南京港七壩長(zhǎng)城碼頭港池開(kāi)挖泥沙數(shù)學(xué)模型研究

郭德俊 王 悅 王炎良

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210000)

南京港七壩長(zhǎng)城碼頭港池開(kāi)挖泥沙數(shù)學(xué)模型研究

郭德俊 王 悅 王炎良

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210000)

長(zhǎng)江南京河段岸線利用接近飽和，挖入式港池成為增加岸線的有效方法。通過(guò)平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了工程興建后，挖入式港池在不同水文條件下的泥沙回淤?gòu)?qiáng)度和淤積量。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)不同典型年水沙條件的淤積后，部分船型無(wú)法正常通過(guò)港池。因此為保證港池的長(zhǎng)期正常使用，港池內(nèi)出現(xiàn)較大量淤積時(shí)，須采用工程疏浚措施。

挖入式港池；泥沙；數(shù)學(xué)模型；南京港

1 工程概況

隨著南京市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度加快，長(zhǎng)江南京河段岸線利用接近飽和。為高效利用岸線，可以適當(dāng)采用挖入式港池布置形式。但是由于挖入式港池普遍存在泥沙回淤問(wèn)題，往往需要通過(guò)疏浚來(lái)維持港池水深，因此有必要估算港池回淤?gòu)?qiáng)度，為今后運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外估算港池回淤常采用經(jīng)驗(yàn)公式法、物理模型法及數(shù)學(xué)模型法。

擬建的南京港七壩長(zhǎng)城碼頭工程貨種為鋼鐵件雜貨、普通件雜貨以及鋼結(jié)構(gòu)重件等，主要為南京提供原材料輸入、產(chǎn)成品輸出的服務(wù)。碼頭工程重件泊位就采用挖入式港池方案。港池長(zhǎng)度、寬度分別為134.0 m、45.0 m，重件泊位上、下游側(cè)高樁梁板平臺(tái)與長(zhǎng)江大堤平交，頂高程為11.10 m，設(shè)計(jì)低水位為 0.12 m，港池底開(kāi)挖至-6.0 m，按1∶1.5放坡。工程總平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 工程布置

2 水流泥沙數(shù)學(xué)模型

2.1 模型基本方程

水流方程采用基于圣維南方程基本假設(shè)的淺水方程組

泥沙輸運(yùn)采用如下對(duì)流擴(kuò)散方程的守恒形式：

式中，Kx、Ky分別為x和y向擴(kuò)散系數(shù)；a為恢復(fù)飽和系數(shù)，Sk表示第k粒徑組含沙量；S*k表示第k粒徑組的挾沙力；ωk表示為第k粒徑組沉速，其計(jì)算公式為

式中，ν為清水運(yùn)動(dòng)粘度；γs和γ分別為泥沙和水的重率；D為泥沙粒徑。

河床變形方程形式

式中，γ0為泥沙干容重，取值1 670kg/m3；η=∑ηk為總的河床沖淤厚度，ηk為第k粒徑組泥沙引起的河床沖淤厚度。

2.2 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

水流方程和泥沙輸運(yùn)方程采用有限體積法離散，河床變形方程采用顯式離散求解。

數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證時(shí)，上下游開(kāi)邊界均采用水位控制。閉邊界取法向流速Vn=0，n為邊界的外法線方向。初始條件為水位取上下游水位平均值，初始流速取為零，模型計(jì)算一定時(shí)間后，消除初始誤差。泥沙模型上游邊界為入流邊界給定含沙量過(guò)程線，過(guò)程線根據(jù)實(shí)測(cè)資料插值確定；下游邊界為出流邊界。初始條件給定含沙量值。

2.3 模型驗(yàn)證成果

模型率定采用2013年7月實(shí)測(cè)資料，驗(yàn)證采用2011年2月實(shí)測(cè)資料，限于篇幅僅附上驗(yàn)證對(duì)比圖。圖2為水位驗(yàn)證圖，圖3為斷面流速驗(yàn)證圖，圖4為斷面含沙量驗(yàn)證圖。

圖2 水位驗(yàn)證

圖3 斷面流速驗(yàn)證

圖4 斷面含沙量驗(yàn)證

由圖2～4可以看出，驗(yàn)證計(jì)算所得水位、流速分布、含沙量分布情況與實(shí)測(cè)成果較吻合。

模型采用2011年6月和2013年6月實(shí)測(cè)地形驗(yàn)證模型地形沖淤情況，水流上游邊界采用2011年6月至2013年6月大通站的流量和含沙量過(guò)程控制，下游邊界采用同時(shí)期的南京水文站的水位過(guò)程。邊界過(guò)程線采用大通至江陰一維數(shù)學(xué)模型。圖5為模型計(jì)算地形沖淤變化圖。從地形沖淤對(duì)比圖可以看出，經(jīng)過(guò)兩個(gè)水文年的來(lái)水來(lái)沙過(guò)程，地形沖淤形態(tài)和沖淤量級(jí)基本與實(shí)測(cè)一致。由此表明，采用的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法正確，模型中相關(guān)參數(shù)的取值合理，可以用來(lái)計(jì)算分析工程前后水位、流速、流場(chǎng)和地形沖淤變化。

圖5 實(shí)測(cè)和計(jì)算地形變化

3 泥沙回淤計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方案

泥沙模型主要研究重件碼頭開(kāi)挖之后港池回淤對(duì)碼頭運(yùn)行的影響，20世紀(jì)90年代末以后，三峽樞紐工程建成并投運(yùn)，長(zhǎng)江下游來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生了較大變化。近年來(lái)，來(lái)水來(lái)沙條件更具有代表性，2000年后，長(zhǎng)江下游來(lái)水量中等偏小，來(lái)沙量明顯較小并呈遞減趨勢(shì)。模型分別采用1998年(大水中沙)、2012年(大水小沙)和2013年(小水小沙)為典型水文年，計(jì)算挖入式港池泥沙回淤特征，表1為典型水文年的水沙特征。

表1 典型水文年水沙特征

3.2 計(jì)算結(jié)果

圖6為不同水沙條件計(jì)算的港池內(nèi)泥沙回淤厚度分布圖。圖7為港池及口門淤積厚度縱剖面圖。表2為港池及口門開(kāi)挖區(qū)泥沙淤積特征值。

圖6 不同水沙條件下港池內(nèi)泥沙回淤分布(單位：m)

圖7 不同水沙條件下港池淤積厚度縱剖面

年份年淤積總量/萬(wàn)m3最大淤積厚度/m平均淤積厚度/m19981.223.301.0020120.701.800.5720130.551.550.45

從泥沙淤積形態(tài)圖和淤積特征值可見(jiàn)，在擬建港池開(kāi)挖區(qū)出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象，不同區(qū)域、不同年份的水沙過(guò)程條件泥沙淤積程度均不同。從泥沙淤積形態(tài)來(lái)看，泥沙淤積厚度最大位置都發(fā)生在口門附近回流中心位置。對(duì)比不同水沙年份的泥沙淤積特征來(lái)看，1998年為大水中沙年泥沙淤積較大，年淤積總量為 1.22萬(wàn)m3，最大淤積部位位于口門內(nèi)側(cè)45m附近，最大淤積厚度達(dá) 3.30m，平均淤積厚度為 1.00m。2012年為大水小沙年，泥沙淤積稍小，年淤積總量為 0.70萬(wàn)m3，最大淤積部位位于口門內(nèi)側(cè)53m附近，最大淤積厚度達(dá)1.80m，平均淤積厚度為0.57m。2013年為小水小沙年，淤積較小，年淤積總量為 0.55萬(wàn)m3，最大淤積部位位于口門內(nèi)側(cè)50 m附近，最大淤積厚度達(dá)1.55 m，平均淤積厚度為 0.45 m。

可以看出，經(jīng)過(guò)1998年水沙條件的淤積后，港池口門處高程約為-2.70 m，根據(jù)設(shè)計(jì)低水位0.12 m計(jì)算，水深不足，影響了港池的正常運(yùn)行。在2012和2013年計(jì)算條件下，港池口門高程約-4.45～-4.20 m，設(shè)計(jì)低水位時(shí)水深為4.32～4.57 m，部分船型無(wú)法正常通過(guò)。

4 結(jié) 語(yǔ)

該模型采用有限體積法離散水流及泥沙方程，采用顯式離散求解河床變形方程，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較吻合，說(shuō)明模型能夠用于河床沖淤變形計(jì)算。從模型計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在遇到相對(duì)豐沙水文年，港池內(nèi)出現(xiàn)大量淤積時(shí)，須采取適當(dāng)?shù)墓こ淌杩４胧?，以確保港池正常運(yùn)作。

(編輯：唐湘茜)

2017-03-31

郭德俊，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江下游水文水資源勘測(cè)局，工程師.

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