平面形态对倒八字形港池水沙特性规律研究

平面形态对倒八字形港池水沙特性规律研究

张家飞

(云南水运规划设计研究院，云南 昆明650051)

摘要：针对平面形态对内河挖入式港池水沙特性的影响，借助丹麦DHI公司开发的MIKE二维水沙数学模型，从港池口门宽度、以及主流与港池中轴交角两个方面出发，通过建立对比数模分析研究，对这些因子变化引起港池水沙特性影响进行定性分析，结果表明，随着口门增大，港池内的泥沙淤积规模先增后减，同时，中轴与主流交角的偏移，无论从正向或者逆向，都会导致港池内泥沙淤积量的增大.该结论可供同类研究借鉴.

关键词：倒八字形；挖入式港池；水沙特性；淤积规律

中图分类号：TV147文献标志码：A

收稿日期：2015-03-30

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2012CB417001)

作者简介：张家飞(1980-)，男，云南曲靖人，主要从事港口航道、岩土工程的设计研究工作.

Research on Sediment Characteristics of Plane Modality to Pour-eight Port

ZHANG Jia-fei

(Water Transportation Planning and Design Institute of Yunnan, Kunming 650051, China)

Abstract:Based on the influence of sediment characteristics of planar form for inland waterway excavated harbor, with the help of MIKE two-dimensional mathematical model of water and sediment developed by Danish company DHI, qualitative analysis is conducted through the establishment of contrast analog analysis on sediment characteristics influenced by changing factors, such as the dock entrance width, as well as the mainstream and basin axial angle. The research results show as the entrance increases, sediment deposition in the basin increase after decreasing first, at the same time, the central axis and the mainstream of migration, no matter from the positive or the negative, lead to the increase of sediment deposition in the basin. This research conclusion offers some reference to the similar research.

Key words:pour-eight type; excavated basin; flew and sediment characteristics; Siltation rules

倒八字形港池是内河挖入式港池中的一种常用建设形式，其平面尺寸的设计对港池内水流、泥沙特有很大影响[1]，目前，内河挖入式港池普遍出现回流规模大，水流形态恶劣，泥沙淤积量大[2]的情况，如何提高挖入式港池设计水平，达到防淤减沙的目的成为目前港工设计的重点与难点问题[3-5]，本文将从研究其平面形态尺寸出发，借助丹麦DHI公司开发的MIKE软件，研究港池平面形态尺寸对港池内水沙特性的具体影响.为以后港池平面形态的设计提供技术支持.

1数模软件选择与模型率定

综合软件的计算精度、适用范围、版权等问题，最后选择MIKE软件作为数值模拟软件，选择京杭运河通用河段作为本次研究模拟河段.

1.1模型建立

建立京杭运河通用河段挖入式港池平面水流二维数学模型.计算模块采用有限单元法(FESWMS)，全河段采用等边三角网格，为保证精度，网格间距设为10 m，全河段共有125 664个节点及76 808个网格[6].

1.2模型参数率定

以5 000 m3/s为步长，将研究河段可能出现的来流量分为10级，根据实测资料进行水位、流速验证，率定成库前后每级流量糙率n及紊动能系数V0的取值(见表1).

表1　研究河段二维数模参数率定

由于汛期河床泥沙高程变化量最大，因此本文主要选用一年一遇的汛期流量Q=3 524 m3/s作为计算流量.

1.3模型验证

根据蓄水前后的多次实测资料对各各时段、各流量级下模型计算精度进行验证，从模拟计算结果来看，水位值误差在0.1 m以内的保证率为93.2%，流速值误差在10%以内的保证率为79.8%，可见本文建立的研究河段二维数学模型计算精度较高，适用于该河段水流条件的模拟计算.

2数模计算与结果分析

2.1口门宽度的影响

保持其他研究变量不变，研究口门宽度变化，考虑以口门宽度B=110.98 m作为基本口门宽，设置1.0倍、1.5倍、2.0倍三种宽度口门形式，将口门宽度设置布置形式(见图1).

图1　不同口门宽度港池布置示意图

建立MIKE水沙数学模型，将各口门宽度流场与泥沙计算结果(见图2～图4).

对比图2～图4，进行详细分析可知：

(1)随着港池口门宽度增大，河道内主流旋滚后进入港池内下边壁的点越来越靠近口门，即港池口门宽度越大，进入港池水流与河道内主流交角越小.

(2)随着港池口门宽度增大，港池口门附近水流与河道主流的各项水力特征，包括流速、流向、水流挟沙力、水动力条件等，差距越来越小，港池内回流形态越来越为扁平，掺混区宽度越来越窄，整个回流规模越来越小.

图2　1.0口门宽度水流泥沙特性计算结果

图3　1.5口门宽度水流泥沙特性计算结果

图4　2.0口门宽度水流泥沙特性计算结果

(3)港池口门宽度变化对泥沙淤积范围与泥沙淤积量影响非常大，依次分析各口门宽度下的泥沙淤积情况可知：1.0倍口门宽度倒八字形港池淤积区域主要分布在港池外，港池内的淤积量与淤积范围都较小.整个淤积区域分为两块，一块在脱落涡附近，一块在角涡上方.整个淤积区域约为933.18 m2，淤积厚度范围为0.16～0.78 m，最大淤积厚度为0.78 m，最大淤积厚度出现在脱落涡附近，平均淤积厚度约为0.35 m，总淤积量约为325.88 m3.1.5倍口门宽度倒八字形港池淤积范围向港池上边壁移动，淤积区域主要分布在脱落涡附近，整个淤积区域约为1 015.61 m2，淤积厚度范围为0.16～1.65 m，最大淤积厚度为1.65 m，最大淤积厚度出现在脱落涡附近，在口门上边壁与河道交接处，平均淤积厚度约为0.52 m，总淤积量约为527.49 m3.2.0倍口门宽度倒八字形港池淤积范围大幅束窄，淤积区域主要分布在脱落涡附近，整个淤积区域约为851.31 m2，淤积厚度范围为0.16～0.84 m，最大淤积厚度下降为0.84 m，最大淤积厚度出现在脱落涡附近，在口门上边壁与河道交接处，平均淤积厚度约为0.31 m，总淤积量约为263.81 m3.在港池下边壁角涡处，水流受边壁束窄，流速略有增大，甚至出现局部冲刷区域.将各口门宽度港池水沙计算结果(见表2).

表2　各口门宽度倒八字形港池特征值比较

2.2主流与中轴线交角的影响

为研究挖入式港池中轴线与主流交角θ的变化对港池内水沙特性的影响，在其他条件固定的情况下，综合考虑实际情况，分别选择θ为60°、90°、120°，来建立数模计算，其港池布置形式(见图5).

图5　不同港池中轴线与主流交角θ港池布置示意图

建立MIKE水沙数学模型，将各口门宽度流场与泥沙计算结果(见图6～图8).

对比分析图6～图8，可知：

(1)随着港池中轴线与主流交角增大，河道主流越来越容易进入港池内，因此进入港池内水体增多，同时回流形态也随着港池边壁形状发生变化.

(2)随着港池中轴线与主流交角增大，河道水流进入港池困难增大，港池内流速大幅下降，尤其是港池两边壁流速下降幅度最大.

(3)从泥沙淤积情况来看，港池中轴线与主流交角的变化对港池泥沙淤积范围、泥沙淤积量影响非常大，其中：θ=60°倒八字形港池淤积范围分布在

图6　60°交角水流泥沙特性计算结果

图8　120°交角水流泥沙特性计算结果

港池口门附近，港池外侧泥沙淤积量最多.整个淤积区域覆盖了整个港池口门，主要淤积区域在角涡处，整个淤积区域面积约为3 927.18 m2，淤积厚度范围为0.18～0.72 m，最大淤积厚度为0.72 m，平均淤积厚度约为0.39 m，总淤积量约为1 531.53 m3.θ=90°倒八字形港池淤积区域主要分布在港池外，港池内的淤积量与淤积范围都较小.整个淤积区域分为两块，一块在脱落涡附近，一块在角涡上方.整个淤积区域约为933.18 m2，淤积厚度范围为0.16～0.78 m，最大淤积厚度为0.78 m，最大淤积厚度出现在脱落涡附近，平均淤积厚度约为0.35 m，总淤积量约为325.88 m3.θ=120°倒八字形港池淤积区域主要分布在港池口门外部.且主要淤积区域向脱落涡上前方移动，整个淤积区域面积增大至5 356.77 m2，淤积厚度范围为0.17～1.15 m，最大淤积厚度增大至为1.34 m，最大淤积厚度出现在角涡附近，平均淤积厚度约为0.55 m，总淤积量约为2 945.8 m3.

可见中轴与主流交角的偏移，无论从正向或者逆向，不但会引起工程量的增加，还会导致港池泥沙淤积规模的增大，因此在布置岸线允许的情况下，尽量采用河道主流线与港池中轴线正交的方式有利于归顺水流、减少泥沙淤积.

表3　各交角倒八字形港池特征值比较

3结论

本文针对平面形态对内河挖入式港池水沙特性的影响，借助丹麦DHI公司开发的MIKE二维水沙数学模型，从港池口门宽度、以及主流与港池中轴交角两个方面出发，通过建立对比数模分析研究，对这些因子变化引起港池水沙特性影响做了一些定性的分析研究，从研究结果来看，随着口门增大，港池内的泥沙淤积规模先增后减，同时，中轴与主流交角的偏移，无论从正向或者逆向，都会导致港池内泥沙淤积量的增大.本文研究结论可以同类研究提供一定的参考与借鉴.

参考文献：

[1]谢龙.三峡变动回水区末端段复合水动力条件分析及对泥沙输移的影响[D].重庆：重庆交通大学，2013.

[2]李双江，谢龙.长江上游塘土坝河段水流特性及河床演变分析[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2013,32(4):673-676.

[3]张伟.多波束测深系统在水下地形测量中的应用研究[D].北京：中国地质大学，2008.

[4]PeterGoodwin. Analytical solutions for estimating effective discharge[J]. Journal of Hydrau lic Engineering,2004,130(8):729-738.

[5]陈彬彬.水下地形测量系统关键技术研究[D].南京：河海大学，2010.

[6]罗全胜,谢龙.三峡水库175 m方案成库运行后龙门浩河段水流特性变化分析[J].水利水运工程学报,2014(1):98-103.