水阳江航道整治工程方案数值模拟研究

任启明

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

水阳江航道整治工程位于宣城市境内,为芜申运河支线,也是省政府调度交通重点工程建设项目、亚行贷款项目,项目起点为宣城市海棠湾,终点为甘家拐,全程43.9 km,航道按Ⅳ级线型、Ⅲ级断面标准整治,是在现有Ⅵ级航道基础上技术改造成限制性Ⅳ级航道、Ⅲ级水深航道,并建水阳江宣州综合码头工程。

《内河通航标准》规定:“内河航道最小弯曲半径,易采用顶推船队长度的3倍或货船长度、拖带船队最大单船长度的4倍,在特殊困难河段,航道最小弯曲半径不能达到上述要求时,在宽度加大和驾驶通视均能满足需求的前提下,弯曲半径可适当减小,但不得小于顶推船队长度的2倍或货船长度、拖带船队最大单船长度的3倍。”

水阳江可通航千吨级船舶,千吨级船舶主尺度为49.8 m×10.2 m×2.95 m(长×宽×吃水)。其存在的主要问题有:部分河道断面浅窄,枯水期水深不足,河道弯曲半径不满足Ⅳ级航道要求。

1 研究方案及判别标准

本文以陶村航道为例论述水阳江航道整治工程。陶村现有航道弯曲半径较小,约为140 m,不满足规范要求。为了使陶村航道的弯曲半径满足规范要求,拟对陶村航道整治采用两种方案,如图1所示。方案一:在原弯道右侧河漫滩疏挖宽45 m,底高程2.1 m的航道,弯曲半径约320 m。方案二:在原弯道右侧河漫滩疏挖宽45 m,底高程2.1 m的航道,弯曲半径约220 m。

图1 陶村航道改造方案示意图

参照《内河通航标准》船闸引航道口门区的水流表面最大横向流速不能大于0.3 m/s,否则船舶会发生横漂和偏航等事故。

2 控制方程

流场的模拟采用了丹麦水力研究所开发的平面二维数学模型MIKE 21。MIKE 21是一个专业的工程软件包,用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。目前该软件在中国的应用发展很快,并在一些大型工程中广泛应用,如长江口综合治理工程、杭州湾数值模拟、南水北调工程、重庆市城市排污评价、太湖富营养模型、香港新机场工程建设等。

2.1 控制方程

二维浅水基本控制方程如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

Tij为水平黏滞应力项,包括黏性力、紊流应力和水平对流,这些量是根据沿水深的平均速度梯度用涡流黏性方程得出的:

(5)

2.2 数值解法

2.2.1 空间离散

计算区域的空间离散是用有限体积法(finite volume method),将该连续统一体细分为不重叠的单元,单元可以是任意形状的多边形,但在这里只考虑三角形和四边形单元。

2.2.2 时间积分

方程的一般形式为:

(6)

对于二维模拟,浅水方程的求解有两种方法,一种是低阶方法,另一种是高阶方法。低阶方法即低阶显式的Euler方法。

Un+1=Un+ΔtG(Un)

(7)

式中:Δt为时间步长。高阶的方法为按以下形式的使用了二阶的 Runge Kutta方法。

(8)

3 数学模型

数学模型计算区域选在陶村弯道处,模型总长约3.29 km,模型入口选择在断面K20+260,模型出口选择在K23+550。计算网格由三角形网格组成,整个河段共划分7 766个网格单元。模型网格的划分及地形如图2和图3所示。

图2 方案一计算模型

图3 方案二计算模型

4 结果分析

本文选取洪水位、高水位和中水位三种工况对陶村航道整治方案进行研究,计算结果如图4～图9所示。

图4 洪水位模拟流场图(方案一)图5 高水位模拟流场图(方案一)图6 中水位模拟流场图(方案一)图7 洪水位模拟流场图(方案二)图8 高水水位模拟流场图(方案二)图9 中水位模拟流场图(方案二)

方案一:在洪水工况下,弯道处航槽的流速在0.68～1.00 m/s,最大横向流速为0.17 m/s。在高水工况下,弯道处航槽的流速在0.52～1.05 m/s,最大横向流速为0.20 m/s。高水位时陶村航道处航槽的最大流速较洪水位的大,因为洪水时流量虽然较大,但其过流断面面积也相对较大。在中水工况下,弯道处航槽的流速在0.31～0.64 m/s,最大横向流速为0.09 m/s。

方案二:在洪水工况下,弯道处航槽的流速在0.65～1.25 m/s,最大横向流速为0.34 m/s,大于规范要求的0.3 m/s,不利于通航安全。在高水工况下,弯道处航槽的流速在0.58～1.16 m/s,最大横向流速为0.21 m/s。在中水工况下,弯道处航槽的流速在0.28～0.64 m/s,最大横向流速为0.08 m/s。

5 结束语

综述所述,陶村航道方案一洪水位时,弯道处航槽的最大流速为1.00 m/s,在高水位时为1.05 m/s,大于洪水位时的流速。因为方案一洪水时流量虽然较大,但其过流断面面积也相对较大;方案二洪水时航道的最大流速为1.25 m/s,高水位时最大流速为1.16 m/s;中水位时,所以方案一的弯道处航槽的流速略小于方案二。

陶村航道方案二较方案一流速大,且方案二的航道弯曲半径较小,水流与航道夹角较大,但在洪水时方案二最大横向流速大于规范要求0.3 m/s,不利于通航安全,故建议将方案一作为陶村航道的推荐方案。