橡膠壩導(dǎo)流堤對(duì)高樁碼頭后方流場(chǎng)影響分析

高洋洋，朱佳慧，王立忠，沃恩海，張卓先

(1. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；2. 海洋感知技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，浙江 舟山 316021；3. 浙江省海港投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315040)

高樁梁板式碼頭具有結(jié)構(gòu)輕、對(duì)軟土地基適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在海港碼頭工程中應(yīng)用廣泛[1-3]。碼頭工程的建成包括船舶的停靠，對(duì)鄰近海域的潮流及沖淤情況產(chǎn)生顯著影響[4-5]。由于碼頭樁群是阻水建筑物且排列較為密集，樁群之間流場(chǎng)相互作用，多重阻水效應(yīng)使碼頭下方樁群內(nèi)部水流流速降低，水流挾沙能力減弱，促使泥沙于樁基附近及碼頭后方落淤，導(dǎo)致碼頭下方及后方區(qū)域淤積嚴(yán)重，影響碼頭樁基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性及安全性。碼頭樁群寬度的增加，將會(huì)增大阻水面積及總阻力，加劇碼頭樁群周圍流場(chǎng)和底床沖淤變化，同時(shí)碼頭的地理位置、泊位的走向和布置等均會(huì)對(duì)淤積產(chǎn)生影響，當(dāng)迎流角增大到一定程度，碼頭周圍淤積體將偏向碼頭后沿[6]。然而碼頭下方樁基及后方水域狹小，施工疏浚不便，難以進(jìn)行清淤作業(yè)，泥面淤積高度逐年增加，同時(shí)為了滿足碼頭前沿船舶靠泊水深要求，碼頭前沿需進(jìn)行定期浚深，碼頭樁基前后泥面高差不斷增大。通過對(duì)浙江省海港碼頭進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分碼頭樁基前后泥面高差最大已達(dá)10余米，樁基承受側(cè)向土壓力較大，極易導(dǎo)致樁基基礎(chǔ)損傷斷裂，存在嚴(yán)重安全隱患，亟需解決碼頭下方及后方區(qū)域清淤減載問題。

國(guó)內(nèi)外已針對(duì)導(dǎo)流堤束水沖沙特性開展了大量的物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論方面相關(guān)研究。部分學(xué)者采用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀(acoustic doppler velocimetry， 簡(jiǎn)稱ADV)對(duì)導(dǎo)流堤附近的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，研究了導(dǎo)流堤周圍的馬蹄渦、三維流速、湍動(dòng)能、雷諾應(yīng)力分布及沖刷特性等流場(chǎng)特性[7-12]。Kuhnle等[9]提出在固定底床和沖刷底床上的流場(chǎng)特性存在顯著不同，強(qiáng)烈的橫向流動(dòng)是造成沖刷的主要原因。Pandey等[13]對(duì)導(dǎo)流堤附近平衡條件下的最大沖刷深度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)最大平衡沖刷深度隨著臨界速度比、水深—粒徑比、混合沉積物的弗勞德數(shù)、水深—導(dǎo)流堤長(zhǎng)度比的增大而增大，隨著粒徑—導(dǎo)流堤長(zhǎng)度比的增大而減小。Kuhnle等[14]研究了不同布置角度的導(dǎo)流堤沖刷特性，研究結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)流堤與下游成45°時(shí)沖刷深度最大，反之，當(dāng)導(dǎo)流堤與下游垂直時(shí)沖刷作用最??；而Koken[15]則研究發(fā)現(xiàn)最大沖刷深度出現(xiàn)在90°的導(dǎo)流堤附近。Zhang等[16]通過改變丁壩的走向角度，研究了沖刷孔的演變過程，結(jié)果表明，沖刷孔的面積和體積均為時(shí)間的冪函數(shù)，可將其演變過程分為初始階段、沖刷階段和平衡階段3個(gè)階段。

另外，部分學(xué)者開展了導(dǎo)流堤附近流場(chǎng)沖刷特性的數(shù)值模擬[17-21]及理論研究[22-25]。Giglou等[17]研究了斜丁壩周圍的湍流流場(chǎng)及其角度、水力條件和沉積形態(tài)等參數(shù)的影響，結(jié)果表明，丁壩入海角度對(duì)沉降區(qū)的長(zhǎng)度和寬度有顯著影響，當(dāng)丁壩入海角從90°增加到120°時(shí)，沉降區(qū)寬度和長(zhǎng)度分別增大約71%和92%。Yazdi等[20]用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型開展了導(dǎo)流堤附近流態(tài)研究，結(jié)果表明，對(duì)于不同角度的導(dǎo)流堤，回流區(qū)的長(zhǎng)度和寬度近似恒定，流量對(duì)回流區(qū)尺寸的影響較小，而導(dǎo)流堤的長(zhǎng)度影響較大。孫志林等[24]基于三維流場(chǎng)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)丁壩壩頭橫向流速在沖刷過程中起著關(guān)鍵作用，通過考慮豎向流速修正了橫向平板繞流的勢(shì)流解。Pandey等[25]提出了一種新的用于估算丁壩附近最大沖刷深度的關(guān)系，并且與平衡階段最大沖刷深度吻合精度較高。然而目前關(guān)于導(dǎo)流堤束水沖沙研究主要針對(duì)碼頭前沿水域，對(duì)于碼頭下方及后方清淤減淤措施研究相對(duì)匱乏，亟需開展深入研究。

橡膠壩作為一種擋水建筑物，主要是用高強(qiáng)度合成纖維為骨架，外涂橡膠為保護(hù)層加工成膠布，錨固于海床上形成壩袋，再經(jīng)充脹形成的擋水壩[26]。與傳統(tǒng)的導(dǎo)流堤相比，選擇橡膠作為導(dǎo)流堤結(jié)構(gòu)載體，具有原材料易于獲取運(yùn)輸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工便捷、拆卸方便、造價(jià)低、壩體跨度大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在完成作業(yè)后，可通過逐步排水，使壩袋坍落，進(jìn)行回收再利用，具有環(huán)保性，在內(nèi)河河道中可以起到清除淤泥、護(hù)理河道的作用，已被廣泛用于內(nèi)河河道整治中。目前通常采用絞吸式挖泥船、耙吸挖泥船、射流清淤等工程措施對(duì)碼頭進(jìn)行清淤減淤[27-30]，然而大多成本較高且需要頻繁采取措施進(jìn)行清淤。針對(duì)高樁梁板式碼頭下方樁基及后方水域狹小，疏浚施工不便，難以進(jìn)行清淤作業(yè)等難題，提出了采用充水式橡膠壩導(dǎo)流堤對(duì)碼頭下方及后方清淤減淤的工程措施，研究了布置不同型式的橡膠壩導(dǎo)流堤后碼頭后方速度流場(chǎng)情況，揭示碼頭后方斷面流速分布、渦量場(chǎng)及雷諾應(yīng)力分布隨橡膠壩導(dǎo)流堤布置型式的變化規(guī)律。

1 新型充水式橡膠壩導(dǎo)流堤布置方案

浙江省海港碼頭大多采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，碼頭后方普遍存在泥沙淤積嚴(yán)重的問題，針對(duì)碼頭后方水域狹窄，不便進(jìn)行清淤施工作業(yè)的情況，首次提出采用充水式橡膠壩導(dǎo)流堤對(duì)碼頭后方水域進(jìn)行清淤減載的工程方案，具體布置方案如圖1所示，充水式橡膠壩布置于碼頭后方，下部采用錨定基礎(chǔ)進(jìn)行固定，通過后方海堤上的水泵對(duì)橡膠壩進(jìn)行充水，形成導(dǎo)流堤，減小碼頭后方過水?dāng)嗝婷娣e，達(dá)到束水沖沙的效果。提出6種橡膠壩導(dǎo)流堤布置型式，分別為垂直導(dǎo)流堤、下挑式導(dǎo)流堤、上挑式導(dǎo)流堤、離岸短堤、正八字型導(dǎo)流堤與倒八字型導(dǎo)流堤，其中，垂直導(dǎo)流堤、下挑式導(dǎo)流堤和上挑式導(dǎo)流堤與后方堤防相連，離岸短堤、正八字型導(dǎo)流堤與倒八字型導(dǎo)流堤均為離岸式布置型式，各導(dǎo)流堤布置型式示意及具體位置如圖2和表1所示。在此基礎(chǔ)上開展了不同布置型式橡膠壩導(dǎo)流堤對(duì)碼頭后方流場(chǎng)的影響特性數(shù)值模擬研究。

圖1 充水式橡膠壩布置示意Fig. 1 Arrangement of rubber dam filled with water

表1 不同布置型式導(dǎo)流堤參數(shù)Tab. 1 Parameters of the diversion dikes in different configurations

圖2 不同布置型式導(dǎo)流堤Fig. 2 Diversion dikes with different configurations

2 計(jì)算模型

2.1 控制方程

基于計(jì)算流體力學(xué)Flow-3D軟件對(duì)碼頭后方不同布置型式橡膠壩導(dǎo)流堤繞流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，采用不可壓縮黏性流體的控制方程N(yùn)avier-Stokes方程，式(1)～(4)表示直角坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

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(2)

(3)

(4)

式中：u、v、w分別為x、y、z方向的速度；Ax、Ay、Az分別為3個(gè)方向的流動(dòng)面積分?jǐn)?shù)；p為壓力；Gx、Gy、Gz分別為重力加速度在3個(gè)方向的分量；VF為體積分?jǐn)?shù)；fx、fy、fz分別為三個(gè)方向?qū)?yīng)的黏性加速度。

(5)

(6)

(7)

其中，τij代表液體剪應(yīng)力，i為作用面，j為作用方向，μ為動(dòng)力黏滯系數(shù)。剪應(yīng)力表達(dá)式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

湍流模型采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該k-ε兩方程模型包含了k方程(湍動(dòng)能方程)和ε方程(湍動(dòng)能耗散率方程)，表達(dá)式如下[31]：

(14)

(15)

式中：kT為湍動(dòng)能，εT為湍動(dòng)能的耗散率，DiffkT為湍動(dòng)能擴(kuò)散項(xiàng)，PT為湍動(dòng)能生成項(xiàng)。PT表達(dá)式如下:

(16)

Diffε為湍動(dòng)能耗散率擴(kuò)散項(xiàng)，表達(dá)式如下：

(17)

式中：υε為湍動(dòng)能耗散系數(shù)，εT為湍動(dòng)能耗散率。

Flow-3D軟件采用VOF法來(lái)追蹤自由液面，VOF法定義了一個(gè)流體體積分?jǐn)?shù)α，α代表一個(gè)單元內(nèi)流體所占體積與單元體積之比。Flow-3D中流體體積分?jǐn)?shù)α的輸運(yùn)方程表達(dá)式如下：

(18)

2.2 模型建立

高樁碼頭后方流場(chǎng)計(jì)算模型如圖3所示，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，選取了一個(gè)典型碼頭泊位，斜樁樁基全部簡(jiǎn)化為豎向樁基，并根據(jù)實(shí)際樁基形狀及尺寸建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算域坐標(biāo)原點(diǎn)位于碼頭泊位中心向海側(cè)平移100 m處，計(jì)算域長(zhǎng)度為686 m，從碼頭前沿400 m至碼頭后方海堤；寬度為540 m，由碼頭泊位向兩側(cè)各延伸100 m；高度為35 m。碼頭前沿泥面高度為7.5 m，并向海側(cè)延伸，碼頭后方淤積泥面坡度為1∶33，海堤堤防坡度為1∶3。垂直橡膠壩導(dǎo)流堤方案網(wǎng)格示意如圖4所示，綜合考慮導(dǎo)流堤尺寸及模型計(jì)算效率，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，局部進(jìn)行加密。計(jì)算模型入口邊界條件采用速度邊界，根據(jù)碼頭附近潮流測(cè)站實(shí)測(cè)結(jié)果，潮流垂向平均最大流速為1.25 m/s，在入口處定義海流來(lái)流速度為U0=1.25 m/s；出口邊界和上部邊界采用壓力邊界條件，向岸側(cè)邊界和底部邊界采用壁面邊界條件；向海側(cè)邊界采用對(duì)稱邊界條件。

圖3 計(jì)算模型Fig. 3 computational model

圖4 邊界條件與計(jì)算網(wǎng)格示意Fig. 4 Sketch of boundary condition and computational mesh

2.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，首先采用k-ε湍流模型開展垂直導(dǎo)流堤繞流流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，流場(chǎng)計(jì)算域大小與Jeon 等[11]模型一致，流場(chǎng)計(jì)算域大小為6.5 m×0.9 m×0.21 m，導(dǎo)流堤長(zhǎng)度L=0.3 m，寬度W=0.04 m。如圖5所示，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在垂直導(dǎo)流堤與邊界相接處，x、y、z方向分別代表順流向、橫流向和豎直向，入口邊界距離垂直導(dǎo)流堤1.5 m，出口邊界距離垂直導(dǎo)流堤5 m。網(wǎng)格采用均勻結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，Δx=Δy=Δz=0.02 m，網(wǎng)格總數(shù)約為15.3萬(wàn)。入口流速U0=0.144 m/s，出口采用自由出流邊界，其他邊界均采用對(duì)稱邊界，初始時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.01 s。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Jeon 等[11]得到的物理模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)不同x斷面處的流速分布進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖5 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分Fig. 5 Computational model and mesh

開展水深z=0.105 m不同斷面(x/L=-3.33，-0.90， 1.67， 3.33， 13.33)的時(shí)均順流向與橫流向流速模擬結(jié)果與Jeon等[11]結(jié)果的對(duì)比分析，如圖6所示，其中、分別代表x、y方向的時(shí)均流速分量，采用入口流速U0進(jìn)行無(wú)量綱化。經(jīng)過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，文中所采用的計(jì)算模型能較好的捕捉垂直導(dǎo)流堤布置后流場(chǎng)的順流向與橫流向流速，與Jeon等[11]試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，拐點(diǎn)的存在與位置表明剪切層的形成，證明了該計(jì)算模型的有效性。

圖6 流速結(jié)果對(duì)比Fig. 6 Comparison of velocity results

3 結(jié)果與分析

3.1 瞬時(shí)速度流場(chǎng)特征

圖7～8分別表示不同橡膠壩導(dǎo)流堤布置方案下碼頭后方流場(chǎng)的瞬時(shí)三維流線拓?fù)鋱D及瞬時(shí)渦量圖。當(dāng)在碼頭后方布置接岸導(dǎo)流堤時(shí)，由于接岸導(dǎo)流堤的阻流作用，在導(dǎo)流堤迎流面與海堤之間區(qū)域會(huì)形成一個(gè)回流區(qū)，存在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦旋。由于接岸導(dǎo)流堤的挑流作用，橫流面積的減小使得導(dǎo)流堤上游部分流體向碼頭樁基側(cè)流動(dòng)，在導(dǎo)流堤堤頂與碼頭后沿樁基之間存在明顯流速增大區(qū)域，并且上挑式導(dǎo)流堤流速增幅最為顯著。同時(shí)接岸導(dǎo)流堤的屏蔽效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致背流面流速顯著降低。在接岸導(dǎo)流堤后方挑流區(qū)域與屏蔽區(qū)域之間，可以觀察到順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦旋。通過對(duì)比布置垂直導(dǎo)流堤、上挑式導(dǎo)流堤及下挑式導(dǎo)流堤后的流場(chǎng)變化情況可以發(fā)現(xiàn)，上挑式導(dǎo)流堤迎流面及后方形成的渦旋尺度即回流區(qū)范圍最大，下挑式導(dǎo)流堤的屏蔽效應(yīng)最為顯著，垂直導(dǎo)流堤的挑流效果介于兩者之間。

圖7 瞬時(shí)三維流線圖Fig. 7 Instantaneous three-dimensional streamline

圖8 瞬時(shí)渦量圖Fig. 8 Instantaneous vorticity contours

與接岸堤不同，在離岸短堤后方可以觀察到交替脫落的旋渦，在離岸短堤兩側(cè)靠近堤頂附近存在明顯流速增大區(qū)域。由于離岸堤堤頭距離碼頭后沿樁基距離較近，除了碼頭后沿樁基與離岸短堤之間區(qū)域出現(xiàn)流速增大外，在碼頭下方流速也出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，后沿樁基附近流場(chǎng)受到旋渦脫落的影響，三維流線較為紊亂。在八字型導(dǎo)流堤布置方案中，在兩個(gè)導(dǎo)流堤之間均觀察到了不同尺度的旋渦，下游導(dǎo)流堤的存在抑制了上游導(dǎo)流堤后方旋渦在沿岸流方向上的發(fā)展，使得旋渦附著在兩個(gè)導(dǎo)流堤之間。在正八字型導(dǎo)流堤之間可以觀察到兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的旋渦共存。正八字型及倒八字型導(dǎo)流堤布置后，流場(chǎng)變化及影響范圍明顯小于離岸短堤，導(dǎo)流堤軸線與順流向之間角度的存在增強(qiáng)了其導(dǎo)流效果，三維流線更為順直。

從瞬時(shí)渦量圖中可以看出，由于導(dǎo)流堤一側(cè)與海堤相接，導(dǎo)致近海堤一側(cè)出現(xiàn)剪切層附著，并伴隨負(fù)渦出現(xiàn)。在垂直導(dǎo)流堤堤頂后方可以觀察到明顯的負(fù)渦脫落，脫落位置靠近碼頭后沿樁基與后排引橋位置。與垂直導(dǎo)流堤相比，下挑式導(dǎo)流堤旋渦脫落位置向下游偏移，在引橋樁基下游發(fā)生旋渦脫落；而上挑式導(dǎo)流堤在堤頂下游150 m左右觀察到旋渦脫落現(xiàn)象，在背流面靠近海堤一側(cè)可觀察到少量正渦。與垂直導(dǎo)流堤相比，在離岸短堤后方存在明顯交替脫落的正負(fù)旋渦。正(倒)八字型導(dǎo)流堤由于兩個(gè)導(dǎo)流堤間距較小，上游導(dǎo)流堤產(chǎn)生的剪切層附著在下游導(dǎo)流堤，出現(xiàn)了明顯的剪切層附著現(xiàn)象，在下游導(dǎo)流堤后方觀測(cè)到不對(duì)稱分布的旋渦脫落。

3.2 垂向平均流速分布

圖9表示不同橡膠壩導(dǎo)流堤布置方案下碼頭后方流場(chǎng)垂向平均流速分布，垂向平均流速分布即對(duì)流速沿水深方向(垂向)求取平均值，由于碼頭前沿靠近外海一側(cè)流速變化較小，圖中僅顯示碼頭前沿200 m至后方海堤堤腳范圍。如圖所示，接岸導(dǎo)流堤的存在減小了碼頭后方流場(chǎng)的過流面積，其挑流作用使得水流向碼頭樁基一側(cè)偏斜，接岸導(dǎo)流堤堤頂與碼頭后沿樁基之間的流場(chǎng)流速迅速增大，在導(dǎo)流堤背流面，由于其遮蔽效應(yīng)，該區(qū)域流速大幅減小，靠近海堤區(qū)域流速接近于零，下挑式導(dǎo)流堤的屏蔽效應(yīng)最為顯著。上挑式導(dǎo)流堤垂向平均流速增幅顯著，最大值達(dá)到1.833 m/s，與入口處流速相比增大46.6%，在堤頂至下游220 m區(qū)域內(nèi)平均流速增大20%左右，在堤頂下游90～150 m范圍內(nèi)平均流速增大40%以上。下挑式導(dǎo)流堤在碼頭樁基附近流速增幅與上挑式導(dǎo)流堤相比較小，垂向平均流速最大值為1.600 m/s，與入口處流速相比增大28%，在堤頂下游110～200 m范圍內(nèi)平均流速增大20%以上。垂直導(dǎo)流堤平均流速增幅介于上挑式導(dǎo)流堤與下挑式導(dǎo)流堤之間，垂向平均流速最大值為1.743 m/s，流速增幅為39.4%，在堤頂至堤頂下游230 m范圍內(nèi)平均流速增大20%以上。由于在離岸短堤后方存在交替脫落的旋渦，流場(chǎng)內(nèi)流速波動(dòng)較大，兩側(cè)垂向平均流速顯著增大，最大值達(dá)到1.940 m/s，增幅為55.2%。當(dāng)布置離岸短堤后，平均流速影響范圍靠岸側(cè)至海堤處，靠海側(cè)約延伸至堤頂向外160 m處，在堤頂至下游(碼頭側(cè))80 m范圍內(nèi)平均流速增大20%以上。但與接岸堤相比，由于過水?dāng)嗝鏈p小較小，離岸堤的影響范圍更小。

圖9 垂向平均流速分布Fig. 9 Depth average velocity distribution

3.3 碼頭后方不同斷面處流場(chǎng)特性

為了定量對(duì)比不同導(dǎo)流堤布置型式對(duì)碼頭后方流場(chǎng)的影響，分別選取了距離碼頭后沿樁基5 m、25 m、45 m、65 m斷面處流速進(jìn)行分析。圖10為碼頭后方布置垂直導(dǎo)流堤后不同斷面處順流向及橫流向流速分布，其中垂直導(dǎo)流堤堤頂位置位于x=0 m處。

圖10 垂直導(dǎo)流堤布置后不同y斷面處順流向流速u/U0及橫流向流速v/U0分布Fig. 10 Streamwise velocity u/U0 and transverse velocity v/U0 distribution at different y cross sections with a vertical diversion dike

隨著與樁基距離的增大，順流向流速u/U0增大區(qū)域逐漸減小，并且屏蔽效應(yīng)更加顯著，在Δy=65 m斷面，從堤頂下游80 m至出口處降低至0.2U0以下。在距離碼頭后沿基樁Δy=5 m斷面處，順流向流速影響范圍約為堤頂下游150 m區(qū)域內(nèi)，距離導(dǎo)流堤堤頂下游60～120 m范圍內(nèi)流速增大20%以上。橫流向流速v/U0從距離碼頭樁基5 m到65 m呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，越接近垂直導(dǎo)流堤堤頂，流速增大越顯著。在距離碼頭后沿樁基5 m、25 m斷面處，出現(xiàn)明顯負(fù)向流速。在Δy=65 m 斷面，在堤頂至下游20 m范圍內(nèi)橫流向流速幅在0.7U0以上，在靠近碼頭后沿樁基的Δy=5 m斷面處，堤頂下游50 m至100 m范圍內(nèi)橫流向流速增幅仍可達(dá)到0.5U0左右。

圖11表示碼頭后方布置下挑式導(dǎo)流堤后不同斷面處順流向及橫流向流速分布，下挑式導(dǎo)流堤堤頂位于x=50 m處。順流向流速?gòu)木嚯x碼頭基樁5 m到65 m影響范圍逐漸減小，并且出現(xiàn)屏蔽區(qū)域。在Δy=5 m斷面處，順流向流速影響范圍一直延伸至出口處，在距離導(dǎo)流堤堤頂下游100 m處及125～210 m范圍內(nèi)流速增幅達(dá)到20%以上。橫流向流速?gòu)木嚯x碼頭樁基5 m到65 m影響范圍逐漸增大，在距離后沿樁基45 m、65 m斷面處出口邊界附近出現(xiàn)負(fù)向流速。在Δy=45 m斷面處，橫流向流速增大范圍最大，在導(dǎo)流堤堤頂上游50 m至下游170 m范圍內(nèi)橫流向流速幅值在0.3U0以上。

圖11 下挑式導(dǎo)流堤布置后不同y斷面處順流向流速u/U0及橫流向流速v/U0分布Fig. 11 Streamwise velocity u/U0 and transverse velocity v/U0 distribution at different y cross sections with a down-warping diversion dike

圖12為上挑式導(dǎo)流堤布置后，不同斷面處順流向及橫流向流速分布等值線圖，上挑式導(dǎo)流堤堤頂位于x=-50 m處。順流向流速在距離碼頭基樁25 m處流速增幅最為顯著，各斷面在靠近出口處存在明顯屏蔽效應(yīng)。在Δy=25 m斷面處，順流向流速影響范圍約為堤頂下游210 m區(qū)域內(nèi)，距離導(dǎo)流堤堤頂下游50～180 m范圍內(nèi)流速增大20%以上。在距離碼頭后沿樁基5 m、25 m、45 m斷面流速增大區(qū)域均較大，挑流效果顯著。橫流向流速在Δy=65 m斷面位置處受到導(dǎo)流堤后方旋渦的影響，出現(xiàn)負(fù)向流速，在Δy=5 m 斷面處，距離堤頂下游220～300 m范圍內(nèi)橫流向流速幅值在0.5U0以上。

圖12 上挑式導(dǎo)流堤布置后不同y斷面處順流向流速u/U0及橫流向流速v/U0分布Fig. 12 Streamwise velocity u/U0 and transverse velocity v/U0 distribution at different y cross sections with an up-warping diversion dike

圖13為離岸短堤布置下，順流向及橫流向流速分布，離岸短堤位于x=0 m處。由于離岸短堤距離碼頭后沿樁基30 m，順流向流速在距離碼頭基樁25 m、45 m、65 m處均出現(xiàn)較大范圍流速衰減，屏蔽效應(yīng)顯著。在Δy=5 m斷面處，順流向流速在距離導(dǎo)流堤堤頂下游10～80 m范圍內(nèi)流速增大20%以上。橫流向流速受到離岸短堤后方旋渦脫落的影響，出現(xiàn)正負(fù)交替的流速，在Δy=25 m斷面處，分別以x=50 m、150 m、230 m為分界，在導(dǎo)流堤堤頂至下游20 m及180～200 m范圍內(nèi)橫流向流速幅值在0.5U0以上，在堤頂下游70～130 m范圍內(nèi)橫流向流速幅值在0.3U0以上。

圖13 離岸短堤布置后不同y斷面處順流向流速u/U0及橫流向流速v/U0分布Fig. 13 Streamwise velocity u/U0 and transverse velocity v/U0 distribution at different y cross sections with a short diversion dike

圖14 不同x斷面流速及雷諾應(yīng)力分布Fig. 14 Distributions of velocity and Reynolds stress at different x cross sections

4 結(jié) 語(yǔ)

首次提出了采用充水式橡膠壩導(dǎo)流堤對(duì)碼頭后方水域進(jìn)行清淤減載的工程方案，基于計(jì)算流體力學(xué)Flow-3D軟件建立了碼頭后方流場(chǎng)三維數(shù)學(xué)模型，研究了不同布置型式橡膠壩導(dǎo)流堤對(duì)碼頭后方流場(chǎng)變化的影響，對(duì)不同布置型式導(dǎo)流堤下瞬時(shí)及時(shí)均速度流場(chǎng)、斷面流場(chǎng)特性等進(jìn)行了分析，得到的主要結(jié)論如下：

1) 針對(duì)碼頭后方水域狹窄、不便進(jìn)行清淤施工作業(yè)等難題，首次提出了采用充水式橡膠壩導(dǎo)流堤對(duì)碼頭后方水域進(jìn)行清淤減載的工程方案，并提出了垂直導(dǎo)流堤、下挑式導(dǎo)流堤、上挑式導(dǎo)流堤、離岸短堤、正八字型導(dǎo)流堤和倒八字型導(dǎo)流堤6種不同型式的橡膠壩導(dǎo)流堤布置型式。

2) 上挑式導(dǎo)流堤迎流面及后方形成的渦旋尺度即回流區(qū)范圍最大，下挑式導(dǎo)流堤的屏蔽效應(yīng)最為顯著，垂直導(dǎo)流堤的挑流效果介于兩者之間。與垂直導(dǎo)流堤相比，在離岸短堤后方存在明顯交替脫落的正負(fù)旋渦。由于受到下游導(dǎo)流堤的抑制作用，正八字型導(dǎo)流堤與倒八字型導(dǎo)流堤在兩個(gè)導(dǎo)流堤之間存在明顯旋渦附著。

3) 各導(dǎo)流堤布置方案均能在碼頭后方出現(xiàn)流速增大區(qū)域，其中垂直導(dǎo)流堤和上挑式導(dǎo)流堤挑流作用最為顯著，垂向平均流速最大增幅可達(dá)39.4%和46.6%。在距離碼頭后方樁基5 m處順流向流速增幅約在20%以上。