宿遷中心港三期碼頭工程水動(dòng)力特性研究

任強(qiáng)

摘 要：利用水動(dòng)力數(shù)值模型，研究宿遷中心港挖入式碼頭工程港池內(nèi)的水動(dòng)力特征及其對(duì)航運(yùn)的影響，分析工程建設(shè)對(duì)航道航深、航寬及流速分布規(guī)律的影響，以及工程建設(shè)前后流場(chǎng)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：碼頭建成后，碼頭前沿水流流速較低，對(duì)河槽不會(huì)產(chǎn)生較大影響，但由于流速遠(yuǎn)小于主流流速，將引起水域局部淤積，需進(jìn)行定期清淤。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;水動(dòng)力特性;宿遷港碼頭;港池

中圖分類號(hào)：U656.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0126-04

碼頭工程在建設(shè)前后會(huì)對(duì)所在航道附近的流速、流態(tài)以及流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響，由此產(chǎn)生的復(fù)雜水流狀態(tài)會(huì)進(jìn)而影響過(guò)往船只的航行，尤其是碼頭建設(shè)大型化規(guī)?；慕裉?，連片港池的建設(shè)是否會(huì)影響到原有港池及航道的正常運(yùn)行是非常值得注意的問(wèn)題。所以在新建或擴(kuò)建碼頭前，對(duì)碼頭建設(shè)前后的水動(dòng)力情況進(jìn)行深入分析是十分有必要的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)的水運(yùn)工程建設(shè)中，水動(dòng)力數(shù)值分析模型越來(lái)越廣泛地被使用，計(jì)算出的結(jié)果能夠比較科學(xué)地分析工程建設(shè)前后的水動(dòng)力條件影響，進(jìn)而為工程建設(shè)提供指導(dǎo)。成積禧、章雪濤[1]等人針對(duì)日益擴(kuò)大的日照港建立了日照港區(qū)二維潮流數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，研究各期工程日照港水域水流條件的變化并進(jìn)行比較;魏龍[2]等人就冀東南堡人工島附近海域的潮流及泥沙場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析人工島工程前、后的潮流變化條件;汪守東[3]利用整體潮流、波浪和泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)煙臺(tái)港海陽(yáng)港區(qū)建設(shè)前后水流情況進(jìn)行了分析;聞云呈[4]等人針對(duì)射陽(yáng)港水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜的情況，對(duì)射陽(yáng)港及其航道工程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析以指導(dǎo)后期的工程建設(shè)。宿遷中心港三期碼頭工程由于附近有一建一期碼頭工程和二期碼頭工程兩座已建碼頭，且碼頭都為挖入式布置型式，導(dǎo)致周邊水流條件更為復(fù)雜，具有很好的研究意義。

1工程概況

擬建宿遷港中心港區(qū)中心作業(yè)區(qū)三期碼頭工程位于宿遷市宿城區(qū)洋北鎮(zhèn)境內(nèi)，京杭大運(yùn)河宿遷閘～劉老澗閘段的右岸，項(xiàng)目緊鄰中心港區(qū)中心作業(yè)區(qū)二期碼頭工程?hào)|側(cè)，擬采用順岸挖入式布置形式，建設(shè)2000噸級(jí)泊位11個(gè)，項(xiàng)目占地約71.5萬(wàn)m2，占用岸線871m。建設(shè)項(xiàng)目地理位置圖和與鄰近碼頭相對(duì)位置圖見(jiàn)圖1。

2 控制方程

基于Bousinesq渦粘假定和靜壓假定理論，沿垂向平均分布的二維潮流數(shù)學(xué)模型控制方程表述如下：

（1）連續(xù)方程：

（1）

（2）動(dòng)量方程：

（2）

（3）

式中：為垂向總水深;為當(dāng)?shù)厮?為時(shí)間;為重力加速度;、分別為和方向垂向平均流速;為科氏力參量;為謝才系數(shù)，，為曼寧系數(shù);是地球自轉(zhuǎn)角速度，是當(dāng)?shù)鼐暥?、、、為不同方向上渦粘系數(shù)。

計(jì)算中，模型的初始條件設(shè)定為靜水條件，模型的固邊界采用法向流速為0的邊界條件，上下游開(kāi)邊界分別采用流量和水位控制。

此外，工程區(qū)附近京杭大運(yùn)河兩側(cè)存在漫灘[5]，為更好刻畫(huà)漫灘地形，采用干濕點(diǎn)判別法對(duì)動(dòng)態(tài)邊界水域進(jìn)行處理。

3 模型建立

建立工程河段的平面二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。模型上游邊界位于擬建惠然實(shí)業(yè)碼頭上游1500m，模型下游邊界位于擬建碼頭下游850m。模型范圍見(jiàn)圖2。

模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，可較好地貼合岸線及自然邊界，網(wǎng)格尺寸10～40m，并對(duì)工程區(qū)附近水域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。工程前網(wǎng)格共設(shè)計(jì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)1306個(gè)，網(wǎng)格2332個(gè)，工程后網(wǎng)格網(wǎng)格共設(shè)計(jì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)1934個(gè)，網(wǎng)格3587個(gè)。工程前后計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格剖分圖分別如圖3及圖4所示。

4 計(jì)算參數(shù)

（1）時(shí)間步長(zhǎng)：模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)CFL條件動(dòng)態(tài)調(diào)整，為確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行，最小時(shí)間步長(zhǎng)0.01s;

（2）糙率：經(jīng)過(guò)模型驗(yàn)證，河道糙率取0.02～0.03;

（3）渦粘系數(shù)：采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagororinsky（1963）公式計(jì)算。

5 碼頭工程建設(shè)影響

5.1碼頭建設(shè)前后對(duì)水流條件影響

在防洪水位工況下，碼頭建成前后的流場(chǎng)圖如圖5及圖6所示。

由圖5可知，工程建成前，整體上航道中水流條件較優(yōu)，沒(méi)有不良流態(tài)的出現(xiàn)。就河道兩側(cè)邊灘而言，水流流向較為散亂但流速均不足0.16m/s;就深泓流速而言其范圍為0.9～1.3m/s，深泓流速的最大值出現(xiàn)在擬建碼頭工程下游水域，這主要是由于水流傳播至該水域時(shí)河寬明顯束窄所致，深泓流速的最小值出現(xiàn)在二期工程附近河段，發(fā)生該現(xiàn)象的主要原因?yàn)樵摵佣魏訉捿^其余河段明顯較大。

對(duì)比圖5和圖6可知，擬建工程對(duì)河段流場(chǎng)的影響主要集中在工程區(qū)附近。工程建成以后，挖入式港池底高程與航道設(shè)計(jì)底高程一致，工程區(qū)水深及水域?qū)挾鹊脑黾涌陀^上造成河段過(guò)水?dāng)嗝嬖黾?，河段深泓流速有所下降。此外，由于彎曲河段以及科氏力的影響，工程區(qū)附近水流流向有向港池一側(cè)變化的趨勢(shì)，港池內(nèi)出現(xiàn)回流和垂直于航道方向的橫向流速，但港池內(nèi)流速較小，最大值也不超過(guò)0.6m/s。

5.2 碼頭工程對(duì)航深的影響

防洪水位工況下，在碼頭前沿，由于人工疏浚，河床高程大幅下降，水深增大;而在主航道區(qū)域的水深變化很小，碼頭建成對(duì)主航道水深基本沒(méi)有影響。

5.3 碼頭工程對(duì)流速的影響

為進(jìn)一步分析擬建碼頭對(duì)航道流速的影響，沿碼頭附近的設(shè)計(jì)航道中心線按間隔130m布置14個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)碼頭建成前后的流速變化進(jìn)行分析。采樣點(diǎn)的布置如圖7所示。

從表1可知，碼頭工程建設(shè)后，對(duì)于位于工程附近的采樣點(diǎn)（A3～A11），由于過(guò)水?dāng)嗝娴脑黾?，流速明顯減小，流速最大減小值為0.47m/s，最大下降幅度為39%;距工程點(diǎn)稍遠(yuǎn)處的采樣點(diǎn)（A1～A2，A12～A14），受工程影響較小，流速下降幅度在3%以內(nèi);上述規(guī)律反映各采樣點(diǎn)與工程的距離與流速變化關(guān)系密切。

總體而言，工程實(shí)施后，工程區(qū)附近航道的流速減小，而這對(duì)船舶上行無(wú)明顯不利影響。

5.4 碼頭工程對(duì)橫流的影響

為了計(jì)算工程建設(shè)對(duì)航道橫流的影響，對(duì)圖7中采樣點(diǎn)處工程建設(shè)前后的橫流變化列于表2。

分析表2，工程后，采樣點(diǎn)橫流流速最大值由0.14m/s下降至0.07m/s，橫流流速的減小有利于通航條件的改善。

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)值模型計(jì)算分析了最不利工況（防洪水位）下，本工程對(duì)工程河段通航條件的影響，主要結(jié)論如下：

（1）工程后，由于局部區(qū)域平面形態(tài)突變，流向受固邊界條件影響，略有變化，但未形成紊亂或渦流，整體流向也未改變，對(duì)通航條件基本無(wú)影響;

（2）工程后，主航道區(qū)域的水深變化很小，碼頭建成對(duì)設(shè)計(jì)航道水深基本沒(méi)有影響。由于挖入式港池導(dǎo)致的岸線以及地形的變化，工程區(qū)附近航道的流速呈現(xiàn)明顯減小或小幅增加的變化規(guī)律，對(duì)通航條件無(wú)明顯不利影響;

（3）工程后，航道橫向流速減小，橫流流速的減小有利于通航條件的改善。

由于采用順岸挖入式型式布置，且碼頭前沿線與水流保持平順，港池工程的開(kāi)挖，在一定程度上改變了原河槽地形，但由于工程河段河勢(shì)穩(wěn)定，且碼頭區(qū)域河段邊界相對(duì)固定，河床演變緩慢，此處的水流態(tài)勢(shì)不會(huì)有大的變化。碼頭前沿均采取可靠的護(hù)坡措施，水流變化基本不會(huì)影響到碼頭基礎(chǔ)工程。

綜合數(shù)值模擬分析結(jié)果，碼頭建成后，碼頭前沿水流流速較低，碼頭建設(shè)后河槽不會(huì)產(chǎn)生較大影響，但由于流速遠(yuǎn)小于主流流速，碼頭前沿水域水流挾沙力不足，將引起該水域產(chǎn)生一定的淤積。實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)定期進(jìn)行清淤，可保證河勢(shì)的穩(wěn)定和作業(yè)船只安全靠離泊。

參考文獻(xiàn)：

[1]成積禧，章雪濤.日照港水域水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型及港區(qū)回淤分析研究[J].港工技術(shù)，2004（02）：1-6.

[2]魏龍，王義剛，黃惠明，孟超.冀東南堡人工島工程潮流泥沙數(shù)值模擬[J].水運(yùn)工程，2012（06）：43-47+51.

[3]汪守東，徐洪磊.煙臺(tái)港海陽(yáng)港區(qū)沙灘沖淤穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[J].水運(yùn)工程，2010（07）：11-17.

[4]聞云呈. 二維波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型在射陽(yáng)港航道整治工程中的應(yīng)用[C]. 中國(guó)海洋學(xué)會(huì)海洋工程分會(huì).第十四屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集（下冊(cè)）.中國(guó)海洋學(xué)會(huì)海洋工程分會(huì)：中國(guó)海洋學(xué)會(huì)海洋工程分會(huì)，2009：215-220.

[5]袁濤峰，周衛(wèi)東.唐坊碼頭工程挖入式港池對(duì)航道的影響及對(duì)策研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2015，15（07）：257-259+263.