王家滩航道整治方案数学模型研究

周倩倩，杨胜发，邓 懿

(重庆交通大学 a.国家内河航道整治工程技术研究中心；b.水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

王家滩航道整治方案数学模型研究

周倩倩a,b，杨胜发a,b，邓 懿a,b

(重庆交通大学 a.国家内河航道整治工程技术研究中心；b.水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

为对王家滩河段进行航道整治，针对其河势及滩情，提出2种炸礁方案：炸礁方式为从炸礁基线起向河心侧的礁石炸低至设计底高程，采用1∶1边坡，与原炸礁方案一致，总计炸礁量约为14.04万m3；2级平台采用1∶0.5的边坡自然衔接，从炸礁基线起向河心侧的礁石炸低至设计底高程，近岸炸礁边坡也为1∶0.5，总计炸礁量约为16.81万m3。借助二维数学模型对2种方案进行验证比较。通过分析得出：炸礁方案采用2级阶梯，航道边界30 m以内的部分按照4.2 m水深炸除，其余部分按照3.7 m炸除，可以消除浅水平台不良流态影响。方案实施后，2级平台水深增加了0.5 m，且可供船舶行驶的平台范围增大，3 000 t级船舶可在2级平台上行驶。该方案将目前船舶航行路线右移拉直，拓宽了航槽，大幅改善了船舶航行条件。

王家滩；航道整治；炸礁；数学模型；3 000 t级船舶

1 滩险概况

王家滩位于长江上游航道里程587 km附近，河段上游航道顺直宽敞，航行条件较好。下游为一浅滩河段。忠水碛纵卧河心，分漕为二，南漕为王家滩，是川江著名的浅窄、弯曲、流急航道。左侧有白鹭嘴、田家滩、骑马桥石梁挑流；右侧有灶门子、肖家石盘等石梁夹击水流。肖家石盘、饿狗堆、鳗鱼石位于忠水碛头部的右岸，为3个近邻的礁石堆，横卧于江边，伸出岸边长度达280 m，使该处航道弯曲半径仅820 m。磨盘石至碓石子沿岸礁石与左边忠水碛相对，航道狭窄。王家滩河段河势及滩情如图1所示。

图1 王家滩滩情及河势Fig.1 River regime of Wangjiatan

该河段上游主流偏向南岸，经灶门子石梁挑流偏向北岸，受北岸骑马桥等礁石阻碍挑向肖家石盘，受其顶冲夹击产生挑流、强烈泡漩、剪刀水。鳗鱼石、磨盘石等石梁淹没不能过船时滑梁，有回流水，同时产生较强的滑梁水等不良流态，妨碍上下行船舶顺利进出南北槽航行[1]。为改善本河段的通航条件，在2006年的“涪铜段”炸礁工程中对肖家石盘、鳗鱼石和出口段的磨盘石等礁石突嘴进行了炸除。

有关模型试验研究揭示，三峡水库175 m蓄水后，忠水碛北槽将发生淤积，主要依靠南槽通航，忠水碛因累积性淤积而向右伸展挤占南槽航宽，迫使南槽右移，导致进口段肖家石盘、鳗鱼石和出口段的磨盘石、碓石子等礁石突嘴进入南槽航道中，不能达到要求的航道宽度，碍航状况严重[2]。

2 目前存在的问题

2.1 设计水位变化引起航道尺度不足

肖家石盘、鳗鱼石和出口段的磨盘石等礁石突嘴在2006年“涪铜段”炸礁工程中进行了炸除，175 m蓄水以来，王家滩进口处的肖家石盘、鳗鱼石以及出口处的磨盘石等礁石，伸入江中致使设计水深不能满足规划航道要求[3]，按照3.5 m×150 m航道尺度标准，3.5 m水深有效航宽在鳗鱼石位置仅有50 m左右，因而需要进行继续炸深。

2.2 忠水碛碛翅泥沙淤积引起的航道尺度不足

从最新的测图来看，忠水碛碛翅泥沙有向航槽内淤积的趋势，目前，在设计最低通航水位下，航道内距离航道左边界有最大宽度约48 m的范围不能满足3.5 m水深。

2.3 枯水流态

王家滩河段属于枯水滩群，由于该河段两岸石盘、石梁突出，河底礁石高低不平，尤其是肖家石盘进口至鳗鱼石，航槽内存在大范围的与航线夹角较大的斜流，加上沿程水深变化较大，无法沿鳗鱼石右岸航行，导致航路弯曲，航槽狭窄，影响了原方案效果。

3 炸礁方案布置

3.1 方案1

2006年涪铜段炸礁曾对该处部分礁石进行了炸除，由于目前水深不能满足要求，本次对江中的磨盘石、肖家石盘和碓子石3处礁石按照原炸礁基线位置，继续加深炸至设计要求的水深并减弱挑流强度，扩宽航槽，满足船舶安全航行的需要。

该河段设计最低通航水位为150.19 m，设计炸礁水深取3.7 m，炸礁底部高程为146.49 m。总计炸礁量约为14.04万m3。

炸礁方式为从炸礁基线起向河心侧的礁石炸低至设计底高程，采用1∶1边坡，与原炸礁方案一致。

表1 二维水位验证成果Table 1 Result of two-dimensional water level verification m

3.2 方案2

考虑到进口肖家石盘、鳗鱼石及磨盘石出口处深入江中70 m有余，占据航槽近一半，若实施方案1，将炸成较宽平台。由于3.7 m水深仍然属于浅水区域，且这种范围较大的平台上水流流速突然增大，无法保证船舶安全行驶，失去了炸礁的意义。因此，考虑选择2级平台的炸礁方式。

进口肖家石盘及出口磨盘石分别以基线处向河心方向35 m内范围作为1级平台，炸礁深度取设计水深3.7 m；基线处向河心内35 m以外部分为2级平台，炸礁深度在3.7 m水深的基础上，多考虑0.5 m的富裕水深，即为4.2 m。

进口肖家石盘处设计最低通航水位为150.62 m，1级平台炸礁底高程为146.92 m，2级平台炸礁底高程为146.42 m；出口磨盘石的设计最低通航水位为150.19 m，1级平台炸礁底高程为146.49 m，2级平台炸礁底高程为145.99 m。

2级平台采用1∶0.5的边坡自然衔接，从炸礁基线起向河心侧的礁石炸低至设计底高程，近岸炸礁边坡也为1∶0.5。总计炸礁量约为16.81万m3。

4 炸礁方案论证

采用平面二维数学模型(简称“数模”)对王家滩2个炸礁方案进行了论证研究。

4.1 二维数模建立

王家滩河段二维数学模型模拟范围上起灶门子，下至码头碛，航道里程583～590 km，长约7 km。在该河段内共计布置53 605个网格节点，网格间距约为50～20 m。其中对王家滩测量有1∶500局部地形的区域进行网格加密，网格间距约为5 m。王家滩河段二维数模网格平面布置[4]如图2所示。

图2 王家滩二维数模网格Fig.2 Two-dimensional mathematical model grids of Wangjiatan

4.2 二维数模的验证

本模型对该河段的水位和流速分布进行了验证。建模河道地形取自2012年5月实测的工程河段河床地形图，以河道地形测量时实测水面线、流速、流向资料为模型验证资料(该河段入流流量Q=5 520 m3/s)。

4.2.1 水位验证

表1比较Q=5 520 m3/s时沿程水位的实测值和计算值，二者符合程度较高，二者最大差值仅0.051 m，吻合较好。

4.2.2 流速验证

应用水流数学模型，对Q=5 520 m3/s进行断面流速验证，流速验证断面布置见图3。

图3 王家滩流速验证断面布置

Fig.3 Cross section layout for flow velocity verification

二维数模计算的流速大小和分布均与实测资料较为一致(图4)，各测点流速的计算值与实测值之间的差值多在±0.1 m/s内，最大误差不超过±0.20 m/s，偏差均在±10%以内。

图4 王家滩二维数模流速验证成果

Fig.4 Flow velocity verification by two-dimensional mathematical model

表3 炸礁方案实施后不同流量下肖家石盘航槽水位变化Table 3 Variation of water level with flow rate in the navigation channel of Xiaojiashipan afterthe implementation of rock blasting scheme m

4.2.3 模型验证小结

采用有限元法二维水流数学模型可克服模拟复杂河道边界形状的困难。通过工程址区河段水位及流速验证，计算结果与天然实测资料较为一致。说明二维水流数学模型的建立和数值计算方法合理，能正确模拟实际河道的水流运动，可进行下一步的方案论证计算[5]。

4.3 数模计算条件

为研究2个炸礁方案实施后该河段的航道条件变化情况，选取不同水位期的4级流量进行计算分析，坝前水位及流量组合见表2。

在工程方面的组合考虑3种情况：方案前、方案1、方案2。

表2 王家滩炸礁方案二计算水流条件控制Table 2 Water level and flow condition forthe computation of rock blasting scheme 2 for Wangjiatan

二维数模计算考虑了4级流量及3种工况，共进行12个组次的计算。

4.4 数模计算结果分析

图5和表3、表4统计了2个炸礁方案实施后航槽内水流变化值和断面平均流速变化值。位置均为二级平台外侧15 m处。

图5 炸礁方案实施后肖家石盘航槽内水位、水流变化

Fig.5 Variation of water level and flow velocity in the navigation channel of Xiaojiashipan after the implementation of rock blasting scheme

图5分析可见，由于2006年炸礁方案实施后王家滩的肖家石盘已经形成了大面积的浅水平台，在最低通航水位时，平台上水流流速相对较大，且水面存在波浪状起伏，流态较坏，因而在低水位时船舶并不能通过该平台。

2个炸礁方案实施后，均对平台上的流态有所改善，从2级平台基线15 m位置沿程水位及流速变化来看，尽管水位有所降低，但水面的波浪基本消除，局部比降减小，沿程流速分布更加均匀。且方案2采用了分级炸礁，形成了滩槽的形状，其流态改善幅度更大。同时，从流场分布图6可见，炸礁方案实施后航槽内的水流流向有明显改善，回流消失，水流与航槽夹角更小。

表4 炸礁方案实施后不同流量下肖家石盘航槽流速变化Table 4 Variation of flow velocity with flow rate in the navigation channel of Xiaojiashipan afterthe implementation of rock blasting scheme m/s

而随着流量增大、水位升高、航槽水深增加，航道条件逐渐改善，炸礁方案对高水位时所起作用不大。

在最低通航水位时，方案1、方案2均造成滩面上水位有所跌落，其中平均水位的最大跌落值分别为0.017，0.014 m，但总体来看，均满足最低通航水位下航道尺度要求。

图6 炸礁方案实施前后磨盘石航槽内流场分布对比Fig.6 Flow field distribution in the navigation channel of Mopanshi before and after the implementation of rock blasting scheme

5 结 论

王家滩河段在低水位期航道条件复杂，鳗鱼石、肖家石盘为大块的浅水平台，均给行船带来巨大危害。数模计算结果分析表明，2个炸礁方案实施后，对王家滩河段规划航槽内的通航条件均有所改善，规划航槽尺度足以得到保证。但考虑到方案1实施后，礁石上水深不足3.7 m，无法保证3 000 t级船舶的安全行驶，因而有效航宽并未增加，失去了炸礁意义；而方案2采用2级阶梯，航道边界30 m以内的部分按照4.2 m水深炸除，其余部分按照3.7 m炸除，可消除浅水平台不良流态影响。该方案将目前船舶航行路线右移拉直，拓宽了航槽，同时方案2的炸礁工程量较方案1增加不多，故选方案2为推荐方案。

[1] 戴会超，王玲玲，蒋定国.三峡水库蓄水前后长江上游近期水沙变化趋势[J].水利学报，2007,(增1)：226-231. (DAI Hui-chao, WANG Ling-ling, JIANG Ding-guo. Near-term Water Flow and Silt Concentration Variation Trend of Yangtze River Before and After Impounding of Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007,(Sup.1)：226-231. (in Chinese))

[2] 张莉莉，陈 进.长江上游水沙变化分析[J].长江科学院院报，2007，24(6)：34-37. (ZHANG Li-li, CHEN Jin. Analysis on Change of Water Flow and Sediment in Upstream of Yangtze River [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2007, 24(6): 34-37. (in Chinese))

[3] JTJ/T232—1998，内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程[S].北京：人民交通出版社，1999. (JTJ/T232—1998, Specifications on the Simulation of Flow and Sediment in Navigation Channel and Harbor[S]. Beijing: China Communications Press, 1999. (in Chinese))

[4] 赵志舟，周华君，杨胜发.长江上游铜鼓滩航道整治数值模型研究[J].重庆交通大学学报: 自然科学版，2008,(2):290-292. (ZHAO Zhi-zhou, ZHOU Hua-jun, YANG Sheng-fa. Two-dimensional Mathematical Model of Regulation of Tonggutan Reach in the Yangtze River[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science), 2008,(2):290-292.(in Chinese))

[5] 李 健.河道采砂影响的数值模拟研究[D].武汉：长江科学院，2008.(LI Jian. Numerical Simulation on River Sand Extraction Effect[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2008. (in Chinese))

(编辑：姜小兰)

Study on Waterway Regulation for Wangjiatan by Mathematical Model

ZHOU Qian-qian1,2, YANG Sheng-fa1,2, DENG Yi1,2

(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China; 2.Key Laboratory of Hydraulic & Waterway Engineering of the Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China)

Two reef-blasting schemes are proposed according to Wangjiatan river regime and beach conditions. By using a two-dimensional mathematical model, the two schemes are compared and analyzed.Two-step platform should be adopted in the reef-blasting project. The reef part within 30m of the channel boundary should be blasted until the water depth reaches 4.2m, and the rest blasted to 3.7m so that the undesirable flow patterns affected by shallow water platform could be eliminated. After the implementation of the project, the water depth of the second flat increased by 0.5m, the platform for navigation is widened, and the second platform is accessible for 3 000-ton ship. The ship sailing route moves towards the right and straightens, and the navigation channel is widened, which greatly improves the navigation condition.

Wangjiatan; waterway regulation; reef-blasting; mathematical model; 3 000t ship

2013-10-10；

2013-11-01

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAB05B03);2014年重庆交通大学重庆市研究生科研创新项目(CYS14160)

周倩倩(1989-),女,安徽宿州人，硕士研究生, 研究方向为河床演变及航道整治技术，(电话)18883861416(电子邮箱)524893900@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.001

U617

A

1001-5485(2015)02-0001-04

2015,32(02):1-4，10