周倩倩，楊勝發(fā)，鄧 懿

(重慶交通大學(xué) a.國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心；b.水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

王家灘航道整治方案數(shù)學(xué)模型研究

周倩倩a,b，楊勝發(fā)a,b，鄧 懿a,b

(重慶交通大學(xué) a.國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心；b.水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

為對(duì)王家灘河段進(jìn)行航道整治，針對(duì)其河勢(shì)及灘情，提出2種炸礁方案：炸礁方式為從炸礁基線起向河心側(cè)的礁石炸低至設(shè)計(jì)底高程，采用1∶1邊坡，與原炸礁方案一致，總計(jì)炸礁量約為14.04萬m3；2級(jí)平臺(tái)采用1∶0.5的邊坡自然銜接，從炸礁基線起向河心側(cè)的礁石炸低至設(shè)計(jì)底高程，近岸炸礁邊坡也為1∶0.5，總計(jì)炸礁量約為16.81萬m3。借助二維數(shù)學(xué)模型對(duì)2種方案進(jìn)行驗(yàn)證比較。通過分析得出：炸礁方案采用2級(jí)階梯，航道邊界30 m以內(nèi)的部分按照4.2 m水深炸除，其余部分按照3.7 m炸除，可以消除淺水平臺(tái)不良流態(tài)影響。方案實(shí)施后，2級(jí)平臺(tái)水深增加了0.5 m，且可供船舶行駛的平臺(tái)范圍增大，3 000 t級(jí)船舶可在2級(jí)平臺(tái)上行駛。該方案將目前船舶航行路線右移拉直，拓寬了航槽，大幅改善了船舶航行條件。

王家灘；航道整治；炸礁；數(shù)學(xué)模型；3 000 t級(jí)船舶

1 灘險(xiǎn)概況

王家灘位于長江上游航道里程587 km附近，河段上游航道順直寬敞，航行條件較好。下游為一淺灘河段。忠水磧縱臥河心，分漕為二，南漕為王家灘，是川江著名的淺窄、彎曲、流急航道。左側(cè)有白鷺嘴、田家灘、騎馬橋石梁挑流；右側(cè)有灶門子、肖家石盤等石梁夾擊水流。肖家石盤、餓狗堆、鰻魚石位于忠水磧頭部的右岸，為3個(gè)近鄰的礁石堆，橫臥于江邊，伸出岸邊長度達(dá)280 m，使該處航道彎曲半徑僅820 m。磨盤石至碓石子沿岸礁石與左邊忠水磧相對(duì)，航道狹窄。王家灘河段河勢(shì)及灘情如圖1所示。

圖1 王家灘灘情及河勢(shì)Fig.1 River regime of Wangjiatan

該河段上游主流偏向南岸，經(jīng)灶門子石梁挑流偏向北岸，受北岸騎馬橋等礁石阻礙挑向肖家石盤，受其頂沖夾擊產(chǎn)生挑流、強(qiáng)烈泡漩、剪刀水。鰻魚石、磨盤石等石梁淹沒不能過船時(shí)滑梁，有回流水，同時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的滑梁水等不良流態(tài)，妨礙上下行船舶順利進(jìn)出南北槽航行[1]。為改善本河段的通航條件，在2006年的“涪銅段”炸礁工程中對(duì)肖家石盤、鰻魚石和出口段的磨盤石等礁石突嘴進(jìn)行了炸除。

有關(guān)模型試驗(yàn)研究揭示，三峽水庫175 m蓄水后，忠水磧北槽將發(fā)生淤積，主要依靠南槽通航，忠水磧因累積性淤積而向右伸展擠占南槽航寬，迫使南槽右移，導(dǎo)致進(jìn)口段肖家石盤、鰻魚石和出口段的磨盤石、碓石子等礁石突嘴進(jìn)入南槽航道中，不能達(dá)到要求的航道寬度，礙航狀況嚴(yán)重[2]。

2 目前存在的問題

2.1 設(shè)計(jì)水位變化引起航道尺度不足

肖家石盤、鰻魚石和出口段的磨盤石等礁石突嘴在2006年“涪銅段”炸礁工程中進(jìn)行了炸除，175 m蓄水以來，王家灘進(jìn)口處的肖家石盤、鰻魚石以及出口處的磨盤石等礁石，伸入江中致使設(shè)計(jì)水深不能滿足規(guī)劃航道要求[3]，按照3.5 m×150 m航道尺度標(biāo)準(zhǔn)，3.5 m水深有效航寬在鰻魚石位置僅有50 m左右，因而需要進(jìn)行繼續(xù)炸深。

2.2 忠水磧磧翅泥沙淤積引起的航道尺度不足

從最新的測(cè)圖來看，忠水磧磧翅泥沙有向航槽內(nèi)淤積的趨勢(shì)，目前，在設(shè)計(jì)最低通航水位下，航道內(nèi)距離航道左邊界有最大寬度約48 m的范圍不能滿足3.5 m水深。

2.3 枯水流態(tài)

王家灘河段屬于枯水灘群，由于該河段兩岸石盤、石梁突出，河底礁石高低不平，尤其是肖家石盤進(jìn)口至鰻魚石，航槽內(nèi)存在大范圍的與航線夾角較大的斜流，加上沿程水深變化較大，無法沿鰻魚石右岸航行，導(dǎo)致航路彎曲，航槽狹窄，影響了原方案效果。

3 炸礁方案布置

3.1 方案1

2006年涪銅段炸礁曾對(duì)該處部分礁石進(jìn)行了炸除，由于目前水深不能滿足要求，本次對(duì)江中的磨盤石、肖家石盤和碓子石3處礁石按照原炸礁基線位置，繼續(xù)加深炸至設(shè)計(jì)要求的水深并減弱挑流強(qiáng)度，擴(kuò)寬航槽，滿足船舶安全航行的需要。

該河段設(shè)計(jì)最低通航水位為150.19 m，設(shè)計(jì)炸礁水深取3.7 m，炸礁底部高程為146.49 m。總計(jì)炸礁量約為14.04萬m3。

炸礁方式為從炸礁基線起向河心側(cè)的礁石炸低至設(shè)計(jì)底高程，采用1∶1邊坡，與原炸礁方案一致。

表1 二維水位驗(yàn)證成果Table 1 Result of two-dimensional water level verification m

3.2 方案2

考慮到進(jìn)口肖家石盤、鰻魚石及磨盤石出口處深入江中70 m有余，占據(jù)航槽近一半，若實(shí)施方案1，將炸成較寬平臺(tái)。由于3.7 m水深仍然屬于淺水區(qū)域，且這種范圍較大的平臺(tái)上水流流速突然增大，無法保證船舶安全行駛，失去了炸礁的意義。因此，考慮選擇2級(jí)平臺(tái)的炸礁方式。

進(jìn)口肖家石盤及出口磨盤石分別以基線處向河心方向35 m內(nèi)范圍作為1級(jí)平臺(tái)，炸礁深度取設(shè)計(jì)水深3.7 m；基線處向河心內(nèi)35 m以外部分為2級(jí)平臺(tái)，炸礁深度在3.7 m水深的基礎(chǔ)上，多考慮0.5 m的富裕水深，即為4.2 m。

進(jìn)口肖家石盤處設(shè)計(jì)最低通航水位為150.62 m，1級(jí)平臺(tái)炸礁底高程為146.92 m，2級(jí)平臺(tái)炸礁底高程為146.42 m；出口磨盤石的設(shè)計(jì)最低通航水位為150.19 m，1級(jí)平臺(tái)炸礁底高程為146.49 m，2級(jí)平臺(tái)炸礁底高程為145.99 m。

2級(jí)平臺(tái)采用1∶0.5的邊坡自然銜接，從炸礁基線起向河心側(cè)的礁石炸低至設(shè)計(jì)底高程，近岸炸礁邊坡也為1∶0.5?？傆?jì)炸礁量約為16.81萬m3。

4 炸礁方案論證

采用平面二維數(shù)學(xué)模型(簡稱“數(shù)?！?對(duì)王家灘2個(gè)炸礁方案進(jìn)行了論證研究。

4.1 二維數(shù)模建立

王家灘河段二維數(shù)學(xué)模型模擬范圍上起灶門子，下至碼頭磧，航道里程583～590 km，長約7 km。在該河段內(nèi)共計(jì)布置53 605個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格間距約為50～20 m。其中對(duì)王家灘測(cè)量有1∶500局部地形的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格間距約為5 m。王家灘河段二維數(shù)模網(wǎng)格平面布置[4]如圖2所示。

圖2 王家灘二維數(shù)模網(wǎng)格Fig.2 Two-dimensional mathematical model grids of Wangjiatan

4.2 二維數(shù)模的驗(yàn)證

本模型對(duì)該河段的水位和流速分布進(jìn)行了驗(yàn)證。建模河道地形取自2012年5月實(shí)測(cè)的工程河段河床地形圖，以河道地形測(cè)量時(shí)實(shí)測(cè)水面線、流速、流向資料為模型驗(yàn)證資料(該河段入流流量Q=5 520 m3/s)。

4.2.1 水位驗(yàn)證

表1比較Q=5 520 m3/s時(shí)沿程水位的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，二者符合程度較高，二者最大差值僅0.051 m，吻合較好。

4.2.2 流速驗(yàn)證

應(yīng)用水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)Q=5 520 m3/s進(jìn)行斷面流速驗(yàn)證，流速驗(yàn)證斷面布置見圖3。

圖3 王家灘流速驗(yàn)證斷面布置

Fig.3 Cross section layout for flow velocity verification

二維數(shù)模計(jì)算的流速大小和分布均與實(shí)測(cè)資料較為一致(圖4)，各測(cè)點(diǎn)流速的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的差值多在±0.1 m/s內(nèi)，最大誤差不超過±0.20 m/s，偏差均在±10%以內(nèi)。

圖4 王家灘二維數(shù)模流速驗(yàn)證成果

Fig.4 Flow velocity verification by two-dimensional mathematical model

表3 炸礁方案實(shí)施后不同流量下肖家石盤航槽水位變化Table 3 Variation of water level with flow rate in the navigation channel of Xiaojiashipan afterthe implementation of rock blasting scheme m

4.2.3 模型驗(yàn)證小結(jié)

采用有限元法二維水流數(shù)學(xué)模型可克服模擬復(fù)雜河道邊界形狀的困難。通過工程址區(qū)河段水位及流速驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與天然實(shí)測(cè)資料較為一致。說明二維水流數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)值計(jì)算方法合理，能正確模擬實(shí)際河道的水流運(yùn)動(dòng)，可進(jìn)行下一步的方案論證計(jì)算[5]。

4.3 數(shù)模計(jì)算條件

為研究2個(gè)炸礁方案實(shí)施后該河段的航道條件變化情況，選取不同水位期的4級(jí)流量進(jìn)行計(jì)算分析，壩前水位及流量組合見表2。

在工程方面的組合考慮3種情況：方案前、方案1、方案2。

表2 王家灘炸礁方案二計(jì)算水流條件控制Table 2 Water level and flow condition forthe computation of rock blasting scheme 2 for Wangjiatan

二維數(shù)模計(jì)算考慮了4級(jí)流量及3種工況，共進(jìn)行12個(gè)組次的計(jì)算。

4.4 數(shù)模計(jì)算結(jié)果分析

圖5和表3、表4統(tǒng)計(jì)了2個(gè)炸礁方案實(shí)施后航槽內(nèi)水流變化值和斷面平均流速變化值。位置均為二級(jí)平臺(tái)外側(cè)15 m處。

圖5 炸礁方案實(shí)施后肖家石盤航槽內(nèi)水位、水流變化

Fig.5 Variation of water level and flow velocity in the navigation channel of Xiaojiashipan after the implementation of rock blasting scheme

圖5分析可見，由于2006年炸礁方案實(shí)施后王家灘的肖家石盤已經(jīng)形成了大面積的淺水平臺(tái)，在最低通航水位時(shí)，平臺(tái)上水流流速相對(duì)較大，且水面存在波浪狀起伏，流態(tài)較壞，因而在低水位時(shí)船舶并不能通過該平臺(tái)。

2個(gè)炸礁方案實(shí)施后，均對(duì)平臺(tái)上的流態(tài)有所改善，從2級(jí)平臺(tái)基線15 m位置沿程水位及流速變化來看，盡管水位有所降低，但水面的波浪基本消除，局部比降減小，沿程流速分布更加均勻。且方案2采用了分級(jí)炸礁，形成了灘槽的形狀，其流態(tài)改善幅度更大。同時(shí)，從流場(chǎng)分布圖6可見，炸礁方案實(shí)施后航槽內(nèi)的水流流向有明顯改善，回流消失，水流與航槽夾角更小。

表4 炸礁方案實(shí)施后不同流量下肖家石盤航槽流速變化Table 4 Variation of flow velocity with flow rate in the navigation channel of Xiaojiashipan afterthe implementation of rock blasting scheme m/s

而隨著流量增大、水位升高、航槽水深增加，航道條件逐漸改善，炸礁方案對(duì)高水位時(shí)所起作用不大。

在最低通航水位時(shí)，方案1、方案2均造成灘面上水位有所跌落，其中平均水位的最大跌落值分別為0.017，0.014 m，但總體來看，均滿足最低通航水位下航道尺度要求。

圖6 炸礁方案實(shí)施前后磨盤石航槽內(nèi)流場(chǎng)分布對(duì)比Fig.6 Flow field distribution in the navigation channel of Mopanshi before and after the implementation of rock blasting scheme

5 結(jié) 論

王家灘河段在低水位期航道條件復(fù)雜，鰻魚石、肖家石盤為大塊的淺水平臺(tái)，均給行船帶來巨大危害。數(shù)模計(jì)算結(jié)果分析表明，2個(gè)炸礁方案實(shí)施后，對(duì)王家灘河段規(guī)劃航槽內(nèi)的通航條件均有所改善，規(guī)劃航槽尺度足以得到保證。但考慮到方案1實(shí)施后，礁石上水深不足3.7 m，無法保證3 000 t級(jí)船舶的安全行駛，因而有效航寬并未增加，失去了炸礁意義；而方案2采用2級(jí)階梯，航道邊界30 m以內(nèi)的部分按照4.2 m水深炸除，其余部分按照3.7 m炸除，可消除淺水平臺(tái)不良流態(tài)影響。該方案將目前船舶航行路線右移拉直，拓寬了航槽，同時(shí)方案2的炸礁工程量較方案1增加不多，故選方案2為推薦方案。

[1] 戴會(huì)超，王玲玲，蔣定國.三峽水庫蓄水前后長江上游近期水沙變化趨勢(shì)[J].水利學(xué)報(bào)，2007,(增1)：226-231. (DAI Hui-chao, WANG Ling-ling, JIANG Ding-guo. Near-term Water Flow and Silt Concentration Variation Trend of Yangtze River Before and After Impounding of Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007,(Sup.1)：226-231. (in Chinese))

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[5] 李 健.河道采砂影響的數(shù)值模擬研究[D].武漢：長江科學(xué)院，2008.(LI Jian. Numerical Simulation on River Sand Extraction Effect[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2008. (in Chinese))

(編輯：姜小蘭)

Study on Waterway Regulation for Wangjiatan by Mathematical Model

ZHOU Qian-qian1,2, YANG Sheng-fa1,2, DENG Yi1,2

(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China; 2.Key Laboratory of Hydraulic & Waterway Engineering of the Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China)

Two reef-blasting schemes are proposed according to Wangjiatan river regime and beach conditions. By using a two-dimensional mathematical model, the two schemes are compared and analyzed.Two-step platform should be adopted in the reef-blasting project. The reef part within 30m of the channel boundary should be blasted until the water depth reaches 4.2m, and the rest blasted to 3.7m so that the undesirable flow patterns affected by shallow water platform could be eliminated. After the implementation of the project, the water depth of the second flat increased by 0.5m, the platform for navigation is widened, and the second platform is accessible for 3 000-ton ship. The ship sailing route moves towards the right and straightens, and the navigation channel is widened, which greatly improves the navigation condition.

Wangjiatan; waterway regulation; reef-blasting; mathematical model; 3 000t ship

2013-10-10；

2013-11-01

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB05B03);2014年重慶交通大學(xué)重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYS14160)

周倩倩(1989-),女,安徽宿州人，碩士研究生, 研究方向?yàn)楹哟惭葑兗昂降勒渭夹g(shù)，(電話)18883861416(電子郵箱)524893900@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.001

U617

A

1001-5485(2015)02-0001-04

2015,32(02):1-4，10