二维水动力数学模型在港口码头工程防洪影响计算中的应用

2022-04-20郭上渲

陕西水利 2022年2期

郭上渲

（广东中灏勘察设计咨询有限公司,广东肇庆 526060）

0 引言

码头、桥梁等涉河工程因占用了河道原有的过水断面面积,往往会对水位壅起高度、水动力特性和冲淤平衡产生一定影响[1-3]。明确涉河工程对河道行洪能力及冲刷范围的影响程度是工程建设和洪水调度的重要依据。本文采用二维水动力数学模型对封开海事处码头工程建设前后进行精确模拟计算,在分析计算结果的基础上,结合工程河段水利建设现状、规划情况和有关管理要求,综合评价工程的防洪影响。

1 工程河段水文现状

码头工程位于封开县贺江与西江交汇处江口下游800 m处,水系属于珠江水系,位于北江支流西江分支。封开县江口镇汇流处集雨面积34.12 万km2,多年平均过境水量2291 亿m3,多年平均流量7262 m3/s,含沙量0.32 kg/m3。工程区域水系见图1。

图1 工程所在区域水系图

2 平面二维水流数学模型建立

平面二维水流模型主要针对工程兴建前后工程局部河段水流流态和水动力条件的变化进行模拟,比较和分析工程对工程局部河段流速、流态等水流特性造成的影响。

2.1 基本方程

平面二维水流数学模型如下：

（1）水流连续方程

（2）沿x、y方向的水流运动方程

式中：H为实际水深；z为水位；h为垂线水深；n为糙率；f为Coriolis系数；εi为x、y方向的紊动粘滞系数；uj为x、y方向的垂线平均流速。

2.2 求解方法

使用MIKE21软件,采用稳定性好,收敛速度快且精度较高的有限分析法九点格式离散模型。

2.3 模型范围及网格划分

本次评价拟对西江与贺江汇合口上游2.9 km至工程下游4.0 km的河长范围,采用二维水流数学模型进行防洪影响的数值模拟计算,总计算长度约7.4 km。共划分网格444×101个, X和Y方向网格平均步长分别为12.4 m和22.2 m,计算区域及网格见图2。

图2 渗水点、渗水带平面位置示意图

2.4 计算工况

工程前—各河道现状边界,肇庆封开海事处工作船码头工程建设前。

工程后—肇庆封开海事处工作船码头工程建设后。

数学模型计算的主要内容为工程所在水道地处西江下游河道,工程所在河道两岸堤围现状防洪标准为50年一遇,计算频率选取P=1%、2%及5%共计3组频率洪水水文组合进行河道行洪壅水、流速影响计算分析。

3 计算影响分析

3.1 壅水分析计算

工程所引起的水位变化,主要是码头的建设改变局部地形引起的。水位壅高值及壅水范围与工程所在河道的上游来流量和下游水位密切相关：下游水位相同,上游来流量越大,则水位壅高值越大,壅水影响范围相应也越大；上游来流量相同,下游水位越低,水位壅高值越大,壅水影响范围相应也越大。

为便于统计分析河段的水位变化情况,在工程上下游沿河道布置10 个水位采样断面,见图3。工程方案实施后,设计洪水频率P=1%、2%和5%下,工程上游最大壅水高度分别是0.028 m、0.025 m、0.021 m,若以0.001 m作为壅水影响最小值,则各设计洪水频率下的上游最远影响距离主广场渡口分别在950 m、800 m和750 m以内；工程下游略有跌水,各设计洪水频率下的最大跌水幅度为0.022 m,下游最远影响距离工程下游端1250 m以内。

图3 采样断面示意图

由上述计算结果分析可见,工程后,在较为不利的水文组合条件下,工程造成的西江行洪水位变化值不大（变化值=工程后-工程前）。因此,肇庆封开海事处工作船码头工程对西江的设防洪水位影响不大。

3.2 河势影响分析

通过水动力条件变化、滩槽和河岸及动力轴线变化分析对河势的影响。

3.2.1 河道流速、流态变化

P=1%、2%和5%三种设计洪水水文组合条件进行二维水流数学模型计算,工程前后流场见图4。

图4 各频率下工程前后流场对比图

（1）流速变化分析

根据工程方案布置可知,工程位于西江干流左岸,占用部分洪水过流通道。从流速变化等值线图可见,工程所在河道流速变化的一般规律为码头上下游附近区域有所减小,工程河段靠主槽一侧附近略有所增大。由于工程改变河床局部地形,工程位置及岸坡附近区域流速有所减小,由于工程建成后产生束水作用,工程河段靠主槽一侧附近略有所增大。

通过在模型范围内布置的流速采样点流速变化及流速等值线变化,量化工程建设后对河道流速影响的范围显示,各洪水频率下,以流速变化0.001 m/s为界限,工程位置上游河道的最远影响距离为距离工程上游端950 m以内,对下游河道的影响距离为距离工程下游端1250 m以内。

（2）流向变化分析

从流向看,工程建成后,对工程所处位置附近河道流向存在一定的影响,河道主流仍基本平顺,但由于码头建设引起的局部地形变化,工程附近流态略有调整。流向变化较大的位置主要位于工程上游28#采样点处,其他水域流向变化幅度基本在1.5°以内,以流向变化0.1°为界限,对工程位置上游河道的最远影响距离为工程上游端950 m以内,对下游河道的影响距离为距离工程下游端在1250 m以内。

因此,总体来看,除工程附近位置流速和流向变化幅度略大外,其他位置流速影响幅度在0.001 m/s以内,流向变化幅度在1.5°以内,可见工程主要对工程位置及下游河道流速及流向的有所影响,影响范围在距离工程上游端950 m至距离工程下游端在1250 m以内。工程建设后,西江河道整体流态平顺,流速变化区域主要局限在工程近区,影响范围及幅度均较小,工程对所在河道整体流速、流态影响不大。

3.2.2 动力轴线的变化

图5给出了设计洪水频率为P=1%时,工程前后附近河道水动力轴线分布。可见,工程建成后,整个河段主槽水流动力轴线基本无变化。工程附近,工程上游50 m至下游河道约60 m范围内的水动力轴线略向右岸偏移,最大偏移距离约1.3 m,因此,工程后由于河道总体流势没有改变,水流动力轴线在工程段的局部调整不会改变整个河道的水沙动力分配格局。

图5 工程前后动力轴线变化图

3.2.3 滩槽和岸线变化

工程引起河道地形的变化,局限在工程附近局部水域。主要变化原因是码头阻水,改变了工程近区的水流形态和结构。

由前面的章节介绍和分析可知,工程对西江河道水动力状态的改变主要局限于工程附近,对整体河势影响不大,不会改变河道的整体滩槽分布现状。

从流速差等值线图成果可见,工程兴建后,除工程近区局部水域外,近岸流速最大减小在0.030 m/s内,工程所在河道两岸岸滩稳定,水流冲刷对河道岸线不致产生较大的不利影响。

3.2.4 冲淤演变分析

根据二维水流数学模型计算成果,可以从流速的变化来定性分析工程建设前后河床的冲淤变化。工程修建后,受工程束水作用的影响,工程局部水域水动力条件会发生调整,对局部冲淤有所影响,主要表现在工程兴建后,工程束窄了河道的过流面积,水流受到一定程度的挤压,码头前沿局部流速略增加,水流动力和挟沙力略微增强,河床切应力略微加大,河床泥沙运动略有所增大,将会产生局部略微淘刷、冲深情况；工程上下游附近水域流速有所减小,水流动力和挟沙力略微减弱,部分泥沙可能会落淤,其它水域因水动力环境改变甚微,其地形基本不会有太大变化。