沙颍河三八村切滩段航道整治设计及通航条件数值模拟

2020-09-05高胜胡应苗安徽省港航建设投资集团有限公司安徽合肥230022

安徽建筑 2020年9期

高胜，胡应苗（安徽省港航建设投资集团有限公司，安徽合肥 230022）

沙颍河发源于河南省伏牛山，流经河南省平顶山、漯河、周口等地市，自界首入安徽省阜阳市境内，于颍上沫河口入淮河，是淮河的最大支流[1，2]。干流河道全长620km，总落差665m，流域面积36651km2。三八村等弯道切滩疏浚工程位于颍上闸下游2km，河槽呈“∧”形弯曲，弯道长度约3.3km。工程航道设计等级为Ⅳ级，由于弯道弯曲半径较小[3，4]，约200m，通航水流条件较差，不满足Ⅳ级标准要求，本文拟对工程段进行航道整治设计，并借助数学模型对整治前后航道通航条件进行系统分析。

1 工程概况

1.1 水文条件

沙颍河属淮河水系，与淮河汛期与雨季一致，夏季雨量充沛，水位高，流量大；冬季降雨稀少，水位低，流量小。沙颍河洪水主要由暴雨形成，漯河以西沙河干流、北汝河、澧河上游是沙颍河流域暴雨中心多发地区；沙颍河上游山区流域坡度陡，集流快，汛期径流量往往占总径流量的70%～80%[5]。本工程范围内设计最高通航水位为27.05m，对应的最高通航流量为2100m3/s，最低通航水位为17.00m。

1.2 工程地质

工程区域位于淮河以北的平原地带，河道支流较多，沟渠交错，一般地面高程25m～35m。钻孔揭示河道两岸地下水一般为潜水，地质以粉土、粉质粘土以及淤泥质粉质粘土为主。由于河水流速的变化，沉积环境发生很大变化，地层范围和厚度变化均较大，部分地段分布有粉砂。

1.3 工程等级

本次航道规划等级为天然及渠化河流Ⅳ级双线标准，航道设计最高通航水位取10%频率洪水位（10年一遇洪水位），设计最低通航水位取95%保证率水位。航道底宽50m，最小通航水深2.8m，最小弯曲半径330m。

2 航道整治设计

沙颍河为渠化河流，水流造床作用相对弱小，解决枯水期航道尺度不足问题，采用疏浚工程措施是最经济可行的解决方式，局部弯曲河道通过采取裁弯取直、削滩、切滩等工程措施改善航行条件[6]。

三八村处河槽呈“∧”形弯曲，弯道弯曲半径较小，不能满足Ⅳ级航道标准要求，采用沿现河槽局部采取切嘴工程措施治理方案。该处弯道受地形条件限制，若航道弯曲半径按照Ⅳ级航道标准要求取330m，则切嘴较多，形成小规模的裁弯，河中将留有一块小面积的河洲，对汛期船舶安全航行不利。本次设计该处航道弯曲半径取300m。对航道底宽作局部加宽处理。根据计算，加宽值为18.7m，取19m，该方案航道里程2.7km。工程方案布置图和弯顶断面开挖图见图1。

图1 工程方案布置图

3 模型建立

针对沙颍河三八村段弯曲较大的河道特点，采用建立在三角形网格上的专业二维模型MIKE 21 FM进行模拟计算，该模型具有边界适应性好，计算速度快、考虑水动力条件全面等特点，并在长江口深水航道治理、淮河干流刘台子航段裁弯等多个工程得到应用，取得了较好的效果，为解决航道整治中遇到的水流问题提供了有力的技术支撑[7-9]。

3.1 水流方程

模型的水流运动方程为基于Boussinesq假定和静水压力假定的垂向平均不可压缩流体雷诺平均Navier-Stokes方程。

3.1.1 连续方程

3.1.2 方向动量方程

3.1.3 方向动量方程

式中，x，y为笛卡尔坐标系坐标；t为时间；η为水位；d为静止水深；h=η+d为总水深;u、υ分别为x、y方向上的速度分量，字母上带横杠是平均值，例如为沿水深平均的流速，由以下公式定义：是柯氏力系数，为地球自转角速度，φ为当地纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度；分别为辐射应力分量；S为源项；为源项水流流速。

式中，A为系数。

粘滞应力梯度项可转换为

式中，Δ为单元面积 (m2)；Cs为系数，取 0.25～1.0。

3.2 网格划分和计算参数

根据工程河段特点，选取颍上闸下至三八村弯道出口段全长约8km河道构建水动力模型计水沙数学模型。计算区域被剖分为25105个三角形计算单元，共13090个计算节点。模型网格最小内角为15°，最大内角为133°，网格区域变化为0.45，没有畸形网格出现，模型网格质量良好。其中滩地网格尺度为10m～20m，主槽和航道网格尺度为5m～10m，网格的疏密分布能够详细反映实际地形的变化，见图2。

图2 数学模型三八村弯道局部网格剖分

时间步长：最小时间步长0.01s。

糙率：主槽糙率为 0.025～0.028，河道滩地糙率为0.035～0.04。

紊动黏性系数：采用Smagorinsky公式计算，取0.28。

3.3 模型率定验证

以2018年汛前（6月27日）为起算地形，配合2018年6月27日～9月24日实测水沙资料为进出口边界，对上述模型进行率定和验证。

图3给出了颍上闸下和码头两个测点的水位计算值与实测值的验证结果。由图中可见，两个测点计算的水位过程与实测值均吻合较好，误差一般控制在0.10m以下，说明模型对边界的处理和糙率的选取是合理的。

图3 水位计算值与实测值比较

3.4 计算控制条件

模型共研究两种河道地形，即航道整治工程实施前河道地形和三八村弯道裁弯半径为300m的竣工后地形。针对不同的地形，数学模型分别制作相应的网格文件进行分析计算。

分析新老河槽分流比时，需要在三八村弯顶附近垂直河道方向划定分析断面，断面对应河道设计中心线桩号约为K164+908。该断面切滩前现状河槽定为老河槽，切滩后老河槽右岸滩地新开挖部分定为新河槽，新、老河槽流量占上游来流总流量百分比为其分流比，见图4。由图可知，三八村弯道河道整治工程前弯道中部河槽宽度约165m，河道中心线曲率半径约200m；整治工程（2017年测）后弯道中部河槽宽度约270m，河道中心线曲率半径约300m。

图4 整治工程后局部地形及新老河槽分割示意图

根据沙颍河河道整治工程通航水位的设计，并对颍上闸下近年来水位流量资料的分析，选取3组工况，包括了平滩水位以下、平滩和最高通航水位。具体工况选择见表1。

模型计算工况表1

4 计算结果分析

选取最不利工况，即最高通航水位工况进行工程模型计算结果分析。

4.1 流场、流速分布变化

整治前后工程段流场分布图见图5。分析可知：

图5 整治前、后流速分布图

①平滩流量以下（600m3/s）：工程前流速最大值位于弯顶下游，最大流速为1.2m/s～1.3m/s，弯顶部位主流偏向于左岸，主流过于集中、局部流速偏大，流速值在0.5m/s～0.6m/s之间。整治后，弯顶区主流偏向于右岸新河槽，由于切滩后弯顶主槽过流断面面积变大，使得弯顶断面流速相比较切滩工程前有所减小，弯顶位置主流过于集中、局部流速偏大的情况明显改变，切滩上下游流速分布更加均匀，通航水流条件改善明显，流速值为0.2m/s～0.5m/s。老河槽流速较小，流速值仅为0.1m/s～0.2m/s，但没有出现回流。航道水流平顺，流态较好。

②平滩流量（1000m3/s）：由于洪水尚未漫滩，流态和平滩以下流态基本一致。工程前，但由于流量加大，河道内流速有所增加，最大流速为1.4m/s～1.6 m/s，弯顶部位主流偏向于左岸，流速值在0.7m/s～1.0m/s之间。整治后，弯顶区主流偏向于右岸新河槽，流速值在0.4m/s～0.65m/s之间。老河槽流速较小，流速值仅为0.1m/s～0.4m/s，但没有出现回流。航道水流平顺，流态较好。

③最高通航水位（2100 m3/s）：工程前，洪水全部漫滩，虽然流量相比较工况2增加了1100 m3/s，但是由于洪水漫滩，水流过流面积急剧增加，滩地糙率的增加，使得河道水流流速相较于工况2有所减小，最大流速为1.4m/s～1.5m/s，弯顶部位流速值有所增加在0.8m/s～1.2m/s之间。整治后，弯顶部位右岸新河槽流速值有所增加在0.5m/s～0.85m/s之间。航道水流平顺，流态较好。

4.2 水动力轴线变化

整治前后水动力轴线变化见图6。分析可知，工程后，水动力轴线略微向开挖侧摆动，最大摆动距离为10.3 m，平均摆动距离为1.29 m，摆动幅度较小。凹岸侧流速值减少，凸岸侧流速值增大。

图6 工程前后水流轴线对比图

4.3 工程后新老河分流比

弯顶切嘴后分流比分析断面处新、老河槽位置分割见图4，模型输出各计算工况分流比分析断面处新、老河槽行洪流量，由此计算新老河槽分流比。计算结果见表2。

由表2可以看出：三八村弯道切滩后，河槽主流明显偏向右岸新河槽，新河槽分流比为59.6%～61.3%，老河槽仅38.7%～40.4%；随着流量增大，右岸新河槽分流比减小，但新河槽分流比大于老河槽的情况没有改变。

整治工程后新、老河槽分流比表2

4.4 横向流速

在三八村弯道航道进口段、弯顶处、出口段设置流速分析断面，用于提取各断面流速值。模型流速分析断面位置见图2。整理计算各工况实际流速、流向与航道夹角、横向流速见表3。由表可知，这5个断面横向流速变化呈现出的规律基本一致，即随着流量的增加，断面的最大流速、主流线与航道的夹角都存在明显的上升趋势，受其影响，横向流速也在不断的攀升。各工况下横向流速均小于航道最大允许流速0.3m/s，满足通航要求。