顺岸挖入式码头前沿航道水流特性研究

邵雨辰，王 健，池丽敏，程 博，曹 洋

（1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京　210098；2. 宜兴市新街街道水利农机站，江苏 无锡　214200）

顺岸挖入式港池是江苏内河港口建设中较为常用的一种港口平面布置形式，相比挖入式港池，此种布置形式在工程量和码头造价方面较为节省；相比顺岸布置的码头，其布置形式能够一定程度上减小港池前沿船舶回旋对过往船舶的影响。因此，此种布置形式在江苏内河港口建设中得到了很大的推广。

然而顺岸挖入式港池的布置形式改变了原来河道的平面尺寸和断面尺寸，对港池附近的河道水流产生一定程度的影响，进而对航道通航安全以及河道行洪能力产生一定的影响[1-2]。本文结合泰州港某LNG加气站码头的工程建设实例，应用数学模拟技术分析挖入式码头建设对航道水流特性的影响[3-5]。

1　工程概况

拟建的泰州内河港LNG加气站工程位于泰州城北物流园区，新通扬运河北岸，新通扬运河与引江河的丁字交叉口东侧约1.4 km处，原5#挖入式港池口门东侧。

拟建工程码头前沿线位于现状航道驳岸处，基本平行于航道中心线，距离航道中心线约110 m。码头前沿停泊水域宽度22 m，回旋水域直径87 m。船舶回旋不占用通航水域。拟建工程共建设2个1000 t级泊位，泊位长度161 m。泊位上游采用折线翼墙与现有航道护岸连接。为了保证作业和航行安全，尽量减少相互影响，泊位与西侧5#港池预留50 m安全距离。

2　航道概况

泰州市航道网规划形成“三纵三横”的“井”字形内河航道为主体骨架，贯穿泰州市各市县。以新通扬运河三级航道为界，南片航道由引江河三级航道、姜十线四级航道、如泰运河五级航道组成；北片航道由盐邵线、泰东线三级航道、兴东线四级航道、兴姜线五级航道组成。规划航道总里程792.93 km，其中三级航道182.48 km，四级航道115.22 km，五级航道195.35 km，六级航道299.88 km。

“三纵三横”骨架干线航道规划总里程为401.21 km，“三纵”为盐邵线、泰东线和兴姜—姜十线；“三横”为兴东线、通扬线和如泰运河。骨架联络线主要由五、六级航道组成。规划的骨架联络线有建口线（下官河）、大泰线（雌雄港、幸福河）、南官河、泰州市东部干线（先锋河、西干河、两泰官河、羌溪河）、十圩港、西白线、高东线、古马干河、靖泰界河、泰州市中部干线和周山河等。

拟建作业区码头工程地处新通扬运河北侧，所在航道新通扬运河现状等级为Ⅲ级，规划为省干线航道，规划等级为Ⅲ级，码头工程主要为新通扬运河中航行船舶提供加气服务，符合《泰州市内河航道网规划》中航道等级的要求。

3　数学模型的建立和验证

3.1　平面二维数学模型控制方程

水流连续方程：

水流运动方程：

3.2　方程定解条件

为了使平面二维水流运动的基本方程在计算域Ω内有适定解，必须满足定解条件，即在计算域上给出初始条件和边界条件。

初始条件由计算时刻实测资料直接给出，即当n=0时，给定Z0i、V0

i、U0

i，计算所需的初始条件在实际计算中一般难以全部获得，只能通过估算给出，当然估算的越接近实际越好。模型边界条件，计算过程中，上游采用固定流量，下边界水位由水面线推算得到。

3.3　模型计算区域及网格

模型下边界位于本工程码头下游约900 m，模型上边界位于本工程码头上游约400 m。

将实测地形数据导入网格模型，并离散到每一个网格节点上，分别得到未建码头的地形以及码头建成后的地形，见图1、图2。

图1　码头建成前模拟地形

图2　码头建成后模拟地形

3.4　模型参数设置及验证

3.4.1模型参数设置

模型采用的时间步长△t=20 s。计算水域的糙率是一个综合影响因素，是数值计算中一个十分重要的参数，与水深、床面形态等因素有关，根据水深条件，给出随水深变化的糙率场。糙率范围取0.02～0.05，根据验证计算情况要求选取。

3.4.2模型验证

根据对模型在实测流量200 m3/s条件下的水流流场进行模拟，表明模型能够较好反应港池附近的水流条件。模型验证成果见表1。

表1　模型验证成果

4　码头工程对通航条件的影响分析

4.1　码头工程对水流条件的影响

工程前河段流速范围为0.01～0.35 m/s，航道水域流速达到0.22～0.35 m/s。由于航道顺直，整体上航道中水流条件较优，没有 不良流态的出现。工程后，码头向陆域开挖，客观上造成河段过水断面增加，河段流速范围降至0.01～0.325 m/s，航道水域流速也降为0.19～0.325 m/s，港池区域流速范围为0.11～0.25 m/s，港池两端转角区域出现回流和垂直于航道方向的横向流速。工程建成前、后河段流场分布见图3、图4。

图3　工程前工程河段流场分布

4.2　码头工程对横向流速、纵向流速的影响

码头建成前、后的纵向流速分布见图5、图6。拟建码头工程前，航道水域纵向水流在原5#港池上下游各200 m范围内会有一个较大的区域，该区域纵向水流流速为0.30～0.325 m/s，而在紧临5#港池口门前沿航道水域纵向流速较上下游区域要低，该区域纵向水流流速0.275～0.30 m/s，这主要是由于5#港池的存在造成了该区域河道断面的增加，水流在经过5#港池前沿航道时由于河道断面增加使得水流扩散导致该区域水流流速会有所放缓，而在该区域上下游河道收窄区域处出现较大的纵向流速区域。拟建码头建成以后，由于拟建码头的港池存在，增加了原5#港池东侧区域的河道宽度，原5#港池前沿航道水域低，纵向流速区域的范围有所增加，该区域的纵向流速数值依然保持在0.275～0.30 m/s范围，而在拟建码头工程前，5#港池口门东侧出现的较大的纵向流速区域会有所减小。

图5　工程前工程河段纵向流速分布

图6　工程后工程河段纵向流速分布

码头建成前、后的横向流速分布见图7、图8。拟建码头工程前，由于5#港池的存在，在5#港池口门西侧会出现较大的横向水流，横向水流的流速在0.03～0.06 m/s，该区域航道水域的横向流速在0.03～0.045 m/s，在码头建成后，5#港池口门西侧区域横向流速有所增加，最大横向流速区域超过了0.07 m/s，也使得该区域的航道水域水流的横向流速增加到0.04～0.05 m/s，其他区域的航道横流变化不大。

图7　工程前工程河段横向流速分布

图8　工程后工程河段横向流速分布

4.3　码头工程对水深的影响

码头建成前、后的水深图见图9、图10。由图可知，码头建成后，工程河段过水面积增加。在码头前沿，由于人工疏浚，河床高程大幅下降，水深增大。而在主航道区域，码头建设前后水深变化很小，码头建成以后河段水面下降约0.005～0.02 m，基本不影响船舶通行对水深的要求。从水利行洪角度而言，河道水面下降对河道行洪有利。

图9　工程前工程河段水深分布

图10　工程后工程河段水深分布

5　结论

由于拟建码头的建设，改变原河道的边界条件，增加了5#港池东侧河道宽度，造成河道水域以及航道水域流速均有所减小。码头建设以后，

5#港池东侧航道的纵向流速会有小幅减小（从0.30～0.325 m/s降至0.275～0.30 m/s），西侧航道的横向流速会有小幅增加（从0.03～0.045 m/s增至0.04～0.05 m/s）。综合各方面水流特性变化情况，拟建码头工程实施以后，码头航道前沿不会出现回流等不良流态，横向流速增加的数值较小，不会对航道通航产生较为不利的影响；由于拟建码头港池增加了河道断面尺寸，对河道的行洪有利[6-8]。

参考文献：

[ 1 ]张玮，倪兵，陈乾阳 . 长江澄通河段通州西水道整治工程对分流比影响研究[ J ] . 水道港口，2013，34（1）:39-44 .

[ 2 ]陈晓云 . 长江太仓—南通河段河道演变特性与航道治理思路分析 [ J ] . 水运工程，2012（4）：102-110 .

[ 3 ]仲志余，王永忠 . 论长江澄通河段的综合治理与开发[ J ] .人民长江，2009（6）：1-5 .

[ 4 ]张丽 . 弯道水流二维数值模拟及岸线整治的水动力分析方法研究 [ J ] . 水道港口，2012，33（2）:136-141 .

[ 5 ]唐金芝 . 河流横比降试验及改正方法[ J ] . 湖南水利，1994（6）22-24 .

[ 6 ]唐宏涛，吴伟 . 河流育道水流特点与冲刷深底探讨[ J ] .浙江水利科技，2004（1）:7-9 .

[ 7 ]宋志尧 . 计算弯道环流的通用公式[ J ] . 泥沙研究，2003，8（4）:19-23 .

[ 8 ]张丽萍，杨达源，朱大奎 . 长江渝宜河段深槽分布特征及成因[ J ] . 南京大学学报（自然学版），2001，37（3）:311-316 .