山区内河航道码头方案影响水动力数值研究

程海迅，李丽，邱炳然，臧志鹏

（1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；2.中国石油集团海洋工程有限公司天津分公司，天津 300457；3.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津，300350）

本研究项目位于我国东北山区某河流上游，为解决当地航道管理局作业船舶停靠的问题，拟在河岸新建小型码头工程，以满足船舶停靠、管理和养护等功能。同我国多数山区中小型河流相似，该项目所在河道具有表面比降大、砾石遍布、滩浅流急等特点；此外，山区河流径流模数大、汇流时间较短，夏季暴雨影响下，极易发生山洪灾害，但洪水持续时间通常较短。流量与水位变幅大是山区河流一个重要的水文特点，其最大流量与最小流量的比值有时可达几十倍[1,2]。在河道上修建的码头建筑物占据一定的过水面积，会改变河道水流特性，可能对河道通航、行洪、河势稳定、水运交通等带来一定影响[3]。

为了更好地开展项目实施，通常需要利用数学模型或者实验手段对工程方案的水流和泥沙特性进行模拟预测[3,4]。本文通过数值模拟山区内河航道码头工程前后水流和泥沙演化规律，分析不同流量下的河道断面的水位、流速以及河道冲淤变化，研究修建航道码头的工程影响，为码头工程方案设计和实施提供科学依据。

1 模型建立及条件

本文基于MIKE21 HD 模块建立河道的平面二维水动力模型，并基于ST 模块对河道的泥沙冲淤演变进行模拟。MIKE21 采用无结构三角形网格，在处理水流动边界、复杂工程建筑物边界等方面具有强大的功能，且计算稳定性良好，已在国内外许多工程项目研究中得到了广泛应用，其模拟结果具有较高的承认度[5-7]。

项目航道码头方案实施前的水深地形如图1（a）所示，在河道变宽处拟建一个作业船舶码头。图1（b）为码头工程建设之后的水深地形图，港池及码头前沿停泊水域比原河道高程向下开挖1.0～1.2m；宽度18m；港池回旋水域直径45m，码头前沿回旋水域直径75m。为了水流计算稳定，本文选取码头上下游各1.5km 长度范围建立水动力数值模型，并沿河道上游至下游设置了6个断面进行水位和流速的变化监测，如图2（a）所示。

图1 河道底标高（a）方案前，（b）方案后

图2 河道数值模型示意图（a）断面位置，（b）速度场（Q=200 m3/s）

项目方案实施前，在河道内进行了流量和流速的现场观测。针对观测流量为Q=200 m3/s 的工况进行河道水流模拟，河道内速度分布结果如图2（b）所示。码头正前方断面#4 和#5 最大流速分别为2.1 m/s 和2.5 m/s，平均值为2.3m/s，与实测码头前沿的最大流速2.3 m/s 吻合。码头修建前后的断面流速也发生了较大变化，尤其是与码头比较靠近的断面#2～ #5。在断面#2 处流速发生了一定的增大，主要由于修建的码头减小了河道的宽度，而此处水深没有发生变化，故总的过流断面发生了减小，说明此处需要进行河道开挖，以进一步降低流速。断面#4 位于码头的正中间位置，流速由原来的最大2.1 m/s，降低为码头修建之后的1.2 m/s。这是由于码头前方的回旋水域进行了-1.2 m 开挖的原因，尽管码头修建降低了河道的宽度，但是总的过流断面仍然增大，故码头正前方的最大流速发生较大程度的降低，这有利于码头前工作船的停靠泊。此外，在距离码头较远的4 个断面，即#1、#2、#5 和#6 处的最大流速都没有发生变化，表明码头修建之后对于整体河道的水流影响很小，仅限于码头局部范围。

项目河道2010—2017 年7 年间的高程观测资料表明河道高程最大变化量为±0.6 m。基于MIKE21 里的ST 模块建立泥沙输运的数值模型。由于河道位于山区，其河床主要以砾石为主，项目选取中值粒径40 mm的中砾作为代表，进行河床演变模拟。如图3（a）所示，河道高程变化量的数值结果在-0.7 m～ 0.6 m（图3a），与实际长期观测值一致。此外据历史观测数据，该段河道的历史最大泥沙浓度为985 g/m3。项目基于10年一遇洪水最大流量Q=3710 m3/s 进行了泥沙浓度的模拟，如图3（b）所示。数值模拟的最大泥沙浓度为957 g/m3，与观测数据吻合。以上流速、河床演变和泥沙浓度模拟结果可以证明当前模型的可靠性。

图3 数值模型结果验证（a）河床高程演变，（b）泥沙浓度分布

2 不同流量下水位及流速分析

研究针对不同的设计流量分别进行了河道水流模拟，包括最小通航水位流量（Q=86.3 m3/s）、多年畅流期平均流量（Q=276 m3/s）、最大年畅流期平均流量（Q=570 m3/s）、2 年一遇洪水流量（Q=1490 m3/s）、5 年一遇洪水流量（Q=2910 m3/s）和10 年一遇洪水流量（Q=3730 m3/s），工况条件如表1 所示。

表1 项目河道代表性流量工况表

数值结果表明：码头的修建可以一定程度上降低断面#4 处的水位，而且河道流量越小，码头工程对于水位的影响越明显。当河道流量大于最大年畅流期平均流量（Q ＞ 570 m3/s）时，码头工程基本不会对水位产生影响。总体上，码头建设对于码头前沿的流速具有一定降低作用，尤其是在正常流量情况下；而在洪水流量情况下则对速度的影响不明显，这与断面水位变化趋势相同。码头前沿河道的开挖增加了过流断面的面积，在流量较小的情况下，码头工程的影响更加明显；而在洪水流量下，过流断面的影响可以基本被忽略。总体上，码头修建后，码头前沿的水深整体增加了，且最大流速发生了一定的降低，有利于工作船舶的通航和靠泊；并且洪水期的水位和流速基本没有变化，不会对行洪产生影响。码头工程建设前后的水位和流速变化差值见表1。

3 方案实施后河道冲淤分析

本文进一步对码头修建后的河道冲淤进行数值模拟。模拟的两个工况条件为2 年一遇和10 年一遇的洪水过程，该流量条件下水动力足够强，大于河道泥沙的临界起动流量（Q=670 m3/s）。图4 为2 年一遇和10年一遇洪水过程后的码头附近的河道演变结果。2 年一遇的洪水过程中，河道的冲刷和淤积量在-0.4 m～ 0.4 m 之间；而10 年一遇的洪水过程中，河道冲刷和淤积量在-0.8 m～ 0.7 m 之间。2 个洪水流量下的河道冲刷和淤积的位置基本相同，主要在码头的上游来流方向发生冲刷，然后淤积发生在码头前沿回旋水域的上游，总体上对于回旋水域内的水深影响很小。同时，在回旋水域挖槽近河道中心的斜坡底脚一带发生了淤积，而斜坡的坡顶发生了一定的侵蚀，这是正常的泥沙输运结果。此外在码头下游区域发生零星局部的冲刷和淤积。图5为断面#4 上的河道高程变化，可见，码头前沿断面位置冲刷和淤积主要发生在挖槽斜坡的底脚和坡顶，这也是挖槽斜坡在水动力作用下发生自然坍塌的正常表现。而在码头前沿附近的水深基本没有发生变化。可见，本项目不会在码头前沿回旋水域位置发生明显的淤积，可以保持稳定的作业水深。

图4 不同流量下方案前后河道高程变化分布

图5 不同流量下方案前后河道断面流速变化情况

4 结论

基于现状水深地形建立河道水动力和泥沙输运数值模型，河道现状断面最大流速、河道长期演变冲淤量以及河道泥沙浓度最大值均与观测值和历史记录值吻合，表明当前模型对于山区河道水流和泥沙模拟结果合理，可用于本研究中码头修建影响水动力分析。

分别对不同设计流量下的河道水流进行模拟，重点分析了码头修建对河道断面水位和流速最大值的影响。该工程河段的相对水深较浅，新建码头之后由于回旋水域的疏浚挖深，使该河段有效断面增加，因此对于河道水流速度有减缓的作用，特别是在码头前靠泊区域流速较小更加明显。在通航流量下，码头工程对于河道流速的减缓作用较为明显，有利于船舶通航安全。在多年一遇洪水流量下，码头工程对河道水位和流速的影响很小，不会对行洪安全产生影响。码头工程实施后，码头前沿回旋水域内部发生淤积量很小。总体上码头工程方案可行。