南京港七坝长城码头港池开挖泥沙数学模型研究

2017-07-24郭德俊王炎良

水利水电快报 2017年6期

关键词：港池口门水沙

郭德俊王悦王炎良

(长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210000)

南京港七坝长城码头港池开挖泥沙数学模型研究

郭德俊王悦王炎良

(长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210000)

长江南京河段岸线利用接近饱和，挖入式港池成为增加岸线的有效方法。通过平面二维水流泥沙数学模型，计算了工程兴建后，挖入式港池在不同水文条件下的泥沙回淤强度和淤积量。结果表明，经过不同典型年水沙条件的淤积后，部分船型无法正常通过港池。因此为保证港池的长期正常使用，港池内出现较大量淤积时，须采用工程疏浚措施。

挖入式港池；泥沙；数学模型；南京港

1 工程概况

随着南京市经济的高速发展，基础设施建设速度加快，长江南京河段岸线利用接近饱和。为高效利用岸线，可以适当采用挖入式港池布置形式。但是由于挖入式港池普遍存在泥沙回淤问题，往往需要通过疏浚来维持港池水深，因此有必要估算港池回淤强度，为今后运营提供依据。目前，国内外估算港池回淤常采用经验公式法、物理模型法及数学模型法。

拟建的南京港七坝长城码头工程货种为钢铁件杂货、普通件杂货以及钢结构重件等，主要为南京提供原材料输入、产成品输出的服务。码头工程重件泊位就采用挖入式港池方案。港池长度、宽度分别为134.0 m、45.0 m，重件泊位上、下游侧高桩梁板平台与长江大堤平交，顶高程为11.10 m，设计低水位为 0.12 m，港池底开挖至-6.0 m，按1∶1.5放坡。工程总平面布置见图1。

图1 工程布置

2 水流泥沙数学模型

2.1 模型基本方程

水流方程采用基于圣维南方程基本假设的浅水方程组

泥沙输运采用如下对流扩散方程的守恒形式：

式中，Kx、Ky分别为x和y向扩散系数；a为恢复饱和系数，Sk表示第k粒径组含沙量；S*k表示第k粒径组的挟沙力；ωk表示为第k粒径组沉速，其计算公式为

式中，ν为清水运动粘度；γs和γ分别为泥沙和水的重率；D为泥沙粒径。

河床变形方程形式

式中，γ0为泥沙干容重，取值1 670kg/m3；η=∑ηk为总的河床冲淤厚度，ηk为第k粒径组泥沙引起的河床冲淤厚度。

2.2 数值计算方法及边界条件

水流方程和泥沙输运方程采用有限体积法离散，河床变形方程采用显式离散求解。

数学模型验证时，上下游开边界均采用水位控制。闭边界取法向流速Vn=0，n为边界的外法线方向。初始条件为水位取上下游水位平均值，初始流速取为零，模型计算一定时间后，消除初始误差。泥沙模型上游边界为入流边界给定含沙量过程线，过程线根据实测资料插值确定；下游边界为出流边界。初始条件给定含沙量值。

2.3 模型验证成果

模型率定采用2013年7月实测资料，验证采用2011年2月实测资料，限于篇幅仅附上验证对比图。图2为水位验证图，图3为断面流速验证图，图4为断面含沙量验证图。

图2 水位验证

图3 断面流速验证

图4 断面含沙量验证

由图2～4可以看出，验证计算所得水位、流速分布、含沙量分布情况与实测成果较吻合。

模型采用2011年6月和2013年6月实测地形验证模型地形冲淤情况，水流上游边界采用2011年6月至2013年6月大通站的流量和含沙量过程控制，下游边界采用同时期的南京水文站的水位过程。边界过程线采用大通至江阴一维数学模型。图5为模型计算地形冲淤变化图。从地形冲淤对比图可以看出，经过两个水文年的来水来沙过程，地形冲淤形态和冲淤量级基本与实测一致。由此表明，采用的数学模型及计算方法正确，模型中相关参数的取值合理，可以用来计算分析工程前后水位、流速、流场和地形冲淤变化。

图5 实测和计算地形变化

3 泥沙回淤计算分析

3.1 计算方案

泥沙模型主要研究重件码头开挖之后港池回淤对码头运行的影响，20世纪90年代末以后，三峡枢纽工程建成并投运，长江下游来水来沙条件发生了较大变化。近年来，来水来沙条件更具有代表性，2000年后，长江下游来水量中等偏小，来沙量明显较小并呈递减趋势。模型分别采用1998年(大水中沙)、2012年(大水小沙)和2013年(小水小沙)为典型水文年，计算挖入式港池泥沙回淤特征，表1为典型水文年的水沙特征。

表1 典型水文年水沙特征

3.2 计算结果

图6为不同水沙条件计算的港池内泥沙回淤厚度分布图。图7为港池及口门淤积厚度纵剖面图。表2为港池及口门开挖区泥沙淤积特征值。

图6 不同水沙条件下港池内泥沙回淤分布(单位：m)

图7 不同水沙条件下港池淤积厚度纵剖面

年份年淤积总量/万m3最大淤积厚度/m平均淤积厚度/m19981.223.301.0020120.701.800.5720130.551.550.45

从泥沙淤积形态图和淤积特征值可见，在拟建港池开挖区出现泥沙淤积现象，不同区域、不同年份的水沙过程条件泥沙淤积程度均不同。从泥沙淤积形态来看，泥沙淤积厚度最大位置都发生在口门附近回流中心位置。对比不同水沙年份的泥沙淤积特征来看，1998年为大水中沙年泥沙淤积较大，年淤积总量为 1.22万m3，最大淤积部位位于口门内侧45m附近，最大淤积厚度达 3.30m，平均淤积厚度为 1.00m。2012年为大水小沙年，泥沙淤积稍小，年淤积总量为 0.70万m3，最大淤积部位位于口门内侧53m附近，最大淤积厚度达1.80m，平均淤积厚度为0.57m。2013年为小水小沙年，淤积较小，年淤积总量为 0.55万m3，最大淤积部位位于口门内侧50 m附近，最大淤积厚度达1.55 m，平均淤积厚度为 0.45 m。

可以看出，经过1998年水沙条件的淤积后，港池口门处高程约为-2.70 m，根据设计低水位0.12 m计算，水深不足，影响了港池的正常运行。在2012和2013年计算条件下，港池口门高程约-4.45～-4.20 m，设计低水位时水深为4.32～4.57 m，部分船型无法正常通过。