码头工程对山区河道水流影响试验研究

彭 雪

（铜仁市水利电力勘测设计院有限公司，贵州 铜仁 554300）

长江是中国第一大河，具有得天独厚的航道和广阔的水运前景，被誉为我国东、中、西三大区域的“金水道”，上游受地形和山区灾害等因素影响，铁路和公路难以东、西向直接运输，货物运输规模小、运营成本高，因此，航运成为河流上游地区经济发展的关键。目前，长江上游的港口在规模、设施和功能等方面已无法满足经济发展需求，可以预期，未来在水力发电的带动下，将会出现新一轮港口与码头建设热潮。

在码头工程建设的过程中，由于不同的码头形式与布局会对河道的流态产生很大影响，因此，码头布置形式是这类工程建设成功的关键因素。为规范码头工程建设，该文研究了工程对山区河道水流的影响，对码头工程进行规范化管理。

1 概化模型试验设计

河道水流流态的改变受多种因素共同影响，在实际工程中，通常难以分辨由多种因素引起的复杂现象，有时还会产生主观想象。需要采用一些方法去除或区分无关因素，以避免分析结构受到相关因素干扰。在不改变物理性质的前提下，概化模型可以有效地简化这类问题，并可以提供解决问题的新思路。概化模型与传统的缩放模型相比有很大区别，概化模型基于相似性理论建设，能满足相似条件，在很大程度上可以反映原型的基础状况，优势十分显著。该文将采用设计概化模型的方式，对该课题进行研究。

1.1 试验装置

为满足试验需求，在某地区水利水运工程实验室水槽内进行试验，水槽的供回水方式如图1 所示。

在此基础上，设计试验装置相关技术条件，见表1。

表1 试验装置相关技术条件

在试验中，对应变坡水槽安装流量测控系统，该系统由终端计算机设备、电动阀门和流量计等构成，当变坡水槽的流量为20L/s 时（小流量），设计的流量测量误差应在1%内，当变坡水槽的流量为20L/s～400L/s 时（大流量），设计的流量测量误差应在2.5%内。

在试验前，为避免水槽流量过大，需要在对应的进水处增设消能池，以避免小流量对试验结果的影响。

1.2 试验水流特征与试验水槽参数设计

为更直观地反映山区河道水流特征，设定水槽宽度为2.3m，坡度为0.82°。在此条件下，计算水槽的水力值，如公式（1）所示。

式中：R为水槽的水力值；Re为雷诺数；χ为宽深比；B为水槽的宽度；H为水槽的高度。

在掌握试验水流特征的基础上，生成水槽中紊流，均匀紊流的生成过程如图2 所示。

图2 试验水槽中均匀紊流的生成过程

在生成紊流的过程中，计算对应的岩流层形状参数，如公式（2）所示。

式中：H12为岩流层形状参数；δ1为对应岩层的位移厚度；δ2为对应岩层的动量厚度。

完成上述内容的设计后，确定水槽内试验段的长度，考虑水槽的槽壁为粗糙面，为在水槽内形成均匀紊流，计算试验段长度如图3 所示。

图3 试验段长度设计

1.3 测量方法

1.3.1 均匀流率定

完成上述步骤后，试验前需要对水槽中水流的均匀流率定进行试验，在试验过程中，以16 把水尺所对应的剖面为控制剖面，因为设计的水槽中，河床的平均比降对应0.82‰，所以用水尺读取数据，误差应在±5%内。同时，在水槽中选择8m、10m、12m 位置作为3 个试验断面，采用流量仪测量水和底流速度，使断面上的水流速度分布趋于平均，每段的水流速度和底流速度应沿程保持不变，测量中误差在±5%内。在此基础上，反复调节水槽进水口位置的格栅，确保水槽内的水流满足均匀流等测定需求。绘制均匀流对应的流量-水深关系如图4 所示。测定结果满足图4后，作为正式试验过程中的水槽水流调节依据。

图4 均匀流对应的流量-水深关系示意图

1.3.2 水位、流速场测量

当测量水位时，需要先将水槽内一定流量的水流调整为均匀水流，再按照下述步骤，测量试验中水位。在此过程中，需要在水槽布置水流断面，按照均匀流率定方式，读取水尺数据，来掌握断面水位。同时，结合码头工程的具体情况，在试验段布置加测断面和测点，最后辅助水准仪得到对应位置的水位。

当测量流速场时，设置水槽内的水流流量为60L/s 和120L/s，先将水槽内的水流调节为均匀流，在确保水槽内水流流速稳定的前提下，设计水槽内的水流流量为60L/s，再使用VDMS 测量系统（流场实时测量系统），在码头工程段附近测量表面流速场。最后根据试验需求与设计的测量方案，将水槽内的水流流量由60L/s 调整为120L/s，按照上述步骤，可以对流速场进行测量。

2 码头工程对山区河道水流水位的影响分析

根据上述试验结果，首先明确码头工程对山区河道水流水位的影响。在河流中建造码头后，对水流的阻滞使其上游的比降变小、流速变慢、水位变高；在码头前段，因河道水流收窄，比降、流速急剧增加，水位下降[1]。但在靠近码头的下游，惯性使水流不断压缩，比降、流速不断增加，水位不断下降。在达到收缩断面后，漫溢使水位又逐步上升，与自然河道汇合后水流恢复自然状态[2]。根据上述分析，计算最大壅水高度。码头阻水会导致水位壅高值上升，这直接关系到防洪安全、河流通航等[3]。从能量守恒的角度出发，采用推导的方式确定码头工程中最大壅水高度的理论计算公式。码头工程对于水流局部水头的损失主要集中在壅高断面到恢复断面上的河段内。按照能量守恒原理，建立断面能量平衡如公式（3）所示。

式中：Z1为码头修建前断面1 的水位；Z3为码头修建前断面3 的水位；α为码头修建后的动能修正系数；v为码头修建后的水流流速；g为重力；hf1-3为沿程水头损失。在完成对码头的修建后，可以改写，成如公式（4）所示。

式中：Z'1为码头修建后的断面1 的水位；Z'4为码头修建后断面3 的水位；α'为码头修建后的动能修正系数；v'为码头修建后的水流流速；hj为局部水头损失量。通过计算，码头工程局部的水头损失如公式（5）所示。

式中：ξ为码头局部阻力系数；v'2为河道水流的特征流速，可以通过码头工程中心断面的压缩流速计算得出。为探究码头工程对三区河道水流水位的影响，记录不同规格的淹没丁坝和非淹没丁坝的最大壅高发生位置、壅水影响范围等数据，结果见表2。

表2 不同丁坝类型水位壅水情况记录表

淹没丁坝1 的规格为5cm×6cm×5cm；淹没丁坝2 的规格为15cm×5cm×4cm；淹没丁坝3 的规格为32cm×6cm×5cm。通过试验研究，淹没丁坝在流量最小的情况下，最大壅高基本位于丁坝中心线上[4]。当流量最大时，最大壅高分布在丁坝中心线的上游位置。

3 码头工程对山区河道水流流速的影响分析

在完成码头工程的修建后，随着工程周围的河道地形发生变化，附近河道水流的水位和比降也会发生变化，同时流速分布情况会随之改变[5]。结合上述模型得到的试验结果对码头工程对山区河道水流流速的影响进行分析。得出各个类型的码头结构下，工程周围河道水流流速影响程度和范围[6]。在试验的过程中，共设置3 种不同的淹没丁坝宽度，分别为10cm、15cm 和30cm，以及设置一种宽度为18cm 的非淹没丁坝[7]。按照上述试验将流量设置为60L/s和150L/s。记录不同宽度的淹没丁坝和非淹没丁坝在不同流量条件下对山区河道水流流速影响，包括最大流速增值、发生位置以及影响范围，见表3。

根据表3 可以看出，淹没丁坝造成的最大流速增值会随着丁坝的宽度增加而呈现出明显增加的趋势，随着流量不断增加，最大流速也会呈增加趋势。非淹没丁坝的最大流速增值受到流量变化的影响程度较低[8]。在相同流量的情况下，非淹没丁坝的最大流速增长比相近宽度下淹没丁坝大。淹没丁坝和非淹没丁坝的流速影响范围会随着丁坝宽度增加呈现上升的趋势，同时随着流量增加而增加。在流量相同的情况下，非淹没丁坝所造成的最大流速增值比相近宽度的淹没大坝更大。结合流速变化的范围分布可以看出，工程侧的上游和下游流速变小，工程对岸的上游和下游水域流速增加。

4 结论

通过上述研究，明确码头工程对山区河道水流的具体影响如下：1）当流量很小时，淹没丁坝最大壅高基本在丁坝中心线上，当流量很大时，最大壅高在丁坝中心线上的上游。非淹没丁坝不管流量大小，最大壅高均位于坝的中心线上游。2）码头工程前沿到对岸上游和下游流速会增加，工程侧的上游和下游流速变小。码头工程造成的最大流速增幅主要分布在工程的前沿且向下游偏向河心狭长带。