一维水动力模型在感潮河道施工导流中的应用

周　利　杨春燕　费海蓉

(盐城市水利勘测设计研究院， 江苏 盐城　224002)

一维水动力模型在感潮河道施工导流中的应用

周利杨春燕费海蓉

(盐城市水利勘测设计研究院， 江苏 盐城224002)

【摘要】根据感潮河网的水力特性，采用有限差分格式求解圣维南方程，建立了三洋港水动力数学模型，并利用2010年实测资料对模型进行验证。根据施工截流的要求，利用水动力模型对龙口进行模拟计算，从而确定中泓截流方案所需要的关键数据。据此制定截流方案，成功实现截流。本文对此加以介绍。

【关键词】水动力模型； 感潮河道； 施工导流； 三洋港枢纽

三洋港枢纽工程位于江苏省连云港市郊新沭河临海口，距新浦市区与海港均约25km，按新沭河50年一遇洪水标准设计，闸上设计泄洪水位3.88m，相应闸下水位3.70m，设计流量6400m3/s。三洋港枢纽为I等大(1)型工程，主要建筑物为1级，工程总投资55216万元。三洋港枢纽的主要建筑物包括： 挡潮闸、排水闸、上下游引河及管理区等。挡潮闸布置在泓道左侧滩地，挡潮闸闸室每孔净宽15m，共33孔，总净宽495m，闸底板顶高程-2.0m。

由于新沭河属于感潮河道，导流流量和流速均随潮位变化而变化，需应用明渠非恒定流原理来计算其水力特性。本文建立了该河道的一维水动力模型，计算施工导流所需要的关键数据，从而制定截流方案。

1截流模型

1.1基本原理

平原感潮河网地区，河道交错，湖荡密布，水情十分复杂，其水力计算需应用明渠非恒定流基本原理，通过河网概化，率定参数和边界条件进行数值计算。

非恒定的水流运动要素是随流程和时间不断变化的。对于明渠非恒定流的计算问题，可归结为以下形式的圣维南方程组的求解：

式中h——水位；

Q——断面流量；

q——单位长度上的侧向入流；

BT——河面总宽度；

u——断面平均流速；

C——Chezy系数；

R——水力半径；

Vx——侧向入流在X向的分量。

对上述偏微分方程，目前主要应用差分法、有限元法、瞬时流态等方法进行数值求解。该模型主要解决长历时缓变非恒定流问题，故用Preissmann隐式四点差分计算。隐式差分格式求解比较复杂，但稳定性好，计算时间步长可以设置较大，计算速度快。

1.2河网概化

模型范围上至太平庄闸，下至海口，新沭河计算长度约14km。河网模型如图1所示。

图1　河网模型

河网模型中所用断面均为实测断面。整个河网计算长度约21km,断面约210个，断面平均间距100m，湖泊、水塘等蓄洪区可在模型的河道断面中实现。计算中涉及的挡潮闸按照模型中的控制建筑物处理，设定底槛高程、闸孔规模等参数，当闸下水位低于闸上水位时开闸放水，当闸下水位高于闸上水位时关闭闸门，具有止逆功能。龙口简化为宽顶堰，计算时设定底高程、孔宽等参数即可自动计算过堰流量。

河网中河道的设计糙率为滩地0.035,主槽0.0225,芦苇0.10。

1.3模型验证

上边界： 封闭。

下边界： 2010年9月28日实测潮型过程线，如图2所示。

图2　实测潮位过程

验证时间： 2010年9月28日16∶19—9月29日15∶37。

验证模型时，只有现状河道，没有导流明渠。主要对施工便桥处的流量、流速进行验证，验证结果如图3、图4所示。

图3　流量验证对比

图4　流速验证对比

实测涨潮最大流量1210m3/s，计算涨潮最大流量1171m3/s，误差-3%；实测落潮最大流量821m3/s，计算落潮最大流量815m3/s，误差-0.1%；实测涨潮最大流速1.20m/s，计算涨潮最大流速1.16m/s，误差-3%；实测落潮最大流速1.04m/s，计算落潮最大流速0.94m/s，误差-10%。根据《航道整治工程技术规范》(JTJ 312—98)对模型验证精度的要求，流量误差不超过±5%，流速误差不超过±(10%～20%)。该模型验证基本符合要求，建立的计算模型符合流域洪水演进的特性，所选用的计算断面具有代表性，该模型可用于此次各方案的洪水演进计算。

1.4计算工况

针对该工程计算实际情况，规划截流方案与两个因素有关： 一是三洋港新闸闸门启闭情况，二是龙口进占时龙口底高程。

1.4.1三洋港新闸闸门开关

针对三洋港闸门启闭的问题，设计了三种不同的方案。

方案一： 三洋港新闸闸门全开。

方案二： 闸门全关。

方案三： 涨潮时关闭闸门，落潮时开启闸门。

上边界： 封闭。

下边界： 2010年9月28日实测潮型过程线。

龙口简化： 宽顶堰，底高程-4.0m，边坡1∶2，顶高程3.0m。

导流明渠： 底宽300m，闸上底高程-2.0m，闸下底高程-1.0m，边坡1∶8。

三种工况下不同龙口宽度的涨落潮最大流速对比如图5、图6所示。

图5　不同龙口宽度涨潮最大流速对比

图6　不同龙口宽度落潮最大流速对比

通过上述对比可以发现，涨潮时关闭闸门并不能挡住潮水，反而使龙口流速大大增加，落潮时打开闸门可使龙口流速大大降低。因此推荐采用方案一，即打开所有闸门，并且尽量挖宽导流明渠断面，这样将大大降低龙口最大流速。

采用方案一时，龙口可能出现的最大平均涨潮流速为5.04m/s，最大平均落潮流速4.62m/s，此时龙口宽度为48m。根据经验，堤头最大流速为断面平均流速的1.3倍，即可能达到6.6m/s。

根据计算，龙口宽度在50～30m阶段是最危险的阶段，最大流速均在4.0m/s以上。根据估算，50～30m宽度龙口土方量约为4300m3，根据实测资料，三洋港涨潮快、落潮慢，计划高潮位时开始封堵龙口，一个涨落潮周期(约13h)内完成龙口封堵，抛填强度约为330m3/h，双侧同时抛填，每侧抛填强度为165m3/h。

1.4.2龙口进占时龙口底高程

通过以上分析，确定三洋港新闸闸门一直敞开对合龙有利。为了对比不同龙口底高程的影响，再增加一种计算方案。方案四： 龙口底高程为-2.0m，其他条件与方案一相同。计算结果如表1所示。

表1　不同龙口底高程比选

可以发现，提高龙口进占的底高程可以降低合龙时的最大流速，但是大大增加了合龙以前的过堰流速。综合考虑，龙口位置底高程以-2.0m为宜。

2最佳合龙时机

最佳合龙时机取决于两个条件，一是上游洪水，二是潮位。选择在非汛期合龙一般可以避开上游洪水，潮位可以借助数学模型进行选择。根据工期安排，施工合龙阶段初步安排在2012年3—5月。根据连云港潮位站3—5月最高最低潮位预报，模型对三个月的截流过程进行计算，筛选出最大龙口流速最小的时间段作为截流时间。根据计算，最适宜的截流时间是5月15—18日，尽量在5月18日之前合龙，5月21—25日是最不适合合龙的时间。5月15—18日合龙过程中龙口可能最大流速如表2所示。

表2　合龙过程中龙口可能最大平均流速

3截流

根据以上计算，拟定出初步的截流方案与物资准备。通过计算，可得出各种流速下对应的块石直径、重量，当流速在1～3m/s时，应选用粒径0.04～0.35m、重量为0.1～59.5kg的石渣；当流速在3～4m/s时，应选用粒径0.35～0.62m、重量59.5～330.5kg的中石；当流速在4～6m/s时，应选用粒径0.62～1.4m、重量330.5～3384kg的大块石。通过计算，左右两岸同时进占，每侧的抛填强度约为165m3/h。各阶段石方用量为：第一阶段：需用块石59800m3，其中陆上24800m3，水上方量35000m3；第二阶段：需用块石约12900m3，其中陆上约7000m3，水上约5900m3；第三阶段：需用块石4300m3。合龙过程中，三洋港闸门全开。

2012年4月初开始截流，4月底前截流坝填至-4.0m，5月10日完成-2.0m以下块石填筑。2012年5月15日，经过12h连续施工，新沭河治理三洋港枢纽工程中泓石坝成功合龙，标志着三洋港枢纽关键性节点实现重大突破。

4结语

三洋港枢纽工程中泓截流是三洋港枢纽关键性节点之一，一直备受各方关注。本文通过建立一维水动力模型，利用模型计算出截流的关键数据： ⓐ三洋港新闸需要一直打开；ⓑ合龙前中泓石坝的最佳底高程为-2.0m；ⓒ最佳合龙时间为2012年5月15日；ⓓ需计算出各阶段所需的不同粒径的石料。据此安排截流计划，一举获得成功。由于一维水动力模型具有强大的河网适应能力，能较好地模拟感潮河道的水位流量特征，准确反映挡潮闸的止逆特性，因此适合在感潮河道水力计算中使用。

参考文献

[1]王强,冯小忠.新沭河三洋港枢纽工程中泓施工截流[J].中国水利,2012(22):46-46.

[2]杨中,孙勇,成银.三洋港挡潮闸枢纽工程的设计难点及特点[J].水利规划与设计,2010(2):72-74.

[3]中水淮河规划设计有项责任公司.三洋港挡潮闸枢纽工程初步设计报告[R].2008.

[4]李峰,吕赛军.盐城市滨海闸闸孔设计[J].中国水运,2010(9):153-155.

[5]吴昊,周志华,李继明.基于MIKE 11水利模型的水质水量联合管理信息系统开发[J].现代水务,2013(1):15-18.

[6]贲鹏,倪晋.北汝河一维洪水演进水动力数学模型[J].治淮,2013(11):12-13.

中图分类号：TV551

文献标志码：A

文章编号：1005-4774(2015)04-0029-04

Application of one-dimensional hydrodynamic model in tidal
river construction diversion

ZHOU Li, YANG Chunyan, FEI Hairong

(YanchengWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Yancheng224002,China)

Abstract：Finite difference scheme is adopted for solving Saint-Venant equation according to hydraulic characteristics of tidal river network. Sanyang Port hydrodynamic mathematical model is established. Measured data in 2010 is utilized for validating the model. Hydrodynamic model is utilized to simulate and calculate closure gap according to construction closure requirements, thereby determining key data required by midstream closure plan. Closure plan is developed accordingly, thereby successfully realizing closure. The condition is introduced in the paper.

Key words：hydrodynamic model; tidal river; construction diversion; Sanyang Port Hub