码头工程对山区河道水流特性影响试验研究

徐 芳，杨胜发，付旭辉，李 怡

（重庆交通大学河海学院,重庆 400074）

码头工程对山区河道水流特性影响试验研究

徐 芳，杨胜发，付旭辉，李 怡

（重庆交通大学河海学院,重庆 400074）

不同型式码头对工程河段水流特性的影响程度对于防洪问题和工程可行性研究意义重大。文章研究了37组次不同条件下的码头工程对山区河道水位的影响，同时还研究了24组次不同条件下的码头工程对山区河道流速的影响。结果表明，码头工程的相对最大水位壅高值主要与其阻水面积率、弗汝德数和码头工程结构型式有关，得出了计算码头工程的相对最大水位壅高值的关系式；并根据实测数据分析了各类码头工程附近的流速变化情况，分析表明工程对附近河段的最大流速增值与影响范围均随工程阻水能力和附近流速的增加而增长；从流速变化的平面分布上看，工程前沿至对岸的上、下游流速会增加，工程侧的上、下游流速会减小。

码头工程；山区河道；水位；流速

Biography：XU Fang（1973-），female，associate professor.

长江上游山区河流流经峡谷、丘陵和阶地间，河道平面形态复杂，明暗礁石众多，航道弯、窄、浅、险，水流湍急，流态紊乱，碍航滩险多达210处，船舶航行艰难，水上运输受到严重制约［1］。随着三峡工程以及长江上游干支流水电工程的修建，重庆至宜昌段通航条件将从根本上得到改善。根据已有研究，三峡水库蓄水后，险滩淹没、航深增大、水流趋缓、航道加宽，万吨级船队可从上海直达重庆，单向年通过能力将从目前的1 000万t增加到5 000万t，运输成本可降低三分之一，可使长江在未来中国交通事业上真正发挥黄金水道“低成本、大通量”的作用。但目前长江上游山区河道港口无论从规模、设备，还是从功能上都无法满足未来经济发展的需要，可以预见随着上游水电开发的蓬勃发展，必将掀起新一轮的港口码头建设高潮［2］。

在河道上修建码头工程，码头建筑物占据一定的过水面积，会改变河道水流特性，可能对河道通航、行洪、河势稳定、堤围安全、水运交通等带来不利影响。不同的码头类型及布置形式直接影响河段的水流特性，对其进行研究具有重要的理论和实际意义。本文通过概化水槽模型试验，系统研究了各类（实体式、高桩式）码头工程对山区河道工程河段附近水位（包括最大壅水高度及发生位置、上游壅水范围）、流速等水流特性的影响，以期为未来山区河道码头工程建设管理和设计提供一定的理论依据。

1 山区性河道特点及码头工程概况

1.1 山区性河道特点

1.1.1 地形地质特征

山区河流流经地势高峻、地形复杂的山区。水流在由构造运动所形成的原始地形上不断侵蚀，山区河流的河床就是由水流不断纵向切割和横向拓宽而逐步发展形成的。

由于沿途地形、地质构造以及岩性差异，山区河流的峡谷河段和宽谷河段往往交替出现。两岸常有岩嘴、石梁和乱石堆体伸入江中，致使岸线极不规则，特别是枯水河岸线。山区河流河床远比等流量的平原河流河床狭窄，峡谷河段更甚。

山区河流纵断面形态呈上陡下缓、突高突低、起伏不平、逐渐向下游倾斜的台阶状，纵坡较陡。

1.1.2 水文泥沙特性

山区河流重要的水文特点是流经的地区坡面陡峻、径流模数大、汇流时间较短、洪水暴涨暴落。在暴雨集中地区尤为显著，暴雨与山洪往往同时发生，但洪水持续时间一般不长，降雨过后，河道又恢复原来的低水细流。流量与水位变幅大，是山区河流又一个重要的水文特点。最大流量与最小流量的比值可达几百倍。

山区河流的水面比降一般较大，多在1‰以上。比降不但大，而且受河床形态的影响，沿程分配极不均匀，绝大部分落差集中于局部河段。比降大、河槽窄，流速势必很大。山区河流流速普遍较大，滩上流速往往在 2～3 m/s，个别滩更大。

山区河流的泥沙来量主要集中在汛期。悬移质含沙量视地区而异，悬移质大都是中细沙和粘土，由于比降及流速大，一般处于不饱和状态，可全部视为冲泻质。山区河流的推移质多为卵石及粗沙。河床多由原生基岩、乱石或卵石组成。

1.1.3 河床演变特征

山区性河道由于比降陡、流速大、含沙量不饱和，有利于河床向冲刷变形方面发展，但河床多为基岩或卵石组成，抗冲性能强，冲刷受到抑制。因此，尽管山区河道从长时期来看是不断下切展宽的，但从短时段来看这种变形却十分缓慢，甚至可以认为基本不变。只是在某些河段，由于特殊的边界、水流条件，可能发生大幅度暂时性的淤积和冲刷。

山区性河道演变的另一个特点是：易于遭受突然而强烈的外界因素影响，而产生河床显著变形。例如地震、山崩、大滑坡等，能在极短时间内将河道堵塞，在其上下游形成壅水和跌水，急剧改变水流河床状况。

1.2 码头工程概况

山区性河道洪、枯水流量相差大，水位变幅大，因此设计高、低水位差大是山区性河道码头设计的共同特点，山区性河道码头主要有直立式和斜坡式2大类。其中直立式码头主要有高桩码头、墩式码头和重力式码头；斜坡式码头主要有实体式斜坡码头、架空式斜坡码头和实体与架空混合式斜坡码头，此外也有浮码头型式［2］。

对重庆主城附近拟建和在建的码头进行调查，按下部结构不同，主要将其分为架空式码头和实体式码头，结果显示，在所调查的码头中，架空式码头占绝大多数，只有少量码头下部结构采用实体式。

由于航道等级的提升、市场需求扩大、运输方式的现代化、装卸工艺效率的要求和投资增长等原因，同时为了充分发挥港口的通过能力，提高港区陆域面积和码头泊位利用率，今后直立式码头尤其是架空直立式码头应用前景将越来越广泛［2］。

2 概化模型试验设计

2.1 试验装置简介

本次概化模型试验在重庆市水利水运工程重点实验室的概化模型水槽内进行。图1为水槽的供水系统示意图［3］。实验供水水泵的设计功率为120 kW，平水塔高度为13.0 m，设计供水流量1 m3/s。变坡水槽的入口是流量测控系统，由电磁流量计、电动阀、计算机组成。在小流量（0.02 m3/s）时，流量由三角堰测定，流量误差1%，在大流量（0.02～0.04 m3/s）时，采用巴歇尔槽测定，流量误差2.5%。

由于本次试验的流量较大，在水槽的进口设置一级消能池和二级消能池，以减小水流波动对试验结果的影响。一级消能池的尺寸为2.0 m×2.0 m×1.5 m（长×宽×高，下同），在底部设置消能坎，主要是在大流量（大于0.1 m3/s）时，对巴歇尔槽的出流消能。二级消能池的尺寸为13.0 m×8.0 m×1.0 m，并在水槽进口处设置可调整的消能格栅，使水流稳定均匀。

2.2 试验水流特征值

本次试验设计时确定水槽的宽度B为2.3 m，水槽的坡度J0为0.82‰。共采用0.06 m3/s、0.09 m3/s、0.12 m3/s和0.15 m3/s四级流量。

本次试验研究确定的宽深比范围为22～33，最大水深不超过0.2 m。明渠水流的雷诺数变化范围为30 623～73 601，其远远大于 500，说明水流为紊流［4］。

2.3 试验水槽设计

本试验概化水槽为矩形断面，水槽尺寸为18 m×2.3 m×0.5 m，根据长江上游代表河段砂粒中值粒径统计，底部水泥砂浆选用沙粒直径d50=0.99 mm，底坡设计为0.82‰，模型码头布设在从水槽进口起10～10.5 m水槽左岸的范围内，水槽在距进口1 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m处左、右岸壁底部分别布置一个测压管，以便测读相应断面的水位。试验段范围在距水槽进口8～12 m，尾部为自由出流。在二级消能池形成的平稳水流进入变坡水槽，经过进口段的调整，在试验段形成均匀紊流。

2.4 模型方案设计

本次研究的码头工程主要有代表实体式码头的淹没丁坝、非淹没丁坝和代表高桩式码头的单排桩以及群桩4种类型。其中淹没丁坝尺寸为8 cm×6 cm×5 cm、16 cm×6 cm×5 cm、32 cm×6 cm×5 cm 三种，非淹没丁坝尺寸为 17 cm×6 cm×40 cm，单排桩有 2、4、6、8 根 4 种布置，群桩有 2×2（排数×根数，下同）、2×4、2×6、2×8、4×2、4×4、4×6、4×8 一共 8 种布置，图 2 为模型总体布置示意图。

图2 模型总体布置示意图Fig.2 General layout of the model

实际工程中的桩截面形式主要为圆形和方形，中心间距为桩径的3～5倍。本试验只考虑用圆形桩，采用直径d=2 cm，平均长度为40 cm的PVC塑料棒模拟桩，模型桩群按等间距排列，桩中心间距为Dx=Dy=4 d=8 cm。

3 各种码头工程对水位影响的综合分析

河道中修建码头后，会阻挡水流引起码头上游比降减小、流速降低和水位壅高；当水流到达码头前端断面时，由于河面束窄，比降和流速迅速增大、水位降低；而在码头附近下游，由于惯性作用，水流会继续收缩，比降和流速继续增大，水位降低；至收缩断面后，又在扩散作用下，水位逐渐扩散到与天然河段相接，水流恢复到天然状况。

本次试验研究表明，试验中各种码头工程，最大水位壅高值ΔZ基本上都出现在码头工程上游附近。

对试验中各组方案而言，最大水位壅高值ΔZ与其局部水头损失hj基本呈一次线性关系，将所有点绘于图3，拟合的关系式为相关系数为0.998。研究表明，试验中各组方案的最大水位壅高值ΔZ不仅与其局部阻力系数ξ有关，而且与流量大小有关。在流量一定时，除淹没丁坝外，其余各方案的最大水位壅高值ΔZ与其局部阻力系数ξ基本呈一次线性关系；对淹没丁坝而言，最大水位壅高值ΔZ与其局部阻力系数ξ关系不明显。

丁坝、单排桩的相对最大壅高值ΔZ/H（即最大壅高值与方案前相应水深H的比值）与其阻水面积率ε、弗汝德数Fr有关，其相关公式均可表示为

图3 最大壅高值△Z与局部水头损失hj的关系图Fig.3 Relationship between maximum increment△Z and local head loss hj

式中：a，b均为随码头工程的型式而变化的系数。

在阻水面积率ε、弗汝德数Fr相同时，丁坝方案的相对最大水位壅高值（ΔZ/H）远远大于单排桩方案的相应值，稍大于四排桩的相应值，因此在阻水面积率ε、弗汝德数Fr相同时，群桩的相对最大水位壅高值（ΔZ/H）介于丁坝与单排桩的相对最大水位壅高值（ΔZ/H）之间。

4 各种码头工程对流速影响的综合分析

码头工程修建后，改变了工程附近的河道地形，使得附近水域的水位和比降发生了改变，流速分布也会发生相应变化。根据模型试验数据［5］，得到各种类型的码头结构对工程附近流速影响程度和范围，然后以此为依据，推断较有代表性的丁坝型、单排桩型、群桩型码头工程对工程河段的流速影响规律。

根据概化模型试验数据［5］，分析研究丁坝型、单排桩型和群桩型的码头结构，对工程河段的流速影响幅度和范围。统计数据表明：

（1）工程对附近河段的最大流速增值与影响范围，均随工程阻水能力和附近流速的增加而增长。工程结构的阻水能力越强，流速越大，造成的工程河段最大流速增值越大，影响范围越广。

（2）从流速变化的平面分布上看，工程前沿至对岸的上、下游流速会增加，工程侧的上、下游流速会减小。工程造成的最大流速增值，基本分布于工程前沿且向下游偏向河心的狭长带。

5 结论

本文采用概化水槽试验和理论分析相结合的研究方法，研究了37组次不同条件下的码头工程对山区河道水位的影响及24组次不同条件下的码头工程对山区河道水流的影响，探讨了各类码头工程的最大水位壅高值与工程上游壅水范围的影响因素和计算公式，并根据实测数据分析了各类码头工程附近的流速变化情况，得到如下主要结论：

（1）码头工程的相对最大水位壅高值（ΔZ/H）主要与其阻水面积率ε、弗汝德数Fr、码头工程结构型式有关，并根据试验数据得出了计算码头工程（丁坝、单排桩）的相对最大水位壅高值的关系式（2）。对群桩式码头工程，群桩的相对最大水位壅高值介于丁坝与单排桩的相对最大水位壅高值之间，在桩的排数大于2以后，排数对相对最大水位壅高值的影响很小。

（2）工程对附近河段的最大流速增值与影响范围，均随工程阻水能力和附近流速的增加而增长。

（3）从流速变化平面分布上看，工程前沿至对岸的上、下游流速会增加，工程侧的上、下游流速会减小。

［1］李义天，邓金运，甘福万.长江航道建设新的机遇和挑战及对策［J］.科技导报，2007，25（3）：39-44.

LI Y T，DENG J Y，GAN F W.Opportunity，Challenge and Our Strategy in Navigable Channel Constructions in the Yangtze River［J］.Science&Technology Review，2007，25（3）：39-44.

［2］吴友仁，王多垠，吴宋仁，等.长江上游港口码头结构型式及其发展趋势［J］.港工技术，2005，12（4）：22-24.

WU Y R，WANG D Y，WU S R，et al.On Structural Type of Wharfs in Upper Reaches of Yangtze River and Its Development Tendency［J］.Port Engineering Technology，2005，12（4）：22-24.

［3］杨胜发.内流河宽浅变迁河段水沙运动规律及模拟技术［D］.成都：四川大学，2003.

［4］吴持恭.水力学：2版［M］.北京：北京高等教育出版社，1998.

［5］徐芳.码头工程对山区河道水流影响试验研究［D］.重庆：重庆交通大学，2008.

Experimental study on impact of wharf structures on flow characteristics in mountain stream

XU Fang，YANG Sheng-fa，FU Xu-hui，LI Yi
（Department of River&Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）

The impact of various wharf structures on flow characteristics is an important consideration in flood control and project feasibility studies.In this paper，the impact of different wharf layout schemes on flow characteristics in mountain stream was studied，specifically 37 sets of schemes for water level，and 24 sets of schemes for flow velocity.The experimental results indicate that the relative maximum water level rise caused by wharf structures is mainly related to the blockage ratio，Froude number and the structural form of wharfs.An experimental expression for the relative maximum water level rise caused by wharf structures was also developed.Based on the experimental data，the velocity distribution around different wharf structures was analyzed.It is observed that the impact of wharf structures on maximum velocity rise and the impact extent increase as blockage and velocity increase.In terms of the plane distribution，flow velocity decreases at the wharf-side，but increases at the other side of river.

wharf structures；mountain stream；water level；flow velocity

U 656.1；TV 131.61

A

1005-8443（2010）05-0454-05

徐芳（1973-），女，湖北省公安县人，副教授，从事水力水文学、河流泥沙运动力学及航道整治的教学研究工作。