Delft 3D在某航道整治工程中的应用

    余卫锋　刘艳秋　胡飞

    

    

    

    摘 要：某航道设计为限制性Ⅳ级航道，其甘家拐段为皖苏界河，右侧主汊道进入江苏。该段河道左右岸边滩较为发育，弯曲半径不足200m，为满足设计航道标准，首先采取裁弯切滩并内侧加宽方案达到船舶通航需求；其次，采用AutoBank软件计算切滩后堤防稳定性；最后，采用荷兰Delft水利机构的Delft 3D模型，对甘家拐等弯曲段、汇流段水流条件进行了初步数模分析。结果表明，裁弯切滩方案能满足堤防稳定及设计航道需求，但甘家拐段受地形限制，高水期横向流速仍大于0.3m/s，下阶段需对其流态进行物理实验研究，进一步完善整治措施。

    关键词：裁弯取直 内侧加宽 抗滑稳定计算 数模分析

    航道是水运的基础，既受自然条件影响，也离不开人类活动的干预。对于不能达到通航标准的天然河流，需通过机械疏浚、裁弯取直、退堤拓宽、建设水工建筑物等措施，满足通航船舶及运量需求，提供航道的经济效益。

    工程概况

    1、设计背景

    某航道在甘家拐处一分为二，干流右向以急弯入江苏高淳境内西陡门方向，现状河道呈“V”形弯，弯曲半径约100m，需裁弯切滩。根据河道现状条件，凸岸现有滩地存在，深槽贴凹岸，拟按200m弯曲半径裁弯同时对弯道内侧作加宽处理。

    2、工程勘探

    该段航道随着降水量的季节变化，河水流速变化较大，河道中沉积了典型的河床相及河漫滩相地层。地层以深灰色淤泥质粉质粘土为主，夹粘土薄层。由于河水流速大小的变化，沉积环境发生变化，所夹粘土层厚度亦发生变化，部分地段夹有淤泥、粉砂、细砂、中砂层。

    3、试验研究

    采用荷兰Delft水利机构的Delft 3D模型，对甘家拐等弯曲段、汇流段水流条件进行了初步数模分析。

    设计方案的确定

    1、设计方案

    为达到设计航道Ⅳ级标准，可采用裁弯退堤和裁弯切滩两种方案。如果采用裁弯退堤方案需退建江苏境内相国圩3级堤防，难度较大；裁弯切滩方案通过减小航道弯曲半径并内侧加宽满足规范要求，工程量小且无需退建堤防，对河道的扰动也较小，工程实施后河道稳定性较方案一好。且该段工程量均在江苏省境内，协调工作量较大，本阶段按裁弯切滩方案布置。

    根据河道现状条件，凸岸现有滩地存在，深槽贴凹岸，拟按200m弯曲半径裁弯同时对弯道内侧作加宽处理。加宽值根据弯道加宽值公式计算：

    △B=L2/（2R+B）

    式中：L 为单船最大单船长80m；B 为直线段设计航道宽度45m；R 为航道的弯曲半径200m。

    △B 为加宽值（m），加宽段以1：2的渐变率过渡到正常段，根据计算加宽值为14.4m，取14.5m。据此布置航道，不退建堤防，为保证凸嘴堤脚稳定对其进行防护。

    2、工程量

    对甘家拐弯曲段裁弯切滩，近堤段采用抓斗船疏挖，疏浚工程量6.68万方。

    3、堤防抗滑稳定性计算

    根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）规定，稳定计算采用瑞典圆弧滑动法，具体计算应用河海大学编制的土石坝稳定分析系统（SLOPE）。经计算，甘家拐处裁弯切摊后，施工期迎水坡抗滑安全系数1.08，堤防稳定满足规范要求。

    整治效果分析

    采用数学模型对裁弯切滩后的水流流态进行分析。

    1、模型建立

    流场的模拟采用了荷兰Delft水利机构的Delft 3D模型，主要使用Delft 3D-FLOW模块。Delft-3D-flow模型是一个三维的水动力输运模型，该模型采用曲线正交网格。水动力模块建立在Navier-Stokes方程的基础上，采用交替方向法（ADI）对该坐标系下的控制方程组进行离散求解。应用沿水深平均的两维水流数学模型来计算，采用大小模型嵌套的技术进行数值模拟。其特点是由多个模块灵活组成，模块间联系性强，采用贴体正交曲线网格，计算稳定，精度高。

    2、工况选取

    采用高水位、中水位、平滩水位工况下，利用数学模型分析弯道速度矢量场、法向速度标量场。

    3、模拟结果

    如上分析，甘家拐段采用裁弯切滩方案弯顶处高水期横向最大流速0.6m/s、中水期横向最大流速0.4m/s。甘家拐段受地形限制，高水期横向流速仍大于0.3m/s，下阶段需对其流态进行物理实验研究，进一步确定整治措施。

    结语

    裁弯切滩方案通过小半径航道内侧加宽能满足规范要求，工程量小且无需退建堤防，对河道的扰动也较小，工程实施后河道稳定性较方案一好。但Delft数学模拟结果表明，该段高水期横向流速仍大于0.3m/s，建议下阶段对其流态进行物理实验研究，进一步完善整治措施。

    参考文献：

    [1]赵维阳，李靓亮，茆长胜等.弯曲航道通航宽度和水流条件确定方法探讨 [J].武汉：长江科学院院报，2013，30（09）：37-42.

    [2]李曙光.AutoBank在蒙洼蓄洪区堤防加固工程中的应用[J].安徽：现代农业科技，2009，19.

    [3]梁同好，顾俊旺.浅谈航道护岸工程软土地基的处理[J].江苏：交通科技，2002，5.

    [4] GB50139-2004， 《内河通航标准》[S].

    [5] JTJ312-2003， 《航道整治工程技术规范》[S].

    （作者单位：安徽省交通勘察设计院有限公司）