顺岸式码头扩建工程对河道水流影响的数值模拟

莫磊　李佳芮　王扬

摘要：基于一、二维水流数值模型模拟珠江三角洲流域某顺岸式码头扩建工程后工程附近河道的壅水高度和流速变化，分析了扩建工程对工程附近局部流场和河道水流的影响，为顺岸式码头扩建工程的规划和设计提供参考依据。

关键词：码头扩建工程；一、二维数值模型；壅水高度；流速变化

中图分类号：U657 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）04-0036-02

近年来随着码头规模化作业的发展，码头岸线得到充分的利用，长顺岸布置的桩基码头得到广泛应用，珠三角下游以及河口顺岸式桩基大多为开敞式码头，缺少防波堤或天然屏障的防护，直接受风、浪、流的影响，码头所在河道的水动力条件复杂。而在码头扩建工程后，又会影响原码头附近的水流以及河道流场。因此，在码头扩建方案的规划和设计中，研究码头扩建工程对河道水流的影响，确保河道行洪安全具有重大意义。孙东坡等应用平面二维水沙数学模型对码头扩建引起河道形势变化进行的模拟分析。黄东等应用大范围一维网河数学模型和局部工程河段二维潮流数学模型对网河流域修建码头工程对河道行洪纳潮影响进行了数值模拟分析。李彬等应用mike21软件对码头群连体扩建前、后的河道水流流态进行了数值分析。本文基于一、二维水流数值模型模拟珠江三角洲流域某顺岸式码头扩建工程后工程附近河道的壅水高度和流速变化，分析了扩建工程对工程附近局部流场和河道水流的影响。

1.概况

1.1河道概况

码头扩建工程位于倒运海水道河口附近，距狮子洋莲花山东航道约1.3km。倒运海水道属于东江河网的4条主要出海通道之一，北起东江斗朗，流经中堂、望牛墩、洪梅、麻涌、沙田等镇，至麻涌镇角尾村汇入狮子洋，河道全长19km。工程位于河道左岸，下游与三江码头相接，距河口约1.3km。工程所在河宽约380m，河道断面平均水深约为8.3m。

1.2工程设计方案

码头扩建工程按高桩式码头设计，在下游已有的三江码头东北端顺延建设，采用顺岸连片式布置，码头前沿线与三江码头基本平齐，前沿伸出岸线约58m。扩建码头平台长245m，宽18m，码头面高程4.54m。码头平台与用一座钢筋砼引桥连接，引桥长40m，宽9m，引桥轴线与码头平台轴线垂直。利用后方岸线长度约246m。

码头前沿停泊水域宽度取2倍20000DWT化学品船船宽，为36m，其疏浚水深按20000DWT化学品船使用要求设计，设计底标高为-11.60m。回旋水域布置在码头的正前方，平面尺度为171m×285m，其设计底高程与航道设计底高程一致，为一10.66m。

工程所在河道及总平面布置见图1。

2.模型构建及验证

2.1一维模型研究范围

从计算水动力的观点来看，整个西、北、东江下游及其三角洲构成一个较完整的水动力系统，西、北江下游三角洲通过狮子洋与东江三角洲相连。模型将整个珠江三角洲范围纳入计算范围。一维网河水动力数学模型的研究范围为：上边界位于马口、三水、老鸦岗、麒麟咀、博罗、石嘴水文站，下边界至虎门、蕉门、洪奇沥门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门及崖门。

2.2二维模型计算范围

二维数学模型的研究范围在一维模型中选取，上边界取自前航道前57断面，倒运海水道倒-16断面，洪屋-9断面，沙湾36断面，南支-72断面，下边界取至狮子洋狮-24断面。

计算网格采用三角形非结构网格，网格大小疏密沿河道河势宽窄变化不等，同时对工程附近的网格进行局部加密，共布设网格8516个，网格步长5m-400m不等。平面二维模型计算范围及网格布置见图2。

2.3模型验证

选取“2001.2”枯水组合的资料对模型进行潮位和流量验证，工程附近彰澎水位站点潮位验证结果见图3，流量验证结果见及图4。由验证结果可知，模型计算代表潮位值与实测值之间的误差均小于0.1m，洪峰流量误差小于20%，计算潮位、流量过程线与实测过程线吻合良好，相位基本一致。珠江网河区糙率分布大致介于0.015-0.036之间，三角洲上游河段糙率较大，口门段较小。模型验证误差符合水利工程计算规范要求，糙率分布合理。

3.计算结果分析

3.1壅水计算

根据数值计算结果，可求得设计水文组合条件下（P=0.5%、1%、2%和5%），码头工程兴建前、后，工程所在河段各断面的现状洪水位及其变化值（工程后一工程前），见表1、表2。

码头工程扩建后，上游附近河段的水位略有上升；码头所在断面则因为受过流面积减小、局部阻力增大的共同影响，表现为水位有所降低、流速有所增大；对于工程下游河段，受上游来流量减小的影响，其洪水位略有降低。且在以洪为主的条件下，工程附近的水位变化较以潮为主明显。P=0.5%时，工程上游水位壅高最大约0.004m，随着断面与码头距离的增加，水位壅高值逐渐减小；码头所在断面水位最大降幅约0.001m。

3.2流场分析

以200年一遇洪水为例，码头扩建工程建前、后流场和流速变化等值线图见图5～图6。

从工程方案实施后前后流场对比图可以看出流态改变的显著区域集中在码头周围，表现为码头上游端出现明显的绕流流态，水流向码头左右两侧偏转，码头附近无明显回流区域。码头附近的流态变化随涨落潮呈现不同的规律，涨潮阶段，码头两侧及上游端部流向均沿水流方向向左偏转，落潮阶段，码头上游端流向沿水流方向向右偏转，码头两侧流向均沿水流方向向左偏转。

根据流速等值线变化情况，流速减小的范围主要在码头上游和码头前沿的停泊水域流速增大的范围主要在码头下游段至三江码头与堤防之间的近岸水域，此外，码头工程断面主槽区至对面河岸的水域范围流速略微增大。

4.结语

本文基于一、二维水流数值模型模拟珠江三角洲流域某顺岸式码头扩建工程后工程附近河道的壅水高度和流速变化，壅水计算结果表明，码头扩建工程对上游洪水位最大抬高值在0.004m以内，码头对河道水面线壅高影响不大。流速计算结果表明，码头上游端出现明显的绕流流态，水流向码头左右两侧偏转，码头附近无明显回流区域。码头上游和码头前沿的停泊水域流速减小，流速变化的范围在0.4m/s以下；码头下游段至三江码头与堤防之间的近岸水域流速增大，流速变化的范围在0.2m/s以下。