胡家滩航道整治方案数学模型推演

    李德华

    摘 要：根据重庆主城河段航道条件和水动力条件变化规律，结合航道整治原则及整治目标，对胡家滩提出的整治方案进行二维水流数值模拟计算。通过对航槽冲淤变化及各断面输沙强度变化分析，航槽回淤量甚微，不易出现新的卵石滩险，整治效果比较稳定。

    关键词：弯曲河流 二维数学模型 航道整治

    胡家滩水道位于长江上游重庆市巴南区河段，航道里程从675km至681km。该河段内航槽流态较为紊乱，多处出现泡漩水，水动力轴线与航槽中轴线偏角达到20°，边滩由于复杂的平面形态多处有回流、乱流现象，航道条件十分恶劣。根据《长江干线航道总体规划纲要》，到2020年，该河段航道等级为Ⅰ级，航道尺度3.5m×150m×1000m，目前该河段维持2.7m×50m×560m的Ⅲ级航道标准都困难，因此该河段的航道整治工程十分必要。为反映航道整治工程实施前后，水流条件改善效果，应用二维数学模型进行验算，为整治方案提供一定的理论依据。

    数学模型建立

    1、控制方程

    采用沿水深平均的封闭浅水方程组描述二维水流运动，基本控制方程为

    2、边界条件

    2.1初始条件

    2.2开边界

    3、控制断面选取与模型验证

    胡家滩下游0.85公里处有落中子水位站，上游12公里左右为钓二嘴水位站，选取这两个水位站，作为二维数学模型进出口的控制条件。计算水位与实测水位基本一致，大多数验证水尺的水位误差都小于0.1m，从沿程水位线的坡降分布来看，计算值也与实测值较为吻合，达到了相似要求。计算流速与实测值变化趋势基本一致。

    整治方案布置

    1、整治基本原则

    针对整治河段的滩险特性，提出如下整治原则：① 因势利导，充分利用河道有利条件，综合考虑河势、河床特征及水沙运动规律，确定投资省、效果好的航道整治方案。②筑坝和炸礁相结合，合理布置疏浚挖槽和整治建筑物，充分发挥整治建筑物在三峡水库蓄水前和消落期束水导流和改善泥沙分布的作用。③综合考虑整治工程对上下游河段的影响，避免滩险整治后，其上、下游河段又出现新的碍航滩险。

    2、整治平面布置

    在胡家滩滩头外侧筑洲头坝（见图1），为适应左岸主槽走势，坝体分为两段，上段长420m，下段长385m，两段坝体均基本与疏浚挖槽右边界平行，夹角约10°，坝顶高程为设计水位以上4.0m（高程170.60m）。疏浚范围由洲头坝坝头的牛草沟至胡家滩滩尾，平面形态为不规则多边形，疏浚面积89000m2。

    右岸布置1、2、3号丁顺坝，其中1号丁顺坝，顺坝部分L1长100m，勾头部分L2长140m，夹角约141°，顺坝部分轴线与航槽轴线夹角约25°。2号丁顺坝，顺坝部分L1长120m，勾头部分L2长160m，夹角约132°，顺坝部分轴线与航槽轴线夹角约23°。3号丁顺坝，顺坝部分L1长140m，勾头部分L2长65m，夹角约141°，顺坝部分轴线与航槽轴线夹角约25°。

    3、结构设计

    坝体为抛石结构，坝顶宽3m，高程170.60m，平坡，两侧边坡均为1：2，坝头坡为1：4，坝尾坡为1：3。挖槽设计水深3.7m（挖槽后河床底高程162.90m），挖槽边坡1：3。坝体为抛石结构，坝头顶部高程为设计水位以上3.0m（1、2、3号丁顺坝高程分别为169.60m、169.50m、169.40m），宽10m，坝顶纵坡为1：140，两侧边坡为1：1.5，坝头坡为1：1.5，坝尾坡为1：1.5。

    结果分析

    1、整治水位下航道条件变化

    1.1流场变化

    整治前，胡家滩河段航槽水浅、流速大，航槽右侧水流散乱流向右岸的倒钩碛，整治后，该河段右岸水流受丁坝引导，流向线向主流方向偏转，趋向航槽流动，1、2、3号丁坝附近水流流速下降，坝后水流明显减小，边滩水流归槽，航槽内水深增加，流速放缓，整个河段内水流结构分布更为平顺，流态有所改善。

    1.2最大局部比降和最大流速组合

    从上表可知，整治后断面因丁坝引导、大量水流汇入主槽引起最大流速升高，断面最大局部水面比降、最大流速、都呈下降趋势，可见整治后水流流态更加平顺，航道条件有所改善。

    2、整治效果稳定性分析

    2.1航槽冲淤变化

    输沙带的分布与流速分布密切相关，且断面局部位置输沙强度的大小取决于其流速大小。

    由图2可知，在整治流量下，整治后，断面流速分布与整治前基本一致，因此可认为在上游来流量相同的情况下，整治后主城河段的输沙带分布与整治前大致相同，不会发生较大变化，航槽内不会因为输沙带分布的变动而产生大量淤积。同时，由于重庆主城河段航槽基本位于输沙带，因此如果航槽内地形边界、水流条件的变化较大将迫使水流结构调整，导致新的冲淤平衡。

    整治区域航槽底部因疏浚高程降低，水深增加，流速下降，而航槽外侧的丁坝束窄河段，减小过水面积，加大流速，两者综合作用后航槽内的流速较整治前略有减小（表2），导致航槽内水流输沙强度略有下降，但航槽流速、输沙强度下降幅度不大，不会导致大量泥沙落淤。

    2.2各断面输沙强度变化

    在同一级流量下，断面的输沙能力与断面平均水深及平均流速的乘积值成正比，将整治流量下整治方案前后胡家滩断面的值变化列于表3。

    表3 整治流量下整治前后值变化

    从表3可看出，在整治流量下，整治后断面的水深略有增加，变化幅度非常小，加上重庆主城河段河床大都由坚硬的基岩组成，岩性稳定，不易冲刷变形，因此可认为主城河段采用该整治方案后，各断面输沙强度变化不大，不容易出现某些断面因输沙强度变化较大而引起河床形态重大调整，导致新的碍航滩险。

    结论

    整治后，各滩险航槽内水位上升、流速下降、水面比降放缓，船舶的自行上滩通航水力指标下降，航道尺度均达到Ⅰ级航道标准（3.5m×150m×1000m）。航道条件大有改善，整治效果良好。

    通过分析整治前后水动力条件变化，认为整治后输沙带分布不会发生变化，航槽内的流速、水面比降、输沙强度均略有减小，但下降幅度不大，不会引起航槽内大量落淤，各断面输沙强度有增有减，均为小幅变动，不容易引起河床重大变化，从而出现新的卵石滩险。因此可认为整治效果比较稳定。

    （作者单位：重庆交通大学河海学院）

    摘 要：根据重庆主城河段航道条件和水动力条件变化规律，结合航道整治原则及整治目标，对胡家滩提出的整治方案进行二维水流数值模拟计算。通过对航槽冲淤变化及各断面输沙强度变化分析，航槽回淤量甚微，不易出现新的卵石滩险，整治效果比较稳定。

    关键词：弯曲河流 二维数学模型 航道整治

    胡家滩水道位于长江上游重庆市巴南区河段，航道里程从675km至681km。该河段内航槽流态较为紊乱，多处出现泡漩水，水动力轴线与航槽中轴线偏角达到20°，边滩由于复杂的平面形态多处有回流、乱流现象，航道条件十分恶劣。根据《长江干线航道总体规划纲要》，到2020年，该河段航道等级为Ⅰ级，航道尺度3.5m×150m×1000m，目前该河段维持2.7m×50m×560m的Ⅲ级航道标准都困难，因此该河段的航道整治工程十分必要。为反映航道整治工程实施前后，水流条件改善效果，应用二维数学模型进行验算，为整治方案提供一定的理论依据。

    数学模型建立

    1、控制方程

    采用沿水深平均的封闭浅水方程组描述二维水流运动，基本控制方程为

    2、边界条件

    2.1初始条件

    2.2开边界

    3、控制断面选取与模型验证

    胡家滩下游0.85公里处有落中子水位站，上游12公里左右为钓二嘴水位站，选取这两个水位站，作为二维数学模型进出口的控制条件。计算水位与实测水位基本一致，大多数验证水尺的水位误差都小于0.1m，从沿程水位线的坡降分布来看，计算值也与实测值较为吻合，达到了相似要求。计算流速与实测值变化趋势基本一致。

    整治方案布置

    1、整治基本原则

    针对整治河段的滩险特性，提出如下整治原则：① 因势利导，充分利用河道有利条件，综合考虑河势、河床特征及水沙运动规律，确定投资省、效果好的航道整治方案。②筑坝和炸礁相结合，合理布置疏浚挖槽和整治建筑物，充分发挥整治建筑物在三峡水库蓄水前和消落期束水导流和改善泥沙分布的作用。③综合考虑整治工程对上下游河段的影响，避免滩险整治后，其上、下游河段又出现新的碍航滩险。

    2、整治平面布置

    在胡家滩滩头外侧筑洲头坝（见图1），为适应左岸主槽走势，坝体分为两段，上段长420m，下段长385m，两段坝体均基本与疏浚挖槽右边界平行，夹角约10°，坝顶高程为设计水位以上4.0m（高程170.60m）。疏浚范围由洲头坝坝头的牛草沟至胡家滩滩尾，平面形态为不规则多边形，疏浚面积89000m2。

    右岸布置1、2、3号丁顺坝，其中1号丁顺坝，顺坝部分L1长100m，勾头部分L2长140m，夹角约141°，顺坝部分轴线与航槽轴线夹角约25°。2号丁顺坝，顺坝部分L1长120m，勾头部分L2长160m，夹角约132°，顺坝部分轴线与航槽轴线夹角约23°。3号丁顺坝，顺坝部分L1长140m，勾头部分L2长65m，夹角约141°，顺坝部分轴线与航槽轴线夹角约25°。

    3、结构设计

    坝体为抛石结构，坝顶宽3m，高程170.60m，平坡，两侧边坡均为1：2，坝头坡为1：4，坝尾坡为1：3。挖槽设计水深3.7m（挖槽后河床底高程162.90m），挖槽边坡1：3。坝体为抛石结构，坝头顶部高程为设计水位以上3.0m（1、2、3号丁顺坝高程分别为169.60m、169.50m、169.40m），宽10m，坝顶纵坡为1：140，两侧边坡为1：1.5，坝头坡为1：1.5，坝尾坡为1：1.5。

    结果分析

    1、整治水位下航道条件变化

    1.1流场变化

    整治前，胡家滩河段航槽水浅、流速大，航槽右侧水流散乱流向右岸的倒钩碛，整治后，该河段右岸水流受丁坝引导，流向线向主流方向偏转，趋向航槽流动，1、2、3号丁坝附近水流流速下降，坝后水流明显减小，边滩水流归槽，航槽内水深增加，流速放缓，整个河段内水流结构分布更为平顺，流态有所改善。

    1.2最大局部比降和最大流速组合

    从上表可知，整治后断面因丁坝引导、大量水流汇入主槽引起最大流速升高，断面最大局部水面比降、最大流速、都呈下降趋势，可见整治后水流流态更加平顺，航道条件有所改善。

    2、整治效果稳定性分析

    2.1航槽冲淤变化

    输沙带的分布与流速分布密切相关，且断面局部位置输沙强度的大小取决于其流速大小。

    由图2可知，在整治流量下，整治后，断面流速分布与整治前基本一致，因此可认为在上游来流量相同的情况下，整治后主城河段的输沙带分布与整治前大致相同，不会发生较大变化，航槽内不会因为输沙带分布的变动而产生大量淤积。同时，由于重庆主城河段航槽基本位于输沙带，因此如果航槽内地形边界、水流条件的变化较大将迫使水流结构调整，导致新的冲淤平衡。

    整治区域航槽底部因疏浚高程降低，水深增加，流速下降，而航槽外侧的丁坝束窄河段，减小过水面积，加大流速，两者综合作用后航槽内的流速较整治前略有减小（表2），导致航槽内水流输沙强度略有下降，但航槽流速、输沙强度下降幅度不大，不会导致大量泥沙落淤。

    2.2各断面输沙强度变化

    在同一级流量下，断面的输沙能力与断面平均水深及平均流速的乘积值成正比，将整治流量下整治方案前后胡家滩断面的值变化列于表3。

    表3 整治流量下整治前后值变化

    从表3可看出，在整治流量下，整治后断面的水深略有增加，变化幅度非常小，加上重庆主城河段河床大都由坚硬的基岩组成，岩性稳定，不易冲刷变形，因此可认为主城河段采用该整治方案后，各断面输沙强度变化不大，不容易出现某些断面因输沙强度变化较大而引起河床形态重大调整，导致新的碍航滩险。

    结论

    整治后，各滩险航槽内水位上升、流速下降、水面比降放缓，船舶的自行上滩通航水力指标下降，航道尺度均达到Ⅰ级航道标准（3.5m×150m×1000m）。航道条件大有改善，整治效果良好。

    通过分析整治前后水动力条件变化，认为整治后输沙带分布不会发生变化，航槽内的流速、水面比降、输沙强度均略有减小，但下降幅度不大，不会引起航槽内大量落淤，各断面输沙强度有增有减，均为小幅变动，不容易引起河床重大变化，从而出现新的卵石滩险。因此可认为整治效果比较稳定。

    （作者单位：重庆交通大学河海学院）

    摘 要：根据重庆主城河段航道条件和水动力条件变化规律，结合航道整治原则及整治目标，对胡家滩提出的整治方案进行二维水流数值模拟计算。通过对航槽冲淤变化及各断面输沙强度变化分析，航槽回淤量甚微，不易出现新的卵石滩险，整治效果比较稳定。

    关键词：弯曲河流 二维数学模型 航道整治

    胡家滩水道位于长江上游重庆市巴南区河段，航道里程从675km至681km。该河段内航槽流态较为紊乱，多处出现泡漩水，水动力轴线与航槽中轴线偏角达到20°，边滩由于复杂的平面形态多处有回流、乱流现象，航道条件十分恶劣。根据《长江干线航道总体规划纲要》，到2020年，该河段航道等级为Ⅰ级，航道尺度3.5m×150m×1000m，目前该河段维持2.7m×50m×560m的Ⅲ级航道标准都困难，因此该河段的航道整治工程十分必要。为反映航道整治工程实施前后，水流条件改善效果，应用二维数学模型进行验算，为整治方案提供一定的理论依据。

    数学模型建立

    1、控制方程

    采用沿水深平均的封闭浅水方程组描述二维水流运动，基本控制方程为

    2、边界条件

    2.1初始条件

    2.2开边界

    3、控制断面选取与模型验证

    胡家滩下游0.85公里处有落中子水位站，上游12公里左右为钓二嘴水位站，选取这两个水位站，作为二维数学模型进出口的控制条件。计算水位与实测水位基本一致，大多数验证水尺的水位误差都小于0.1m，从沿程水位线的坡降分布来看，计算值也与实测值较为吻合，达到了相似要求。计算流速与实测值变化趋势基本一致。

    整治方案布置

    1、整治基本原则

    针对整治河段的滩险特性，提出如下整治原则：① 因势利导，充分利用河道有利条件，综合考虑河势、河床特征及水沙运动规律，确定投资省、效果好的航道整治方案。②筑坝和炸礁相结合，合理布置疏浚挖槽和整治建筑物，充分发挥整治建筑物在三峡水库蓄水前和消落期束水导流和改善泥沙分布的作用。③综合考虑整治工程对上下游河段的影响，避免滩险整治后，其上、下游河段又出现新的碍航滩险。

    2、整治平面布置

    在胡家滩滩头外侧筑洲头坝（见图1），为适应左岸主槽走势，坝体分为两段，上段长420m，下段长385m，两段坝体均基本与疏浚挖槽右边界平行，夹角约10°，坝顶高程为设计水位以上4.0m（高程170.60m）。疏浚范围由洲头坝坝头的牛草沟至胡家滩滩尾，平面形态为不规则多边形，疏浚面积89000m2。

    右岸布置1、2、3号丁顺坝，其中1号丁顺坝，顺坝部分L1长100m，勾头部分L2长140m，夹角约141°，顺坝部分轴线与航槽轴线夹角约25°。2号丁顺坝，顺坝部分L1长120m，勾头部分L2长160m，夹角约132°，顺坝部分轴线与航槽轴线夹角约23°。3号丁顺坝，顺坝部分L1长140m，勾头部分L2长65m，夹角约141°，顺坝部分轴线与航槽轴线夹角约25°。

    3、结构设计

    坝体为抛石结构，坝顶宽3m，高程170.60m，平坡，两侧边坡均为1：2，坝头坡为1：4，坝尾坡为1：3。挖槽设计水深3.7m（挖槽后河床底高程162.90m），挖槽边坡1：3。坝体为抛石结构，坝头顶部高程为设计水位以上3.0m（1、2、3号丁顺坝高程分别为169.60m、169.50m、169.40m），宽10m，坝顶纵坡为1：140，两侧边坡为1：1.5，坝头坡为1：1.5，坝尾坡为1：1.5。

    结果分析

    1、整治水位下航道条件变化

    1.1流场变化

    整治前，胡家滩河段航槽水浅、流速大，航槽右侧水流散乱流向右岸的倒钩碛，整治后，该河段右岸水流受丁坝引导，流向线向主流方向偏转，趋向航槽流动，1、2、3号丁坝附近水流流速下降，坝后水流明显减小，边滩水流归槽，航槽内水深增加，流速放缓，整个河段内水流结构分布更为平顺，流态有所改善。

    1.2最大局部比降和最大流速组合

    从上表可知，整治后断面因丁坝引导、大量水流汇入主槽引起最大流速升高，断面最大局部水面比降、最大流速、都呈下降趋势，可见整治后水流流态更加平顺，航道条件有所改善。

    2、整治效果稳定性分析

    2.1航槽冲淤变化

    输沙带的分布与流速分布密切相关，且断面局部位置输沙强度的大小取决于其流速大小。

    由图2可知，在整治流量下，整治后，断面流速分布与整治前基本一致，因此可认为在上游来流量相同的情况下，整治后主城河段的输沙带分布与整治前大致相同，不会发生较大变化，航槽内不会因为输沙带分布的变动而产生大量淤积。同时，由于重庆主城河段航槽基本位于输沙带，因此如果航槽内地形边界、水流条件的变化较大将迫使水流结构调整，导致新的冲淤平衡。

    整治区域航槽底部因疏浚高程降低，水深增加，流速下降，而航槽外侧的丁坝束窄河段，减小过水面积，加大流速，两者综合作用后航槽内的流速较整治前略有减小（表2），导致航槽内水流输沙强度略有下降，但航槽流速、输沙强度下降幅度不大，不会导致大量泥沙落淤。

    2.2各断面输沙强度变化

    在同一级流量下，断面的输沙能力与断面平均水深及平均流速的乘积值成正比，将整治流量下整治方案前后胡家滩断面的值变化列于表3。

    表3 整治流量下整治前后值变化

    从表3可看出，在整治流量下，整治后断面的水深略有增加，变化幅度非常小，加上重庆主城河段河床大都由坚硬的基岩组成，岩性稳定，不易冲刷变形，因此可认为主城河段采用该整治方案后，各断面输沙强度变化不大，不容易出现某些断面因输沙强度变化较大而引起河床形态重大调整，导致新的碍航滩险。

    结论

    整治后，各滩险航槽内水位上升、流速下降、水面比降放缓，船舶的自行上滩通航水力指标下降，航道尺度均达到Ⅰ级航道标准（3.5m×150m×1000m）。航道条件大有改善，整治效果良好。

    通过分析整治前后水动力条件变化，认为整治后输沙带分布不会发生变化，航槽内的流速、水面比降、输沙强度均略有减小，但下降幅度不大，不会引起航槽内大量落淤，各断面输沙强度有增有减，均为小幅变动，不容易引起河床重大变化，从而出现新的卵石滩险。因此可认为整治效果比较稳定。

    （作者单位：重庆交通大学河海学院）