淺析河道修建碼頭對(duì)其防洪能力的影響

馬宏琦

寶雞市鳳縣自來水公司 陜西 寶雞 721700

1 所需條件和方程離散

1.1 初始條件

采用河段上下游邊界的水位就是初始水位，運(yùn)用線性插值來得到各計(jì)算單元的初始水位：初始的流速場為0m/s。

1.2 邊界條件

上游的邊界條件還有下游邊界條件均采用水位邊界條件，而控制斷面則是河道實(shí)測斷面，并運(yùn)用線性插值來推求邊界水位[1]。

1.3 方程離散

淺水方程的離散主要分為空間離散與時(shí)間離散。空間離散采取有限元法：運(yùn)用Galerkin加權(quán)有限元法將淺水方程離散成為非線性的代數(shù)方程，然后在采取Newton原Raphson迭代法來進(jìn)行求解。而時(shí)間離散則是采取非線性的有限差分法來進(jìn)行求解[2]。變量的表達(dá)式為：

在這個(gè)公式中常數(shù)是a、b、c，c是1.5。在該方程中采取全隱式的求解方法，解法就是Newton原Raphson非線性迭代。

2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證和計(jì)算

2.1 對(duì)模型驗(yàn)證

依據(jù)河道修建碼頭的過程在的位置和碼頭修建完工以后可能會(huì)引發(fā)實(shí)際的水流的情況，以及河道水流的條件來選取計(jì)算所需的區(qū)域，還可以采取三角形網(wǎng)格離散的方法來計(jì)算所選取的區(qū)域而網(wǎng)格的大小，還有疏密情況，就可以了解到河道還有河勢(shì)的寬窄的變化情況，同時(shí)通過網(wǎng)格也可以發(fā)現(xiàn)，碼頭附近的網(wǎng)格是最密的。運(yùn)用之前高洪水期間的流量數(shù)據(jù)以及實(shí)測的水位，在模型驗(yàn)證中進(jìn)行使用。在驗(yàn)證的結(jié)果驗(yàn)證圖的顯示中都可以了解到，河床糙率還有湍流交換的系數(shù)主要是按照實(shí)測的水面線進(jìn)行的，也充分地考慮到了碼頭附近的地形特征，并且依據(jù)愛因斯坦的方法來進(jìn)行確定：主河槽糙率是0.025，左右河灘的糙率的取值為0.045，主河槽湍流的交換系數(shù)是200，碼頭附近的糙率是0.05；碼頭附近的湍流交換的系數(shù)是200，而左右河灘的湍流交換的系數(shù)則是30[3]。

2.2 河道防洪能力的分析和計(jì)算

運(yùn)用驗(yàn)證成功后的數(shù)值模型，來對(duì)碼頭所處于的碼頭附近以及河段區(qū)域內(nèi)的水流流場分布進(jìn)行分析和計(jì)算。

設(shè)計(jì)是在洪水位11.27m、流量為339m3/s這樣的條件之下進(jìn)行：

（1）最大的流速區(qū)發(fā)生在靠船墩的右側(cè)，最大的流速近似值接近到0.23m/s，所對(duì)應(yīng)的范圍大概約為40m2為到達(dá)河流的對(duì)岸，并使河流對(duì)河岸沒有沖刷的影響[4]。

（2）在靠船墩的右邊，水流的流速增加，流速增大的區(qū)域范圍是從船頭的右前方大概80m的地方開始向下游出模擬區(qū)域，寬度大概是100～120m。其中的流速達(dá)到了0.21m/s的區(qū)域的范圍大概是45m，在靠近岸邊的一面，也會(huì)有夜歌水流流速稍微增加的一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域的范圍是從碼頭的前口起沿的碼頭的左邊向下游一直到碼頭尾后面大概10m，寬度大概是10～15m的位置。

（3）水流流速的影響范圍基本上和水位的影響范圍相對(duì)應(yīng)，水位的最大上升的幅度為0.0030m，壅水高度為0.0028m的范圍內(nèi)大概是30m2。

3 碼頭修建應(yīng)該注意的事項(xiàng)

通過上面關(guān)于河道修建碼頭對(duì)防洪的影響的內(nèi)容分析，我們了解到河道在修建碼頭之后，會(huì)占有河道上面一定程度的過水?dāng)嗝?，這樣就會(huì)引發(fā)沖刷、壅水還有流態(tài)改變等河道上產(chǎn)生的問題，對(duì)于上游洪水下泄會(huì)造成不利的因素，進(jìn)而就會(huì)使在河道兩岸的堤防安全受到嚴(yán)重的威脅。因此，為了保證河道兩岸的堤防安全，在對(duì)碼頭進(jìn)行建設(shè)的時(shí)候一定要注意以下的事項(xiàng)：

（1）為了減少碼頭修建而所占用的河道的過水?dāng)嗝妫瑴p少因?yàn)榇a頭修建而造成的壅水過高等問題，進(jìn)而使得碼頭的修建影響到河道的防洪能力，碼頭的結(jié)構(gòu)型應(yīng)該盡量去采取高樁梁板式的結(jié)構(gòu)。

（2）在對(duì)碼頭選取修建地址的時(shí)候，應(yīng)該去選取在河道順直同時(shí)河寬比較大的河岸，以此來避免因?yàn)榱鲬B(tài)的改變而對(duì)河岸造成沖刷，進(jìn)而對(duì)河堤的安全造成影響。

（3）為了保證所修建的碼頭的附近的河道堤防的安全，應(yīng)該對(duì)所選碼頭的地址的上下游的一定范圍內(nèi)的堤防進(jìn)行護(hù)岸的有效處理。

4 結(jié)束語

綜上所述，雖然河道修建碼頭會(huì)使得河道內(nèi)的水流的流場引起一定的改變，但是，改變還是比較小的。上游的流速處于相對(duì)平穩(wěn)的時(shí)候，水流 在受到碼頭的阻力影響以后，水位太高而流速開始減小；當(dāng)碼頭的兩側(cè)的流速稍微增多以后，過碼頭以后的流速又會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)，水流的流態(tài)以及水流的流速分布并沒有什么特別明顯的變換，對(duì)其防洪的影響并不大。而在岸坡樁基的工程中，在岸坡樁基鉆進(jìn)的過程中，對(duì)于鉆孔周邊的地基會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，讓擾動(dòng)帶中的底層滲透性加大，在高水位的條件之下，很有可能會(huì)形成管涌，進(jìn)而對(duì)堤壩的安全造成威脅，因此，一定要對(duì)堤防的穩(wěn)定性進(jìn)行深入的研究，進(jìn)而確保碼頭修建工程的安全性和可靠性。