长江中游界牌河段过渡段控制工程数值分析研究(陈晓云,高凯春)

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长江中游界牌河段过渡段控制工程数值分析研究

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陈晓云,高凯春
:~m R7Eg&uc1I0(长江航道局)
水利论文8k*f*HSDdC{

摘要:利用数值模拟及分析的方法,针对长江中游界牌河段的水沙特性,通过分析研究结合界牌河段过渡段控制工程的平面二维水沙数值计算,对界牌河段航道整治后计算河段内的冲淤量、航道变化、流速分布、水流平面形态等方面均提出了有价值的研究成果。水利论文{,z8E"}[J Da

关键词:界牌河段;数值模拟水利论文w8\D4Oy-t

作者简介:陈晓云(1952-),女,长江航道局副局长,高级工程师。水利论文`"VMN n

1 前言水利论文~ I S9h;W [

  界牌河段位于武汉上游约180km,河段上起杨林山,下止石码头,全长38km(图1)。水利论文m zcf0s$lxP


bZ Mh.t|0图1 界牌河段河势图水利论文:O'|2o[fdk!Sn
Fig.1 Sketch of Jiepai reach水利论文O8P(tt'hx.]

  界牌河段为一长顺直放宽河道,上段单一,下段分汊。其中杨林山至螺山段呈藕节状,螺山至复粮洲河宽沿程变化不大,左岸为深槽,右岸为边滩,称为上边滩。复粮洲以下河道逐渐展宽并出现江心洲分汊,到新堤附近最大河宽达3400m(含江心洲)。至石码头又收缩为1670m。叶家墩以下展宽段为纵向排列的两江心洲(分别称为新淤洲、南门洲),将河道分成两汊,左汊习称新堤夹,为支汊,右汊为主汊。主流在上边滩尾与新淤洲头之间由左岸向右岸过渡,称为过渡段,在过渡段河床相对凸起,为浅滩之所在。界牌航道整治工程于1994年冬季开工建设,先后完成了鱼嘴护岸1160m、2#~15#丁坝及鱼嘴加固工程等。自航道整治工程实施以来,界牌河段河势在建筑物的控制下逐步向设计所预期的格局调整。原有的一些不利变化趋势受到遏制,根除了过渡段主流大幅度上提下移的条件,同时新堤夹下段明显冲刷,洪湖港进港航道水深有所增加,这为航运、防洪、港口综合效益的发挥提供了前提。根据实施工程中河道调整变化,加上最近连续几年大洪水的影响,上边滩下延,过渡段主流逼近新淤洲洲头,使鱼嘴工程受主流顶冲,安全受到严重威胁,而鱼嘴工程是整个界牌河段航道整治工程的关键控制工程。此外新堤夹分流比有所增加,过渡段航槽进一步弯曲,并向不利方向发展。本文针对上述问题通过河演分析及数值模拟研究,对工程布置、近岸流速等进行必要的计算及分析,为工程方案优化和拟选以及航道整治工程设计提供科学的参考依据。水利论文TbP n&Q:\1sF(g

2 数学模型的建立水利论文\a,v+I vuu!j

2.1 基本方程及数值解法

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2.1.1 基本方程水利论文\2t-Ww;g Q(z

水流连续方程水利论文PH u}0zt_

0Qte!O:l$`H0
(1)

水流运动方程水利论文:R!wv"K4uET&]'G1C

水利论文#C$a'kK-p+[E

(2)

ylc7H7A&x't:f0

水利论文1x7|p$f7[&aNB,ELh

(3)

悬移质输沙方程

q\O3nMI%_ I,B0

V.Id2`X/N7_3v0
(4)

悬移质河床变形方程水利论文_NwoR^K ]0^

水利论文"j9\g m'H

(5)

推移质河床变形方程

aixp)IHm0H2SP0

水利论文[N.v([T sB+Cah

(6)

水流挟沙力公式水利论文+m2M6Pcs*l}lb

水利论文b#z*xPB

(7)

推移质输沙率公式

;OUSPx0Q0

水利论文6^ ~{E4~Y%jk

(8)
式中 h、分别为垂线水深及平均流速,u、v分别为x、y方向的垂线平均流速分量;S、S*分别为垂线平均含沙量及挟沙力;ε为紊动粘滞系数;εs泥沙扩散系数;为单宽推移质输沙率;qssx、qssy分别为x、y方向的悬移质单宽输沙率;qsbx、qsby分别为x、y方向的推移质单宽输沙率。
  由于所研究的问题是相对较长时期的河床冲淤变化,所以在计算中略去了非恒定项

即采用恒定流模型,这样做可节省计算量。

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2.1.2 计算方法水利论文6p|} e6g)}4md

  求解平面二维水沙运动方程的数值方法很多,如有限差分法、有限元法、有限分析法及边界元法等,各种方法各有其优缺点。本项研究根据所研究河段的水沙运动及河床边界特性,提出了一种有限元与差分法混合型计算格式。这种方法的基本思想是先将有关方程式中的对流项作为整体处理,并用有限元法离散,这一点与一般有限元法是一致的,然后通过插值处理,确定对流项的逆风差分格式。这样既可保持有限元法网格灵活、易于模拟不规则河道边界的特点,又保持了逆风差分格式具有较好的数值稳定性的特点。运用模型方程对上述混合型格式进行了较详细的分析论证,结果表明,这种格式是收敛的、稳定的,且具有较高的精度[1]水利论文C6|P*eH

2.2 模型计算中的有关问题

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2.2.1 动边界的处理水利论文/]ej:Q6t]i{'HGM

  在天然河道流场计算过程中,由于将河道非恒定流概化为恒定流,当上游来水发生较大变化时,常引起计算河段内的边界变化,产生动边界问题。本模型在计算中,采用“单元控制法”技术处理动边界问题。

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2.2.2 床沙级配计算方法

9l.G~W3m1P![$L/u3X0

  在泥沙冲淤频繁的河段,由于水流与泥沙的相互作用,致使某组泥沙发生冲刷时,另一组泥沙可能发生淤积。因此,床沙级配的计算应能反映泥沙冲淤交替过程,本模型将计算河段内引入床沙混合活动层概念[2],当某组泥沙发生冲刷时,处在次表层的该组沙将受到扰动,根据扰动强度的大小,确定该层泥沙进入表层参加交换的量。在计算中为了方便,取床沙活动层厚度为实际冲刷厚度加上0.13h,实际计算结果表明,这种处理是可行的。水利论文dCz.evm

2.2.3 糙率

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  在天然河道水力计算中,糙率系数的确定显得尤为重要。由于计算河段内,河床形态复杂且多种多样,床面的摩擦力也难于直接求得。因此,计算河段内糙率的确定,采用河段内水位流量资料反求分段糙率n值。并根据需要按单元、分块调试n值。

H$b%UQw?h0

2.2.4 水流挟沙力、泥沙恢复饱和系数水利论文Qz*^s6{V

  在计算过程中,河段内各节点泥沙恢复饱和系数、垂线水流挟沙力的计算,目前在理论上仍不成熟,常将一维意义下整理的经验关系,直接用于二维模拟。严格的讲,这样的处理不严谨,但如果处理恰当,仍能较好地反映实际河床冲淤变化过程[3]

{?MC ~q0

2.2.5 紊动粘滞系数水利论文5c1Ne.wKq

  由于紊动粘滞系数与水流内部的紊流应力有关,严格的讲,应利用紊流模型确定,但紊流模型计算工作量太大,尚难实际应用。常依靠经验关系确定。在计算过程中,取泥沙扩散系数与水流扩散系数相等,即用0.6u*h计算。水利论文+cY!kG bNd/`

3 数学模型的验证

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  水沙验证计算依据的地形资料是1998年2月、1998年7月、1998年11月、1999年3月施测的1/10000地形图,水位和断面测速资料也是同时施测的。数模验证计算系列为1998年2月至1999年3月,全年划分60个计算时段,进口流量采用螺山站实测流量,进口沙量出口水位分别通过界牌河段实测资料建立输沙率~流量关系曲线和水位~流量关系曲线来确定。数学模型计算的水位(表1)以及河床冲淤变化验证表明,计算值与实测值吻合较好,所建模型是正确、可靠的。

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表1 典型断面计算水位与实测水位比较(黄海高程:m)
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Table 1 Comparision of calculated and measured stages on the typical cross-section水利论文F%Dt6|{!?I


实测水文断面

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1水文断面2水文断面3水文断面4-1水文断面4-2水文断面

数模计算断面号水利论文X9kk,XI(`^s

9684735650

1998年2月实测值19.47019.40019.29019.22019.190
11000m3/s计算值19.47219.43119.28519.21919.194

1998年7月实测值31.47031.42031.36031.25031.240
58000m3/s计算值31.46831.42231.36131.24931.238

1998年11月实测值21.40021.26021.18021.11021.080
15000m3/s计算值21.40321.25821.17421.10821.077

1999年3月实测值15.98015.80015.70015.61015.590
5000m3/s计算值15.97415.80515.70315.60715.594

4 界牌河段过渡段控制工程平面数值分析研究

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4.1 工程方案布置及目的水利论文+TlV&|)f-x;_3I

  目前实施的航道整治工程自鸭栏~螺山以下开始,因此不可能消除螺山边滩的成因。受各方面因素的限制,航道整治工程设计所采用的整治线宽度和整治水位不足以限制螺山边滩的下移,或在其下移过程中将其消化。

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  丁坝工程段属顺直河段,因顺直型河流的特性,尽管其河身保持顺直,但其主流流路依然试图弯曲。螺山边滩的下移使原来沿左岸深槽所形成的顺直流动被深槽内的淤积体改变为弯曲流动。丁坝工程缩窄河宽后,使下移后的螺山边滩保持长条状,增大水流弯曲半径,并使界牌河段上段尽可能接近设计要求的顺直流动。螺山边滩进入上深槽后,界牌河段上段主流向右偏移,使上边滩上段受冲后退。虽然界牌河段在工程治理后过渡段由交错浅滩转化为正常浅滩,但由于螺山边滩下移所形成的曲流对过渡段水流发生了重要影响,而上边滩尾又属缓流区,洪水期淤落的泥沙在枯水期得不到有效冲刷,致使上边滩滩尾逐步下移增大,上边滩滩尾的增大又反过来对中、洪水期水流产生挤压作用,使左侧新堤夹口门分流受到明显影响,洪水时流速显著增大,但由于新堤夹内的河床床面较高,河床阻力较大,在枯水期流速明显减小乃至接近断流。主流及深泓目前已紧靠鱼嘴。针对界牌河段目前的演变特点,相应提出的治理思路主要是调整过渡段,促使分流点上提,使过渡段水流较为平顺,控制和稳定新堤夹分流比,使其界牌治理工程更趋完善。水利论文$??R/d Iz

4.2 计算条件

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  数学模型采用1999年10月长江航道局施测的万分之一水道地形图,作为起始计算地形,水沙条件采用长江委水文局螺山水文站的实测水沙资料,水文年为1982年10月至1983年12月(大水大沙年)。水利论文UD T |];~

4.3 计算河段流速分布及水位水利论文%^FbhimO3y k

4.3.1 断面流速分布水利论文_A Sm%P

  本次数值模拟研究,选择了大水大沙典型年作为水文组合,计算表明,进行过渡段控制工程对其上游的流速分布不会产生影响,在工程前缘,流速值有工程时较无工程时有所增加,左侧流速有工程时较无工程时有所减小,在流量15000m3/s时尤为明显。在新淤洲洲头有、无工程时其断面流速分布略有变化,有工程建筑物时,工程建筑物范围内的流速较无工程时明显减小。左汊新堤夹内的断面流速分布变化不大,新淤洲头右侧在无工程时最大流速值紧靠新淤洲右缘,而有工程时,最大流速值调整为趋中,计算同时还表明,在进行过渡段控制工程后,可使分流点上提,总体上来说,目前提出的各类工程方案均有利于集中水流冲刷过渡段航槽及对高滩鱼嘴的保护。水利论文*U%s S#q;z

4.3.2 平面流速分布

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  本次数值模拟表明,在螺山至上复粮洲顺直段,主流线均由右岸鸭栏附近逐渐过渡到左岸皇堤宫至上复粮洲。随流量级的不同而略有差异。左岸顶冲点随流量的不同,在界牌至复粮洲之间稍有变化,而主流在复粮洲由左岸向右岸中篾洲一带过渡,有工程时与无工程时比较在过渡段各流量级变化稍有不同,有工程的主流线过渡较为平顺。水利论文 lj&c5AsD7K~

4.3.3 建筑物附近及近岸流速变化水利论文9_)W-bU _ A!V+t

  本次数模计算进行了工程建筑物前缘及根部的流速比较。建筑物附近流速随流量的变化而变化,在建筑物头部枯水期流速值最大约为1.544m/s,中部流速约为1.099m/s,尾部流速约为0.822m/s。而随着流量的增大,水流对长顺坝、丁坝的冲刷作用逐渐加强,需加强保护,在建筑物设计时应加以注意。

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  在长顺坝前缘,随着流量的增加,各工程方案的流速变化较小,在整个工程布置尾部流速值随着流量的增加而增加。水利论文"iG;G4OFU

  为了解各级流量下近岸流速的变化,分别计算了不同流量情况下近岸流速(距水沫线40m处)的变化。左岸近岸流速在伍家墩至皇堤宫段有工程时与无工程时变化不甚明显,而在皇堤宫至上复粮洲段有工程时较无工程的近岸流速稍有增加,在流量为15000m3/s时增加最大约为0.23m/s,上复粮洲至新堤段有工程方案较无工程方案的近岸流速略有减小。在枯水期流量时,有、无工程左岸的近岸流速均无明显变化。右岸谷花洲至中篾洲的近岸流速有各级流量下稍有变化,其近岸流速值变幅在0.30~0.73m/s范围内。以流量25000m3/s为界,小于流量25000m3/s时,有工程较无工程的近岸流速略有增加,最大增幅约为0.245m/s,而来流大于25000m3/s时,有工程与无工程的近岸流速相近,而在枯水期,有、无工程此段的近岸流速无明显变化。水利论文 fP#lY`(D

4.3.4 水位变化水利论文3RNy7S`.o!n2O(| w

  本文分别就界牌河段过渡段控制工程在有、无工程的情况下,计算了不同流量级的水位变化,在同级流量情况下,螺山水位最大壅高值约为1.04cm(相应流量为:25000m3/s),因此,总体上来说,界牌河段采取上述过渡段调整工程对螺山水位的影响不大。水利论文OA~^5_T(`b

4.4 冲淤量及航道变化水利论文B ?4|*rJ7i4sR8o(t

  数值模拟的冲淤计算表明,经过1983年大水大沙年的水沙作用后,计算河段由于受河势的影响,天然情况下河段整治工程范围内冲淤量及变幅均不大,就整个计算河段而言,过渡段控制工程对计算河段整体的冲淤并无多大的影响,因而工程对河势无影响。年际间及退水过程和枯水期计算河段的冲淤幅度变化也不大从冲淤量上来看,采取工程措施后无论从退水冲刷过程,还是枯水期的冲刷,过渡段的冲刷效果均较好,计算同时还表明,工程治理前,计算河段过渡段深泓紧贴高滩鱼嘴,进行了工程治理后,过渡段深泓较明显地偏离高滩鱼嘴。与此同时,采取工程措施后新堤夹分流得到了一定的控制及相应的减小,中、洪水期分流约为26.0%左右(相应水位黄海高程24m),由于新堤夹分流减小,更进一步加强了过渡段的冲刷,有利于过渡段航槽的发展。

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5 结论

g.D7ZXC.Z0

  本文针对计算河段的特性,建立了相应的数学模型,模型验证表明,所建模式是能够反映计算河段水沙特性的。应用所建模型进行了界牌河段过渡段控制工程的平面二维水沙数学模型计算,对在河道进行航道整治后计算河段内的冲淤量、航道变化、流速分布、水流平面形态等均有一定的认识。根据数值模拟结果得出主要结论如下:水利论文 e C&a4AHa

  (1)界牌河段受螺山边滩下移及上边滩滩尾淤积的影响,枯水期过渡段紧逼鱼嘴洲头,而进行航道整治工程后,过渡段情况有较明显的好转。

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  (2)计算表明,界牌水道过渡段调整工程不影响河势条件现状,近岸流速变化不大,螺山水位最大抬高值约为1.04cm(相应流量25000m3/s)。

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  (3)本次计算表明,计算河段在采取工程措施后,能使过渡段分流点上提,有利于过渡段的冲刷。

IS0r7f r9Z,Z0

参考文献

;] hd(]#S9k0

[1]高凯春。河流平面二维水流的杂交有限元法。水运工程,1994,(4).

2}7h8ELBhG/X0

[2]李义天,胡海明。床沙混合活动层厚度计算方法探讨。泥沙研究,1994,(1).

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[3]李义天,谢鉴衡。冲积河道平面流动的数值模拟。水利学报,1986,(3).水利论文 tg$kI!S5j

TAG: 长江 河段 陈晓云 数值分析 界牌
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