航道整治工程泥沙数学模型在赣江治理中的应用.pdf

第卷 水利水电技术 年第期 航道趁 弓台二二卑是泥 卜数 学模型在检 倪 治奥廷中 的应用 李亚平 镇江市水利局 镇江市 汤 立群陈界仁王加虎 河海大学 南京市 摘要 在河流二维双方程紊流泥沙模 型及 求解方法基础上 用拟合 坐标生成了正交曲线网格 运用 露滩冻结 技 米解决河道 中边滩和江心洲等随水位波动边界位置发生 相应调 整的动边界问题模型考 虑了床 沙级 配 的分层记忆和床沙质与冲泄质的划分 模型验证后 应用于赣江樟树一南昌河段航道 整治 工程 方案计算中 取 得了良好的效果 关键词 整治 工程网格生成动边界方案计算 文献通过求解椭圆形偏微分方程寻找原坐标 系统 与新坐标系统宁 亏之间的一一对应关系 获得 物理域上正交曲线网格系统 采用紊动动能和紊动耗散 率闭合雷诺方程 把悬移质输沙概化为单纯淤积 单纯冲 刷和淤粗冲细三种情况 依据悬沙与床沙交换机理确定 挟沙能力和非均匀沙分组挟沙能力的表达式 从而构造 了正交曲线坐标系下二维紊流全沙数学模型在水流输 运及分组含沙量输运方程的离散过程中 采用守衡性较 好的控制体积法和计算程式 以提高计算稳 定性和加快收敛 给出了模型的求解方法本文重点用赣 江某浅滩河段的实测水文泥沙及地形资料对所建模型进 行了验证 并将该模型 应用于赣江中游樟树南昌 河段的航道整治工程方案计算 出流边界设置水位 同时使 一 日 日尤口日 卜二 下一二万一灭下 一万万 一 二下 一 戈 叮口叮叮叮心 固壁边界采用无滑移条件的固壁物质通量为 条件 即 一 一 塑 一夔一 拳一 口 军 模型的定解条件川 数学模型进口给 定 及 沿 河宽 的分布 分布遵循曼宁公式 并经进口流量闭合校正 进口紊动 动能耗散率按下式给定 即 式中为进口断面节点纵向流速 一 进口紊 动粘性系数采用紊动粘性系数测量结果 即 由式及式可推知进口断面紊动动能分布 即 一 尹了护 由于进口常取 在顺直段 对于充分发展的紊流 进 口 的设定不影响域 内的分布进口断面含沙量分布 采用均 匀分布 有关问题的处理 各物理里初始场的设定 初始水位场可利用计算域上 下游水位和断面间 距进行线性插值 在断面上可以不考虑横比降在计算 域较长时 可采用推求水面线的办法给出二维域中某 几个断面的水位 然后分段进行线性插值 对于初始速度场 夕方 向上一 泞方 向上 由曼 宁公式计算得来 并进行断面总流量校正由于专 李正 交 曲线网格是基于势流理论生成 的 上述沿宁 甲方 向 给值 在势流区初值已离解较近 在回流区 初值与收 敛解差别较大 但计算表明 随着迭代计算的进行上述 初值的影响会逐步 消失分组含沙量场和紊动量 初始分布 采用全场均匀分布 并等于进口量值 动边界技术 河道中的边滩和江心洲等随水位波动边界位置也 发生相应调整 在计算 中精确地反 映边界位置是比较 困难的 因为计算网格横向间距为数十米数量级 为了 体现不 同流量 边界位置的变化 常采用 削切 技术 即将露出单元 的河床高程降至水面以下 并预 留薄层 水深 同时更改其单元 的糙率取 量级 使得露 出单元 计算值自动为 水位冻结不变 这样就将 复杂的移动边界 问题处理成固定边界 问题 糙率的率定 糙率的取值对计算具有重要的作用目前对糙率 的平面分布处理还很不成熟 大都采用河段综合糙率 本文计算在一维模型率定的糙率基础 上 根据实测流 量 分若干个流量级 自动率定糙率 结果如表所列 表糙率一流关系 流流量 一 糙糙率率 流流量 一 糙糙率率 床沙级配的初始赋值及分层记忆 根据丰城一小港口实测河床质泥沙级配资料 选取 表中的数值为计算的河床质级配在河床冲淤过程中 床沙级配采用分层记忆 分层厚度取 每当淤积厚度 达到分层厚度时 记忆该层级配 供冲刷时使用 表验证河段床沙级配 粒径 丰城一小港口 进口悬移质级配 进口悬移质级配查水文年鉴获得 中值粒径矶 平均粒径 一 并将悬移质分成 组参加计算 如表所列 表悬沙级配及分组 粒粒径 门 门夕气气 小小于某粒径百分数 分分组 水流 悬沙方程计算时步长的选择 由于本文采用守恒性较好的控制体积法离散水流 和悬沙方程 在动量方程 紊动动量方程及分组含沙量 方程的离散过程中已隐含连续方程 因而计算模式具 有较好的稳定性水流方程组迭代时步长山一 悬沙方程计算时步长山一每一级恒定流场 迭代步数约需步 沙场收敛步数仅需 一 次可 见本模式 由于采用 了边界 贴体坐标系统 使 曲线网格 沿河道走 向布置 同时采用守 恒性较好 的控制体积法 来离散水流和 泥 沙统一的偏微分方程 因而具有占用 储存少和 收敛速度快 的优点 为长河段 多年水沙计算 奠定 了 良好的基础 了冲泄质和床沙质分界粒径 冲泄质和床沙质分界粒径沉速采用王兆印公式 即 田 一 忙 式中的取 模型的验证 因丰城小港口具有年汛前汛 后的实测 地形 图 水沙资料基本齐全同时该河段位于 全河段 中部 中间有浅滩和弯道 河型 床面组成均具 有代表性 因此选取该河段作为模型的验证河段 计算域范围和正交曲线网格的生成 丰城小港口全长约 中间布置个水尺 点 条测流断面计算域初始地形采用年月 份实测的地形 图 验证至年月 计算域沿河道 纵 向布置个 网格线 横向布置 个网格线 网格节点数为 区域网格节点基 本保持正交 正交误差士横向网格线遵循与两岸边 界线垂直的趋势扭 曲 纵向网格线成凸岸密 凹岸疏的 特点网格间距纵 向为 横向为 一 进出口边界条件的确定 模型验证时段为年月 日一 年 月日 计算域进口控制流量采用石上水文站实测流 量过程 该站在丰城进口断面稍上进口水位直接采用丰 城水位站实测水位过程 出口水位根据丰城 市汉两站水 位按比降线性内插 进口含沙量过程采用石上实测过程 计算时将实测流量过程概化成个梯级 概化原则是 根据实测洪水过程 涨落变化剧烈处 时步较短 取 变化平缓处时步较长 取 其余时步均介于 之间水位和含沙量也相应作了概化 水位验证 在被概化 的个 流 量级 中 最小流量 为 最大的为沿程分布了个水尺 断面 由于 施测日期在年月下 旬至年 月上旬 因此参照年月平均流量 取最接近于该流量的概化流量级 一 计算 结果与实测水位对比分析以下验证条件皆同计算水 位与同点实测水位如表所列由表可知水位验证效 果较好 误差均在 以下 最小不到 流速分布验证 计算河段中沿程布设 了个测速断面 同样选取 一 流量级下的计算流速与实测值比较 各断面流速计算误差除个别点在 一外 其 余误差在以内 验证效果是比较理 想的 见 附图 表时计算水位与实测水位对比 奋奋熟之之 计算算实测测误差差 水水尺 一 水水尺 一 水水尺 一 水水尺 一 水水尺 口 执杯 以 甲的 之 勺 二 卜 色 勺 止 一加 口胆 丫 聋 叼 附图丰城小港口河段断面流速分布验证 冲淤及分布验证 通过 套绘 丰城一小港 口河 段 年汛前汛 后 实测地形图 并分析计算得知 该河段 年总体处于弱淤积 淤积量仅为万勾绘 冲淤等值线 发现全河段处于微冲微淤 冲淤相间的基 本平衡状态通过本模型动床计算 该河段总的计算淤 积量为万 与实测值十分接近 淤积分布除右 岸若干水利丁坝在高洪水时坝田有部分淤积外 其余 河段微冲微淤 冲淤相间 冲淤分布及数量级与实测结 呆基本相符 模型在赣江整治中的应用 赣江樟树南昌河段全长 有个浅 滩 分为个浅滩群 严重影响枯季航道的贯通 须进行 航道整治 增加航深 提高通航标准全河段分樟树拖 船埠 石上大桥一小港口 龙洲头渡口三段应用所建模 型进行整治方案的分析计算和整治效果的评价 典型年选取 根据石上站一年水沙系列资料 考虑到 最 易出现的一般情况 选取平水年年的水沙资料 作为典型年来水来沙条件 方案计算 本河段的整治工程有疏浚 筑堤和护案 共设计了 种整 治方案 利用所建模型分别计算在整治流量 年 年一遇 设计水文条件下各方案的水位和流 场再分工程建成未调整 工程建成调整一年 工程建 成调整三年三种情况 分别计算各方案在各种设计水 文条件下的水位和流场最后通过两两比较 分析工程 建设前后水力要素的变化 说明整治工程方案的效果 丁坝奎水计算结果丁坝具有奎水作用 工程实施 后是否会奎高洪水位对防洪有多大的影响这不仅 水利部 门极为重视 航运部 门也非常关心 所谓整治工程对 防洪的影响问题 主要在于特大 洪水时是否 因筑坝而明显抬高了水位本文计算了各 种工程方案对整治水位 年 年一遇大洪水水位 的影响 计算结果如表所列在枯水整治水位条件下 各方案的奎水作用十分明显 最大奎水值在 一 之间 而 当发生年一遇 年一遇大洪水时 各方案 的最大塑水值只有 和显然 丁坝对大 洪水的奎水作用十分微弱 产生的奎水值很小 不会对防 洪构成威胁奎水上限值是在河床未调整时的最不利条 件下出现的 若河床经过多年调整 主槽下切 水流归槽 这种童水作用会更小 有的断面由于挖槽和河槽冲深 不 仅没有塞水 反而有所降低计算表明河床经三年调整 后 年一遇大洪水时 最大奎水为一 而年一 遇大洪水时 最大奎水仅为 整治工程对流速 流态的影响 河段整治工程由疏 竣 筑堤 护岸三类工程组成 护岸工程对水流无明显 影响 疏竣工程的挖槽沿原河槽的深弘线布置 也不致 改变原主流流向 反而在枯水期有 吸引水流到航槽的 作用 随着水位升高 这一作用逐渐 减弱直至基本消 失丁坝在枯水期有压缩水流集中到航槽的作用 从而 使边滩 的流速减小 主槽流速增加 水位超过坝顶高程 后 水流越过丁坝流动 这种作用逐渐减小当水位较 高 时 坝顶以上水深很大 丁坝的作用变得很小 水流 衰最大立水范围统计 味味款款 方案方案方案 整整整治水位位年一遇遇年一遇遇整治水位位年一遇遇年一遇遇整治水位位年一遇遇 年一遇 遇 未未经调整整 一一年调整整 三三年调整整 的流态和流速基本上受河槽形 态的控制丁坝的设计 高度和优良河段枯水河槽 的边滩相 当 因此 随着水位 升高丁坝对流态的影响是变小的此外在工程规划中 考虑整 防结合的原则 在某些河段将水流挤 向河槽中 间 使之远离堤岸 这对于保护大堤安全更为有利 利用平面 二维水流泥 沙模型进行方案计算可知 整治工程建成后 在整治水位下 大部分丁坝坝头及丁 坝上下游断面近岸流速较建坝前减小 少数断面坝头及 近岸流速建坝后有所 增大 但增 量不大 在 之间 因此 对两岸边滩影响较小该河段的中 乱流速除少数断面因挖槽而减小外 基本上都是增大的 最大流速增加值在 对冲刷主槽十分有 利 对于年一遇洪水 流速增加较小 最大流速增加值 在之间 而对于年一遇大洪水 最 大流速增加值仅在之间 河床冲淤变化问题本工程规划的整治线位置及 走向与原河道的深槽基本一致 仅 在原深 槽逼近大堤 时 保证流线改走河槽中间 以利河势稳定同时 在可 能迎流顶冲和 易于崩塌的岸滩处进行抛石 护岸 有利 于大堤稳定工程建成后在枯水期整治水位以下浅滩 河段处 深槽首先冲刷 而坝田处首先淤积 从而使深 槽水深增 加 而边滩高程增加 当水位上 涨漫过丁坝 深槽冲刷作用减小 由于螺旋流作用 坝田将继续淤 积 冲淤变化结果逐渐形成高滩深槽的优良河段这不 仅对 航道有利对泄洪也有利各工程方案建成后 一 年 三年调整计算结果完全说明了这一点 整治效果评价 所谓整 治效果是指在枯水整治流量下 由于丁坝 挖槽等整治工程的实施 阻挡水流水面奎高 束窄河宽 水流归槽 淤滩冲槽增加航深的综合效果 计算结果表 明 工程建成后 各种方案在整治水位 时 奎水在一 某些断面 因挖槽及束水攻沙作 用 水位有所下降 表明工程的整治效果是显著的 整治后的三个方 案 的航深基本上都达到了设计 的要求 比较而言 方案对束窄河宽 引水归 槽 冲槽淤滩 增加航深等方面有利 因此 该方案为设 计时的首选方案 岸线变动问题 使得计算域真实反映河流的实际情况 更加有效地求解水流泥沙过程双方程紊流模型可以 较好地模拟坝后回流 网格尺度越小 效果越佳但天 然河流河道较长 所取网格步长不可能很小 这样就可 能平滑 了流速和含沙量的梯度 紊动扩散项在方程中 的作用相对减弱 本文在现有网格尺度下 较好地模拟 了丁坝间的回流 但为了流场分布清晰 打印时纵向每 隔一个断面横向每隔一条流线输出速度场 这样从视 觉上削弱 了回流的作用 计算及分析表 明 航道整治工程中 护岸对水位没 有影响疏浚扩大了河槽过水断面 反而会降低水位 对行洪有利丁坝具有奎水作用 但只有在 中 枯水时 作用才比较明显 在大洪水时 作用微弱甚至消失 对 防洪不会构成威胁整治水位时 丁坝压缩水流使其集 中归槽 改变流 向 中乱流速增大 有利于冲刷主槽增 加航深坝头及近岸流速普遍减 小 少数断面有所增 大 但增量不大 在 一一般情况下 建 有丁坝的滩地都有护滩工程配套设施 因此 由于丁坝 束水引起 的流速流向变化 不会形成对岸线或边滩的 冲刷年一遇以上洪水时 丁坝对流态的作用十分 微弱 工程前后几乎不变 洪水流态主要受河槽形态的 控制 对两岸堤 防的稳定不会产生影响 整治方案实施后 在枯水整治水位下 航深普遍增 加 都能基本满足设计水深 航宽 弯曲半 径的要求 使研究河段通航标准提高到级同 时 满足级 航道通航吨级 船 队 中洪 水 满 载 枯水减载的运输方式 参考文献 结论 采用拟合坐标使计算网格能够较好地贴合复杂河 道边界 正交曲线网格沿河势延伸