曹 侃，吳德安，丁 堅(jiān)，趙明志

(河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098)

蕪申運(yùn)河處于長(zhǎng)三角高等級(jí)航道網(wǎng)的建設(shè)范圍內(nèi)，具有極其重要的地位，是長(zhǎng)三角地區(qū)整體發(fā)展的組成部分，安徽省主要骨干航道架之一。它的建成對(duì)發(fā)展皖南經(jīng)濟(jì)及沿河開(kāi)發(fā)有重要作用，同時(shí)大大縮短蕪申航線里程，提高了航行的安全性，有利內(nèi)陸防洪排澇。主要支流青弋江、水陽(yáng)江為山區(qū)性河流，來(lái)水暴漲暴落，洪水含沙量較大，航道不穩(wěn)定。同時(shí)受長(zhǎng)江來(lái)水影響，水沙條件復(fù)雜。三汊河河段（圖1）工程前航道曲率半徑過(guò)小，航道距離護(hù)堤過(guò)近，受青弋江來(lái)水影響，航道流態(tài)不穩(wěn)、橫流流速過(guò)大，對(duì)行船安全形成威脅，影響航道的正常使用；水流交匯處沖刷形成深坑，影響岸堤穩(wěn)定，威脅附近居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

為了船舶的安全航行，改善該段的航道現(xiàn)狀，穩(wěn)定護(hù)堤，較為可行的是進(jìn)行工程方案整治。根據(jù)安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提供的初步航道設(shè)計(jì)方案，建立物理模型。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然解決了航道水深不足和彎道曲率半徑過(guò)小的問(wèn)題，但在中大水流情況下橫流對(duì)航行安全的影響仍然存在。在以往的航道整治工作中，數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］，為解決上述問(wèn)題，運(yùn)用Delft 3D 水動(dòng)力模塊建立數(shù)值模型，根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料，找出最不利的水流組合［4］進(jìn)行模擬計(jì)算，調(diào)整優(yōu)化初步設(shè)計(jì)工程方案，改善流態(tài)，提出整治措施及推薦方案，對(duì)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化工程方案在物理模型上進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步優(yōu)化［5-9］。

1 數(shù)學(xué)模型

流場(chǎng)的模擬采用了荷蘭Delft 水利機(jī)構(gòu)的Delft 3D 模型，主要使用Delft 3D-flow 模塊。Delft-3D-flow 模型是一個(gè)三維的水動(dòng)力輸運(yùn)模型，該模型采用曲線正交網(wǎng)格。水動(dòng)力模塊建立在Navier-Stokes 方程的基礎(chǔ)上，采用交替方向法(ADI)對(duì)該坐標(biāo)系下的控制方程組進(jìn)行離散求解。應(yīng)用沿水深平均的兩維水流數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算，采用大小模型嵌套的技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。其特點(diǎn)是由多個(gè)模塊靈活組成，模塊間聯(lián)系性強(qiáng)，采用貼體正交曲線網(wǎng)格，計(jì)算穩(wěn)定，精度高。

1.1 連續(xù)方程

（1）正交曲線坐標(biāo)系下的水深平均的連續(xù)方程。

（2）動(dòng)量方程。

水平ξ 方向上

水平η 方向上

式中：u，v，ω 分別表示在正交曲線坐標(biāo)系下ξ，η，σ3 個(gè)方向上的速度分量，其中ω 是定義在運(yùn)動(dòng)的σ 空間的豎向速度，在σ 坐標(biāo)系統(tǒng)中由以下的連續(xù)方程求得

式中：Gξξ，Gηη為曲線坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換系數(shù)；Fξ，F(xiàn)η分別為ξ 和η 方向的紊動(dòng)棟梁通量；Mξ，Mη分別表示ξ 和η 兩方向上動(dòng)量的源或匯，包括建筑物引起的外力、波浪切應(yīng)力，以及引排水產(chǎn)生的外力；ρ0為水體密度；vv為豎向渦動(dòng)系數(shù)；f 是柯氏力系數(shù)，取決于地理緯度和地球自轉(zhuǎn)的角速度Ω，f 可以用下式表示：f=2Ωsinφ，φ 為北緯緯度；Pξ，Pη分別表示ξ 和η 兩方向上的水壓力梯度

式中：Patm包括浮體建筑物引起的壓力在內(nèi)的自由面壓力。

1.2 模擬計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格

根據(jù)實(shí)際控制區(qū)域分別順應(yīng)河流兩個(gè)方向生成橫向167 個(gè)，縱向92 個(gè)的正交矩形貼體網(wǎng)格，有效網(wǎng)格控制在10～15 m，滿足計(jì)算精度要求。

1.3 水文數(shù)據(jù)測(cè)驗(yàn)

為充分論證蕪申運(yùn)河青弋江段航道整治工程的建設(shè)規(guī)模，擬定合適的工程規(guī)模布置方案，需在清水河與青弋江交匯的三河口處開(kāi)展水文測(cè)驗(yàn)，以便為航道整治物理模型的驗(yàn)證以及工程布置階段的試驗(yàn)提供技術(shù)支撐。各斷面具體位置如表1 所示。

1.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

運(yùn)用軟件Flow 模塊計(jì)算。根據(jù)地形圖中提取的水深樣本文件生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的水深文件。它是利用在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)附近的樣本點(diǎn)通過(guò)三角形插值在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上生成水深點(diǎn)。流場(chǎng)模擬時(shí)間12 h，根據(jù)生成網(wǎng)格密度和計(jì)算的穩(wěn)定性，時(shí)間步長(zhǎng)不宜取得過(guò)大，本計(jì)算過(guò)程中，時(shí)間步長(zhǎng)選為0.1 min。底部糙率選用曼寧系數(shù)0.02，邊界為無(wú)滑移條件。每隔30 min 輸出一次計(jì)算結(jié)果。

分別計(jì)算了用流量和水位控制的兩種情況，結(jié)果表明2 種情況流場(chǎng)、流速基本一致，接近實(shí)際測(cè)驗(yàn)情況。為了更加準(zhǔn)確的對(duì)比模擬工程前后流場(chǎng)變化，3 個(gè)開(kāi)口邊界分別通過(guò)流量和對(duì)應(yīng)水位控制，斷面1 通過(guò)流量（1 210 m3/s），斷面2、3 通過(guò)對(duì)應(yīng)流量的水位（9.7 m）控制。

表1 斷面位置Tab.1 Cross-sectional position

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，流態(tài)上數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果和物理模型基本吻合；流速數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比實(shí)測(cè)值略小。航道流速最大值平均誤差在10%以內(nèi)，符合規(guī)范要求，可應(yīng)用于本工程計(jì)算。

2 航道改善方案及可行性分析

2.1 工程方案

根據(jù)設(shè)計(jì)部門(mén)提供數(shù)據(jù)，航道底高程-1.5 m，邊坡1:5，做出如圖9 所示的設(shè)計(jì)航道地形。在此基礎(chǔ)上計(jì)算流場(chǎng)、流速。

分析計(jì)算結(jié)果表明：圖9 中①處橫向流速過(guò)大（最大1.2 m/s）依然是影響通航安全的主要因素，為了使船舶的航行穩(wěn)定安全，根據(jù)設(shè)計(jì)要求航道橫向流速要控制在0.3 m/s 左右。主要問(wèn)題存在于青弋江來(lái)流過(guò)于集中且相對(duì)設(shè)計(jì)航道接近垂直，為了解決此問(wèn)題，提供典型四種計(jì)算結(jié)果供研究比對(duì)。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)用數(shù)值模型和物理模型的比證分析，航道的大部分滿足通航要求。為了取證方案改善效果，截取了計(jì)算網(wǎng)格中的關(guān)鍵部分（圖20）流速進(jìn)行比對(duì)。原設(shè)計(jì)航道在圖9 中①處的流速達(dá)到了1.2 m/s，斷面平均流速0.69 m/s。

方案一在計(jì)算中挖掉大部分礙流洲灘，以此來(lái)驗(yàn)證其對(duì)流速流向的影響。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于不同水流條件下，水流流態(tài)和主流流向都作相應(yīng)調(diào)整，但從流路上看，在高水位大流量情況下，口門(mén)交匯區(qū)西北側(cè)橫向流速偏大（0.8 m/s），高水位大流速的情況下，水流流向發(fā)生較大改變。

方案二主要思想是退建右岸護(hù)堤，研究右岸大堤對(duì)水流的影響。經(jīng)計(jì)算，退堤后水流導(dǎo)向明顯，但是水流過(guò)于集中，在設(shè)計(jì)航道處不能完全滿足通航要求，而且對(duì)原河道分流比影響較大，青弋江下游流量明顯減少，影響河道穩(wěn)定。

方案三是在方案二的基礎(chǔ)之上加以修改，因?yàn)閳D9 中②處凸起岸堤對(duì)水流影響較大，為了達(dá)到最佳效果，對(duì)其進(jìn)行退建。經(jīng)計(jì)算，此方案效果較好，在設(shè)計(jì)航道處的流速已經(jīng)降到0.4 m/s，平均流速0.24 m/s，在增大了有效泄洪和通航面積面積的同時(shí)對(duì)河道的分流影響較小，此方案有效的解決了航道隱患，最大程度保證了通航船舶安全。但此方案工程量較大且涉及到堤防的重建工作，可考慮長(zhǎng)期規(guī)劃。

方案四從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性出發(fā)，口門(mén)擴(kuò)挖，分散水流使流速減小，在大流量時(shí)，設(shè)計(jì)航道處流速較大，原航道適當(dāng)加寬，水流條件良好，可以使用原航道通航；枯水季節(jié)小流量時(shí)設(shè)計(jì)航道滿足通航要求，根據(jù)季節(jié)流量的大小變化，適當(dāng)調(diào)整通航路線。

3 結(jié)論

目前航道整治工程的實(shí)施多為以一個(gè)水道或兩個(gè)水道作為一個(gè)工程單元，而水道一般是以歷史上的2個(gè)自然節(jié)點(diǎn)間的河段定義的。節(jié)點(diǎn)在沖積性河流河床演變中扮演著重要的角色，起著十分重要的作用。上游河段的整治一般只會(huì)出現(xiàn)兩種情況，或強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)的挑流作用或弱化節(jié)點(diǎn)的挑流作用，基本不改變節(jié)點(diǎn)的挑、導(dǎo)流作用難以做到。節(jié)點(diǎn)作用的改變，作為下一水道的輸入水流條件將隨之發(fā)生改變，從而影響下游水道的河床演變。

以一個(gè)水道作為一個(gè)航道整治工程的實(shí)施對(duì)象應(yīng)該不存在大的問(wèn)題，而我們研究的對(duì)象是一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的三段水道，且河岸的形態(tài)為彎曲半徑適度的弧線形，青弋江水道較短且曲折，挑流作用往往占優(yōu)，限制河流向一側(cè)或兩側(cè)發(fā)展而且這種挑流作用在年內(nèi)的不同水期和年際間都在不斷地變化，也由于彎曲半徑的不盡合理，水流動(dòng)力軸線不斷地遷徙，表現(xiàn)出不穩(wěn)定的一面。故此，解決這個(gè)問(wèn)題的辦法就是盡可能以一個(gè)較長(zhǎng)的河段作為航道整治的單元研究對(duì)象，而物理模型試驗(yàn)研究時(shí)，河段的長(zhǎng)度是有限的，我們認(rèn)為更應(yīng)該關(guān)注的是洲灘的合理布局。

由上，以2 個(gè)主導(dǎo)河岸型節(jié)點(diǎn)之間的河段作為工程河段我們認(rèn)為是合適的。我們?cè)谘芯克臅r(shí)候要預(yù)判一個(gè)灘段對(duì)它將來(lái)是否有利。在預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，適時(shí)采取工程措施，對(duì)造床流量下的河勢(shì)進(jìn)行控制，以穩(wěn)定或塑造航道整治的目標(biāo)河型。

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