山區(qū)內(nèi)河航道碼頭方案影響水動力數(shù)值研究

程海迅，李麗，邱炳然，臧志鵬

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中國石油集團海洋工程有限公司天津分公司，天津 300457；3.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津，300350）

本研究項目位于我國東北山區(qū)某河流上游，為解決當(dāng)?shù)睾降拦芾砭肿鳂I(yè)船舶?？康膯栴}，擬在河岸新建小型碼頭工程，以滿足船舶停靠、管理和養(yǎng)護等功能。同我國多數(shù)山區(qū)中小型河流相似，該項目所在河道具有表面比降大、礫石遍布、灘淺流急等特點；此外，山區(qū)河流徑流模數(shù)大、匯流時間較短，夏季暴雨影響下，極易發(fā)生山洪災(zāi)害，但洪水持續(xù)時間通常較短。流量與水位變幅大是山區(qū)河流一個重要的水文特點，其最大流量與最小流量的比值有時可達幾十倍[1,2]。在河道上修建的碼頭建筑物占據(jù)一定的過水面積，會改變河道水流特性，可能對河道通航、行洪、河勢穩(wěn)定、水運交通等帶來一定影響[3]。

為了更好地開展項目實施，通常需要利用數(shù)學(xué)模型或者實驗手段對工程方案的水流和泥沙特性進行模擬預(yù)測[3,4]。本文通過數(shù)值模擬山區(qū)內(nèi)河航道碼頭工程前后水流和泥沙演化規(guī)律，分析不同流量下的河道斷面的水位、流速以及河道沖淤變化，研究修建航道碼頭的工程影響，為碼頭工程方案設(shè)計和實施提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型建立及條件

本文基于MIKE21 HD 模塊建立河道的平面二維水動力模型，并基于ST 模塊對河道的泥沙沖淤演變進行模擬。MIKE21 采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，在處理水流動邊界、復(fù)雜工程建筑物邊界等方面具有強大的功能，且計算穩(wěn)定性良好，已在國內(nèi)外許多工程項目研究中得到了廣泛應(yīng)用，其模擬結(jié)果具有較高的承認(rèn)度[5-7]。

項目航道碼頭方案實施前的水深地形如圖1（a）所示，在河道變寬處擬建一個作業(yè)船舶碼頭。圖1（b）為碼頭工程建設(shè)之后的水深地形圖，港池及碼頭前沿停泊水域比原河道高程向下開挖1.0～1.2m；寬度18m；港池回旋水域直徑45m，碼頭前沿回旋水域直徑75m。為了水流計算穩(wěn)定，本文選取碼頭上下游各1.5km 長度范圍建立水動力數(shù)值模型，并沿河道上游至下游設(shè)置了6個斷面進行水位和流速的變化監(jiān)測，如圖2（a）所示。

圖1 河道底標(biāo)高（a）方案前，（b）方案后

圖2 河道數(shù)值模型示意圖（a）斷面位置，（b）速度場（Q=200 m3/s）

項目方案實施前，在河道內(nèi)進行了流量和流速的現(xiàn)場觀測。針對觀測流量為Q=200 m3/s 的工況進行河道水流模擬，河道內(nèi)速度分布結(jié)果如圖2（b）所示。碼頭正前方斷面#4 和#5 最大流速分別為2.1 m/s 和2.5 m/s，平均值為2.3m/s，與實測碼頭前沿的最大流速2.3 m/s 吻合。碼頭修建前后的斷面流速也發(fā)生了較大變化，尤其是與碼頭比較靠近的斷面#2～ #5。在斷面#2 處流速發(fā)生了一定的增大，主要由于修建的碼頭減小了河道的寬度，而此處水深沒有發(fā)生變化，故總的過流斷面發(fā)生了減小，說明此處需要進行河道開挖，以進一步降低流速。斷面#4 位于碼頭的正中間位置，流速由原來的最大2.1 m/s，降低為碼頭修建之后的1.2 m/s。這是由于碼頭前方的回旋水域進行了-1.2 m 開挖的原因，盡管碼頭修建降低了河道的寬度，但是總的過流斷面仍然增大，故碼頭正前方的最大流速發(fā)生較大程度的降低，這有利于碼頭前工作船的?？坎?。此外，在距離碼頭較遠(yuǎn)的4 個斷面，即#1、#2、#5 和#6 處的最大流速都沒有發(fā)生變化，表明碼頭修建之后對于整體河道的水流影響很小，僅限于碼頭局部范圍。

項目河道2010—2017 年7 年間的高程觀測資料表明河道高程最大變化量為±0.6 m。基于MIKE21 里的ST 模塊建立泥沙輸運的數(shù)值模型。由于河道位于山區(qū)，其河床主要以礫石為主，項目選取中值粒徑40 mm的中礫作為代表，進行河床演變模擬。如圖3（a）所示，河道高程變化量的數(shù)值結(jié)果在-0.7 m～ 0.6 m（圖3a），與實際長期觀測值一致。此外據(jù)歷史觀測數(shù)據(jù)，該段河道的歷史最大泥沙濃度為985 g/m3。項目基于10年一遇洪水最大流量Q=3710 m3/s 進行了泥沙濃度的模擬，如圖3（b）所示。數(shù)值模擬的最大泥沙濃度為957 g/m3，與觀測數(shù)據(jù)吻合。以上流速、河床演變和泥沙濃度模擬結(jié)果可以證明當(dāng)前模型的可靠性。

圖3 數(shù)值模型結(jié)果驗證（a）河床高程演變，（b）泥沙濃度分布

2 不同流量下水位及流速分析

研究針對不同的設(shè)計流量分別進行了河道水流模擬，包括最小通航水位流量（Q=86.3 m3/s）、多年暢流期平均流量（Q=276 m3/s）、最大年暢流期平均流量（Q=570 m3/s）、2 年一遇洪水流量（Q=1490 m3/s）、5 年一遇洪水流量（Q=2910 m3/s）和10 年一遇洪水流量（Q=3730 m3/s），工況條件如表1 所示。

表1 項目河道代表性流量工況表

數(shù)值結(jié)果表明：碼頭的修建可以一定程度上降低斷面#4 處的水位，而且河道流量越小，碼頭工程對于水位的影響越明顯。當(dāng)河道流量大于最大年暢流期平均流量（Q ＞ 570 m3/s）時，碼頭工程基本不會對水位產(chǎn)生影響?？傮w上，碼頭建設(shè)對于碼頭前沿的流速具有一定降低作用，尤其是在正常流量情況下；而在洪水流量情況下則對速度的影響不明顯，這與斷面水位變化趨勢相同。碼頭前沿河道的開挖增加了過流斷面的面積，在流量較小的情況下，碼頭工程的影響更加明顯；而在洪水流量下，過流斷面的影響可以基本被忽略?？傮w上，碼頭修建后，碼頭前沿的水深整體增加了，且最大流速發(fā)生了一定的降低，有利于工作船舶的通航和靠泊；并且洪水期的水位和流速基本沒有變化，不會對行洪產(chǎn)生影響。碼頭工程建設(shè)前后的水位和流速變化差值見表1。

3 方案實施后河道沖淤分析

本文進一步對碼頭修建后的河道沖淤進行數(shù)值模擬。模擬的兩個工況條件為2 年一遇和10 年一遇的洪水過程，該流量條件下水動力足夠強，大于河道泥沙的臨界起動流量（Q=670 m3/s）。圖4 為2 年一遇和10年一遇洪水過程后的碼頭附近的河道演變結(jié)果。2 年一遇的洪水過程中，河道的沖刷和淤積量在-0.4 m～ 0.4 m 之間；而10 年一遇的洪水過程中，河道沖刷和淤積量在-0.8 m～ 0.7 m 之間。2 個洪水流量下的河道沖刷和淤積的位置基本相同，主要在碼頭的上游來流方向發(fā)生沖刷，然后淤積發(fā)生在碼頭前沿回旋水域的上游，總體上對于回旋水域內(nèi)的水深影響很小。同時，在回旋水域挖槽近河道中心的斜坡底腳一帶發(fā)生了淤積，而斜坡的坡頂發(fā)生了一定的侵蝕，這是正常的泥沙輸運結(jié)果。此外在碼頭下游區(qū)域發(fā)生零星局部的沖刷和淤積。圖5為斷面#4 上的河道高程變化，可見，碼頭前沿斷面位置沖刷和淤積主要發(fā)生在挖槽斜坡的底腳和坡頂，這也是挖槽斜坡在水動力作用下發(fā)生自然坍塌的正常表現(xiàn)。而在碼頭前沿附近的水深基本沒有發(fā)生變化。可見，本項目不會在碼頭前沿回旋水域位置發(fā)生明顯的淤積，可以保持穩(wěn)定的作業(yè)水深。

圖4 不同流量下方案前后河道高程變化分布

圖5 不同流量下方案前后河道斷面流速變化情況

4 結(jié)論

基于現(xiàn)狀水深地形建立河道水動力和泥沙輸運數(shù)值模型，河道現(xiàn)狀斷面最大流速、河道長期演變沖淤量以及河道泥沙濃度最大值均與觀測值和歷史記錄值吻合，表明當(dāng)前模型對于山區(qū)河道水流和泥沙模擬結(jié)果合理，可用于本研究中碼頭修建影響水動力分析。

分別對不同設(shè)計流量下的河道水流進行模擬，重點分析了碼頭修建對河道斷面水位和流速最大值的影響。該工程河段的相對水深較淺，新建碼頭之后由于回旋水域的疏浚挖深，使該河段有效斷面增加，因此對于河道水流速度有減緩的作用，特別是在碼頭前靠泊區(qū)域流速較小更加明顯。在通航流量下，碼頭工程對于河道流速的減緩作用較為明顯，有利于船舶通航安全。在多年一遇洪水流量下，碼頭工程對河道水位和流速的影響很小，不會對行洪安全產(chǎn)生影響。碼頭工程實施后，碼頭前沿回旋水域內(nèi)部發(fā)生淤積量很小?？傮w上碼頭工程方案可行。