均隨潮位變化而變化，需應(yīng)用明渠非恒定流原理來計算其水力特性。本文建立了該河道的一維水動力模型，計算施工導(dǎo)流所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而制定截流方案。

1截流模型

1.1基本原理

平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，河道交錯，湖蕩密布，水情十分復(fù)雜，其水力計算需應(yīng)用明渠非恒定流基本原理，通過河網(wǎng)概化，率定參數(shù)和邊界條件進行數(shù)值計算。

非恒定的水流運動要素是隨流程和時間不斷變化的。對于明渠非恒定流的計算問題，可歸結(jié)為以下形式的圣維南方程組的求解：

式中h——水位；

Q——斷面流量；

q——單位長度上的側(cè)向入流；

BT——河面總寬度；

u——斷面平均流速；

C——Chezy系數(shù)；

R——水力半徑；

Vx——側(cè)向入流在X向的分量。

對上述偏微分方程，目前主要應(yīng)用差分法、有限元法、瞬時流態(tài)等方法進行數(shù)值求解。該模型主要解決長歷時緩變非恒定流問題，故用Preissmann隱式四點差分計算。隱式差分格式求解比較復(fù)雜，但穩(wěn)定性好，計算時間步長可以設(shè)置較大，計算速度快。

1.2河網(wǎng)概化

模型范圍上至太平莊閘，下至?？?，新沭河計算長度約14km。河網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1　河網(wǎng)模型

河網(wǎng)模型中所用斷面均為實測斷面。整個河網(wǎng)計算長度約21km,斷面約210個，斷面平均間距100m，湖泊、水塘等蓄洪區(qū)可在模型的河道斷面中實現(xiàn)。計算中涉及的擋潮閘按照模型中的控制建筑物處理，設(shè)定底檻高程、閘孔規(guī)模等參數(shù)，當(dāng)閘下水位低于閘上水位時開閘放水，當(dāng)閘下水位高于閘上水位時關(guān)閉閘門，具有止逆功能。龍口簡化為寬頂堰，計算時設(shè)定底高程、孔寬等參數(shù)即可自動計算過堰流量。

河網(wǎng)中河道的設(shè)計糙率為灘地0.035,主槽0.0225,蘆葦0.10。

1.3模型驗證

上邊界： 封閉。

下邊界： 2010年9月28日實測潮型過程線，如圖2所示。

圖2　實測潮位過程

驗證時間： 2010年9月28日16∶19—9月29日15∶37。

驗證模型時，只有現(xiàn)狀河道，沒有導(dǎo)流明渠。主要對施工便橋處的流量、流速進行驗證，驗證結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　流量驗證對比

圖4　流速驗證對比

實測漲潮最大流量1210m3/s，計算漲潮最大流量1171m3/s，誤差-3%；實測落潮最大流量821m3/s，計算落潮最大流量815m3/s，誤差-0.1%；實測漲潮最大流速1.20m/s，計算漲潮最大流速1.16m/s，誤差-3%；實測落潮最大流速1.04m/s，計算落潮最大流速0.94m/s，誤差-10%。根據(jù)《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》(JTJ 312—98)對模型驗證精度的要求，流量誤差不超過±5%，流速誤差不超過±(10%～20%)。該模型驗證基本符合要求，建立的計算模型符合流域洪水演進的特性，所選用的計算斷面具有代表性，該模型可用于此次各方案的洪水演進計算。

1.4計算工況

針對該工程計算實際情況，規(guī)劃截流方案與兩個因素有關(guān)： 一是三洋港新閘閘門啟閉情況，二是龍口進占時龍口底高程。

1.4.1三洋港新閘閘門開關(guān)

針對三洋港閘門啟閉的問題，設(shè)計了三種不同的方案。

方案一： 三洋港新閘閘門全開。

方案二： 閘門全關(guān)。

方案三： 漲潮時關(guān)閉閘門，落潮時開啟閘門。

上邊界： 封閉。

下邊界： 2010年9月28日實測潮型過程線。

龍口簡化： 寬頂堰，底高程-4.0m，邊坡1∶2，頂高程3.0m。

導(dǎo)流明渠： 底寬300m，閘上底高程-2.0m，閘下底高程-1.0m，邊坡1∶8。

三種工況下不同龍口寬度的漲落潮最大流速對比如圖5、圖6所示。

圖5　不同龍口寬度漲潮最大流速對比

圖6　不同龍口寬度落潮最大流速對比

通過上述對比可以發(fā)現(xiàn)，漲潮時關(guān)閉閘門并不能擋住潮水，反而使龍口流速大大增加，落潮時打開閘門可使龍口流速大大降低。因此推薦采用方案一，即打開所有閘門，并且盡量挖寬導(dǎo)流明渠斷面，這樣將大大降低龍口最大流速。

采用方案一時，龍口可能出現(xiàn)的最大平均漲潮流速為5.04m/s，最大平均落潮流速4.62m/s，此時龍口寬度為48m。根據(jù)經(jīng)驗，堤頭最大流速為斷面平均流速的1.3倍，即可能達到6.6m/s。

根據(jù)計算，龍口寬度在50～30m階段是最危險的階段，最大流速均在4.0m/s以上。根據(jù)估算，50～30m寬度龍口土方量約為4300m3，根據(jù)實測資料，三洋港漲潮快、落潮慢，計劃高潮位時開始封堵龍口，一個漲落潮周期(約13h)內(nèi)完成龍口封堵，拋填強度約為330m3/h，雙側(cè)同時拋填，每側(cè)拋填強度為165m3/h。

1.4.2龍口進占時龍口底高程

通過以上分析，確定三洋港新閘閘門一直敞開對合龍有利。為了對比不同龍口底高程的影響，再增加一種計算方案。方案四： 龍口底高程為-2.0m，其他條件與方案一相同。計算結(jié)果如表1所示。

表1　不同龍口底高程比選

可以發(fā)現(xiàn)，提高龍口進占的底高程可以降低合龍時的最大流速，但是大大增加了合龍以前的過堰流速。綜合考慮，龍口位置底高程以-2.0m為宜。

2最佳合龍時機

最佳合龍時機取決于兩個條件，一是上游洪水，二是潮位。選擇在非汛期合龍一般可以避開上游洪水，潮位可以借助數(shù)學(xué)模型進行選擇。根據(jù)工期安排，施工合龍階段初步安排在2012年3—5月。根據(jù)連云港潮位站3—5月最高最低潮位預(yù)報，模型對三個月的截流過程進行計算，篩選出最大龍口流速最小的時間段作為截流時間。根據(jù)計算，最適宜的截流時間是5月15—18日，盡量在5月18日之前合龍，5月21—25日是最不適合合龍的時間。5月15—18日合龍過程中龍口可能最大流速如表2所示。

表2　合龍過程中龍口可能最大平均流速

3截流

根據(jù)以上計算，擬定出初步的截流方案與物資準(zhǔn)備。通過計算，可得出各種流速下對應(yīng)的塊石直徑、重量，當(dāng)流速在1～3m/s時，應(yīng)選用粒徑0.04～0.35m、重量為0.1～59.5kg的石渣；當(dāng)流速在3～4m/s時，應(yīng)選用粒徑0.35～0.62m、重量59.5～330.5kg的中石；當(dāng)流速在4～6m/s時，應(yīng)選用粒徑0.62～1.4m、重量330.5～3384kg的大塊石。通過計算，左右兩岸同時進占，每側(cè)的拋填強度約為165m3/h。各階段石方用量為：第一階段：需用塊石59800m3，其中陸上24800m3，水上方量35000m3；第二階段：需用塊石約12900m3，其中陸上約7000m3，水上約5900m3；第三階段：需用塊石4300m3。合龍過程中，三洋港閘門全開。

2012年4月初開始截流，4月底前截流壩填至-4.0m，5月10日完成-2.0m以下塊石填筑。2012年5月15日，經(jīng)過12h連續(xù)施工，新沭河治理三洋港樞紐工程中泓石壩成功合龍，標(biāo)志著三洋港樞紐關(guān)鍵性節(jié)點實現(xiàn)重大突破。

4結(jié)語

三洋港樞紐工程中泓截流是三洋港樞紐關(guān)鍵性節(jié)點之一，一直備受各方關(guān)注。本文通過建立一維水動力模型，利用模型計算出截流的關(guān)鍵數(shù)據(jù)： ?三洋港新閘需要一直打開；?合龍前中泓石壩的最佳底高程為-2.0m；?最佳合龍時間為2012年5月15日；?需計算出各階段所需的不同粒徑的石料。據(jù)此安排截流計劃，一舉獲得成功。由于一維水動力模型具有強大的河網(wǎng)適應(yīng)能力，能較好地模擬感潮河道的水位流量特征，準(zhǔn)確反映擋潮閘的止逆特性，因此適合在感潮河道水力計算中使用。

參考文獻

[1]王強,馮小忠.新沭河三洋港樞紐工程中泓施工截流[J].中國水利,2012(22):46-46.

[2]楊中,孫勇,成銀.三洋港擋潮閘樞紐工程的設(shè)計難點及特點[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2010(2):72-74.

[3]中水淮河規(guī)劃設(shè)計有項責(zé)任公司.三洋港擋潮閘樞紐工程初步設(shè)計報告[R].2008.

[4]李峰,呂賽軍.鹽城市濱海閘閘孔設(shè)計[J].中國水運,2010(9):153-155.

[5]吳昊,周志華,李繼明.基于MIKE 11水利模型的水質(zhì)水量聯(lián)合管理信息系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代水務(wù),2013(1):15-18.

[6]賁鵬,倪晉.北汝河一維洪水演進水動力數(shù)學(xué)模型[J].治淮,2013(11):12-13.

中圖分類號：TV551

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-4774(2015)04-0029-04

Application of one-dimensional hydrodynamic model in tidal
river construction diversion

ZHOU Li, YANG Chunyan, FEI Hairong

(YanchengWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Yancheng224002,China)

Abstract：Finite difference scheme is adopted for solving Saint-Venant equation according to hydraulic characteristics of tidal river network. Sanyang Port hydrodynamic mathematical model is established. Measured data in 2010 is utilized for validating the model. Hydrodynamic model is utilized to simulate and calculate closure gap according to construction closure requirements, thereby determining key data required by midstream closure plan. Closure plan is developed accordingly, thereby successfully realizing closure. The condition is introduced in the paper.

Key words：hydrodynamic model; tidal river; construction diversion; Sanyang Port Hub