留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

黄河上游连续弯曲多滩险河道整治方案数值分析

李健 王平义 许百强 贺小含 王梅力

引用本文:
Citation:

黄河上游连续弯曲多滩险河道整治方案数值分析

    作者简介: 李 健(1993—),男,河南商丘人,博士研究生,主要从事港口及航道工程等方面研究。E-mail:914285916@qq.com.
    通讯作者: 王平义(E-mail:429582608@qq.com); 
  • 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFC0402106);重庆市基础研究与前沿探索(重点)项目(csts2017jcyjBX0070)
  • 中图分类号: U617

Numerical analysis of regulation schemes of continuous bending and multi-beach dangerous channels in the upper Yellow River

    Corresponding author: WANG Pingyi, 429582608@qq.com;
  • 摘要: 天然河道一般不能满足航运的实际要求,需进行航道整治。目前我国内河航道整治技术较为成熟,但对存在连续弯曲多滩险河道的研究较少。黄河上游白银市常生码头下游滩河道属连续弯曲河道,存在多处滩险,水流条件复杂,严重影响船舶的通航安全。以数值模拟为研究手段,构建二维数学模型,分析河道碍航因素,论证整治方案的合理性。确定采用填槽、切咀、疏浚和修筑潜坝等整治方法。整治效果明显,水力因素均达到通航指标,水流条件明显改善,为今后黄河上游及类似碍航特性的航道整治工程提供参考。
  • 图  1  常生码头下游多滩险河段的计算网格

    Figure  1.  Computational grid of multi-beach and dangerous reach downstream of Changsheng Wharf

    图  2  枯水、中水、洪水流量情况下河床曼宁系数分布

    Figure  2.  Manning coefficient distribution of river bed under low, medium and flood discharges

    图  3  水位验证水尺及流速验证断面布置

    Figure  3.  Layout of verification water level and flow velocity verification section

    图  4  水位验证

    Figure  4.  Water level verification

    图  5  流速验证

    Figure  5.  Flow rate verification

    图  6  整治方案布置

    Figure  6.  Layout of renovation plan

    图  7  水位对比

    Figure  7.  Water level contrast map

  • [1] 张国瑞. 黄河贺兰浮桥滩群航道整治技术[J]. 中国水运,2016,16(12):183-186. (ZHANG Guorui. Channel regulation technology of floating bridge beach group in Helan of the Yellow River[J]. China Water Transport, 2016, 16(12): 183-186. (in Chinese)
    [2] 张琰琰, 王平义, 喻涛. 黄河什川吊桥滩河段航道整治方案研究[J]. 水运工程,2014(3):125-129, 150. (ZHANG Yanyan, WANG Pingyi, YU Tao. Experimental study on channel regulation of Shichuan Diaoqiao shoal in the Yellow River[J]. Port & Waterway Engineering, 2014(3): 125-129, 150. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1002-4972.2014.03.025
    [3] 杨振华. 黄河双旋沟滩水流特性及整治技术研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2014.

    YANG Zhenhua. Study on water characteristics and remediation technology for Shuangxuangou rapids in Yellow River[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2014. (in Chinese)
    [4] 曾涛, 张文, 张晓琴. 长江上游急流滩整治思路分析[J]. 水运工程,2014(1):128-133. (ZENG Tao, ZHANG Wen, ZHANG Xiaoqin. Regulation idea of rapids reach in upper Yangtze River[J]. Port & Waterway Engineering, 2014(1): 128-133. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1002-4972.2014.01.024
    [5] 刘涛. 长江下游张南上浅区航道整治效果评价[J]. 水利水运工程学报,2015(2):91-98. (LIU Tao. Waterway regulation works evaluation for Zhangjiazhou south branch up-shoal area of the Changjiang River[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(2): 91-98. (in Chinese)
    [6] 张罗号. 黄河河槽糙率异常原因及其解决途径[J]. 水利学报,2012,43(11):1261-1270. (ZHANG Luohao. Reasons for the abnormal channel roughness of the Yellow River and the solution to its problems[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(11): 1261-1270. (in Chinese)
    [7] 枚龙. 基于MIKE模型在内河航道整治中应用研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2014.

    MEI Long. Study on application in inland river waterway regulation based on MIKE model[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2014. (in Chinese)
  • [1] 张幸农夏云峰曹民雄 . 感潮河段航道整治设计理论与方法探讨. 水利水运工程学报, 2019, (6): 86-95. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.06.010
    [2] 尚倩倩许慧李国斌高亚军 . 三峡水库蓄水前后嘉鱼水道河床演变. 水利水运工程学报, 2016, (5): 32-38.
    [3] 刘涛 . 长江下游张南上浅区航道整治效果评价. 水利水运工程学报, 2015, (2): 91-98.
    [4] 钟亮许光祥何艳军 . 倒顺坝坝头绕流特性及其在航道整治中的应用. 水利水运工程学报, 2015, (2): 9-17.
    [5] 赵志舟 . 大马洲水道演变特点与丙寅洲守护方案研究. 水利水运工程学报, 2014, (2): 8-16.
    [6] 丁晶晶陆 彦陆永军 . 台阶式丁坝水动力特性及防冲效应. 水利水运工程学报, 2014, (5): 67-74.
    [7] 赵志舟赵世强许光祥 . 山区河流滩群河段的碍航特征与整治原则分析. 水利水运工程学报, 2013, (2): 39-44.
    [8] 左利钦,陆永军,李浩麟 . 再论瓯江口拦门沙回淤及治理研究. 水利水运工程学报, 2012, (3): 6-13.
    [9] 赵志舟,景晓菊,赵世强,张晓明,赵健 . 乌江郭母子至狮子口滩群河段碍航特性与整治. 水利水运工程学报, 2012, (5): 55-61.
    [10] 何进朝,母德伟 . 嘉陵江土湾滩航道整治模型试验研究. 水利水运工程学报, 2012, (4): 24-28.
    [11] 左利钦,陆永军,季荣耀,黄文辉 . 下荆江窑监河段河床演变及整治初步研究. 水利水运工程学报, 2011, (4): -.
    [12] 曹民雄,马爱兴,胡金义 . 电站日调节非恒定流对航道整治效果的影响. 水利水运工程学报, 2011, (3): -.
    [13] 马爱兴,曹民雄,王秀红,蔡国正 . 长江中下游航道整治护滩带损毁机理分析及应对措施. 水利水运工程学报, 2011, (2): -.
    [14] 曹民雄,蔡国正,王秀红 . 长江上游和尚岩滩群航道整治研究. 水利水运工程学报, 2010, (3): -.
    [15] 赵志舟,周华君 . 长江神背嘴滩险成因分析与整治技术. 水利水运工程学报, 2008, (3): -.
    [16] 季荣耀,陆永军,左利钦 . 人类活动影响下的东江下游博罗浅滩河段航道整治. 水利水运工程学报, 2008, (1): 20-27.
    [17] 蔡国正,曹民雄,唐存本 . 红水河十五滩航道整治模型试验研究. 水利水运工程学报, 2004, (1): 45-48.
    [18] 王义安,陆永军 . 二维泥沙数学模型在松花江五股流航道整治中的应用. 水利水运工程学报, 2002, (2): 61-65.
    [19] 陆永军,谢凌峰,王义安 . 二维泥沙数学模型在北江下游航道整治工程中的应用. 水利水运工程学报, 2001, (2): 16-20.
    [20] 蔡国正,唐存本 . 郁江湴滩航道整治试验研究. 水利水运工程学报, 1998, (2): -.
  • 加载中
图(7)
计量
  • 文章访问数:  236
  • HTML全文浏览量:  140
  • PDF下载量:  21
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-01
  • 网络出版日期:  2020-04-24
  • 刊出日期:  2020-04-01

黄河上游连续弯曲多滩险河道整治方案数值分析

    通讯作者: 王平义, 429582608@qq.com
    作者简介: 李 健(1993—),男,河南商丘人,博士研究生,主要从事港口及航道工程等方面研究。E-mail:914285916@qq.com
  • 1. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室,重庆 400074
  • 2. 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心,重庆 400074
  • 3. 连云港港口控股集团,江苏 连云港 222042
  • 4. 重庆交通大学 建筑与城市规划学院,重庆 400074

摘要: 天然河道一般不能满足航运的实际要求,需进行航道整治。目前我国内河航道整治技术较为成熟,但对存在连续弯曲多滩险河道的研究较少。黄河上游白银市常生码头下游滩河道属连续弯曲河道,存在多处滩险,水流条件复杂,严重影响船舶的通航安全。以数值模拟为研究手段,构建二维数学模型,分析河道碍航因素,论证整治方案的合理性。确定采用填槽、切咀、疏浚和修筑潜坝等整治方法。整治效果明显,水力因素均达到通航指标,水流条件明显改善,为今后黄河上游及类似碍航特性的航道整治工程提供参考。

English Abstract

  • 黄河上游蜿蜒曲折,沿线暗礁众多,浅、急、险滩分布广泛,不良流态对船舶的航行极为不利,航运发展还处于初级阶段。近年来黄河上游建设了一系列水利工程,极大改善了航道条件。张国瑞[1]以黄河贺兰浮桥滩群为依托工程,深入分析滩险的变化情况,利用物理模型成功提出利于船舶通航的整治方案,为黄河滩险航道整治提供参考;张琰琰等[2]基于物理模型方法,采用浅区挖槽和深槽筑坝相结合的措施对黄河大峡库区什川吊桥滩碍航航道进行整治,整治效果明显;杨振华[3]对黄河双旋沟滩水流特性以及碍航因素进行分析,整治后的河道通航效果有明显改善;曾涛等[4]对长江上游多个急流滩治理思路进行总结;刘涛[5]对张家港南港上浅区浅险水道的基本碍航特性进行分析并对河道整治工程前后水力特性以及通航条件进行概括,为浅险水道航道整治工程提供参考。本文以甘肃省白银市常生码头下游滩险河道整治为依托,利用平面二维数学模型,模拟黄河上游连续弯曲多滩险河道碍航成因及整治效果。

    • 本次黄河上游连续弯曲多滩险河道碍航成因及整治效果数值模拟河道总长约5.5 km,包括4个河段:常生码头下游滩段、1#滩段、2#滩段及3#滩段。数值模拟边界控制条件:上游进水口以流量为控制条件,下游出水口以不同流量对应的水位为控制条件,属于开边界;河道两侧的陆地作为河道边界控制条件,属于闭合边界。河道数值模拟的计算区域采用三角形网格进行离散,疏密程度随河道地形变化。共布置31 166个三角形网格,16 150个网格节点,网格间距为10,部分河道的计算网格见图1

      图  1  常生码头下游多滩险河段的计算网格

      Figure 1.  Computational grid of multi-beach and dangerous reach downstream of Changsheng Wharf

    • 黄河含沙量大,河床冲淤剧烈,水面流态复杂,水力要素随机性大,河道边界约束作用差异大[6]。目前较为常用的糙率确定方法有:水力学方法、查表粗估法、糙率公式计算法等。枚龙[7]在对黄河内蒙河段进行糙率分析时,河槽糙率一般取n=0.011~0.015,滩体糙率选取n=0.02~0.03。本次数值模拟采用查表粗估法,并对黄河糙率资料进行收集,经过反复调试,确定河床的最终曼宁系数见图2

      图  2  枯水、中水、洪水流量情况下河床曼宁系数分布

      Figure 2.  Manning coefficient distribution of river bed under low, medium and flood discharges

    • 数学模型的可行性验证采用常生码头下游多滩险河道枯水、中水、洪水等三级流量下的水面线验证和流速验证。水位施测点及流速的施测断面见图3(A#,B#,C#,D#代表水位实测点;1-1,2-2,3-3,4-4代表流速实测断面),水位及流速验证见图4图5。水位和流速验证结果表明:各测段数学模拟结果与物理模型所测结果基本相同,说明数学模型的参数选取合理,可用于进一步的数值模拟分析。

      图  3  水位验证水尺及流速验证断面布置

      Figure 3.  Layout of verification water level and flow velocity verification section

      图  4  水位验证

      Figure 4.  Water level verification

      图  5  流速验证

      Figure 5.  Flow rate verification

    • 根据《甘肃省内河水运发展规划》,内河V级航道通航标准为1.4 m×35 m×280 m(水深×航宽×弯曲半径)。需要满足的消滩水力指标为:当航道内最大流速为4.0 ,3.5和2.5 m/s时,该位置对应的最大水面比降分别为1.5‰,3.0‰和6.0‰。通过对各级流量水流特性进行数值模拟,分析常生码头下游多滩险河道的碍航成因。为方便分析,将研究河道划分为4段:常生码头下游滩段、1#滩段、2#滩段、3#滩段。

      (1)水位及水面比降 常生码头下游多滩险河道设计主航槽水位沿程逐渐降低,降低幅度整体较平缓,比降较小,如常生码头下游滩段、1#滩段附近,水面比降小于0.5‰。2#滩段,存在水位下降较快,比降增大的位置,最大值出现在洪水流量时,水面比降为3.924‰。3#滩段附近,枯水流量时,其滩尾部水面比降达到3.982‰,因为在该位置主航槽内存在碍航滩体,由于出水口边界条件确定,在出水口水位不变时,上游水位升高,导致壅水情况发生;随着流量增大,碍航滩体作用减弱,比降回落,中洪水流量出现负比降。

      (2)流速 对设计主航槽沿程平均流速变化的分析表明,河道内存在多处滩体,导致流速变化幅度较大,在连续弯曲段水流流速波动较为剧烈。不同流量下,流速最大位置在2#滩段。枯水流量时,2#滩后段处流速剧烈变化,最大值约3 m/s,其他位置流速均小于2 m/s;洪水流量时,流速均大于3 m/s,2#滩段超过4.5 m/s。2#和3#滩段之间,枯水流量沿程流速变化趋势不同于中洪水流量,因为该位置存在深槽,对流速影响较大。

      (3)水深 天然情况的中洪水流量下,设计主航槽的水深均能达到V级航道通航要求,只有在枯水流量下,天然河道1#滩段两岸存在滩体,且延伸至航槽内,水深不满足要求;2#和3#滩段主航槽附近均存在滩体导致存在水深低于1.4 m的河段,因此天然河道不适宜通航。

      (4)流态 在船舶航行过程中,除水深、流速和比降,流态对船舶的航行的稳定性起着重要作用,对周围人民的生命财产安全有着重要影响。

      枯水流量下,1#滩属于急流滩,两岸多为峡谷,河道较窄,在前段位置处,左岸滩体存在,水流流向深槽,形成紊流;中部位置由于两岸存在较陡边滩,水流流向深槽,河道左侧形成涡流,对船舶航行造成威胁。2#滩段河床地势不规则,枯水流量流态紊乱,不利于船舶航行。3#滩为微弯河段,滩段末端的航道内存在较大滩体,导致河道变窄;枯水流量时,水流流向深槽,导致深槽处水流流态紊乱,对船舶航行不利。

      中、洪水流量下,1#滩段在弯道处左岸滩体后侧存在较大回流区域,水流情况复杂。2#滩段连续弯道处,左侧存在深槽,水流偏向左侧流动,流态复杂,中水流量比洪水流量流态更加紊乱,且同时伴有扫弯水情况发生。

    • 通过分析河道的主要碍航特性,拟采用以下整治思路:①改善枯水流量河道水流流态,增加主航槽水深,满足通航要求;②中洪水流量情况下,改善2#滩段连续弯道处水面比降和流速,满足消滩水力指标,达到V级通航标准。

      根据其碍航特征提出具有针对性的整治方案,该方案由疏浚(平整河床底部)、切咀(修整岸坡形态,扩大过水面积)、填槽(平整河床底部,防止水流下泄)、浅坝(壅水)组成。工程布置见图6。目的是平整河床底部,并使河道整治后的横断面接近梯形状态。

      图  6  整治方案布置

      Figure 6.  Layout of renovation plan

      (1)水位及水面比降 模拟整治前后河道水位变化见图7。可见,不同流量下,疏浚、切咀等整治措施使河床宽度增加,水位相比天然状态降低明显。2#滩段,下游潜坝的壅水效果明显,原水面比降较大位置得到改善,水位趋于平缓。枯水流量下,3#滩出水口处水面比降得到极大改善。

      图  7  水位对比

      Figure 7.  Water level contrast map

      (2)流速 经过整治,河道内流速、比降均得到明显改善,满足消滩水力指标,达到通航要求。整治后,中洪水流量下的流速波动相较于天然状态有所减小。整治后河道水位沿程降低,常生码头滩段和1#滩段,填槽等整治措施使过流面积减小,流速增大明显;2#滩段,切咀、疏浚和潜坝的共同作用,使连续弯道处流速明显降低,中水流量最大流速小于3.0 m/s,洪水流量最大流速小于3.5 m/s。

      (3)水深 通过整治方案的数值模拟,1#滩段,通过切咀,河床顶部高程降低,水深达到通航要求;2#滩段,潜坝壅水效果明显,疏浚和切咀的共同作用,水深达到通航要求。整体分析表明,河道水深均达到通航要求。

      (4)流态 通过整治,枯水流量下的水流流态改变较为明显。1#滩段前段,不良流态消除,位于右端区域的流速较小,均小于0.4 m/s,且不位于设计主航槽区域,不影响船舶正常通航。2#滩段,利用疏浚及潜坝改变水流流态,整治效果明显,回流区域消失,流态平稳,仅潜坝附近水流流态略有紊乱。3#滩段,出水口通过疏浚后流态得到改善,水流平顺,流线平行,流线和主航槽不存在较大夹角。

      在中洪水流量下,1#滩段左侧回流区域基本消失,2#滩段航槽内水流平稳,适宜通航。

    • (1)建立数学模型,对天然状态不同流量情况进行模拟,分析黄河上游连续弯曲多滩险河道碍航因素。枯水流量下,水深是限制通航的主要因素,1#及3#滩段均存在未达到V级通航标准位置;由于河床地势复杂,河道不同位置水流流态紊乱。中水流量和洪水流量下,2#滩段连续弯曲河道处流速和比降未能达到消滩水力指标,水流流态也不满足通航要求。

      (2)采用疏浚、切咀等整治措施平整河床、移除延伸至主航槽碍航滩体,增加水深,改善水流流态。连续弯道处未达到通航标准的位置采用切咀、疏浚和下游修筑潜坝等措施来壅高水位,增大过水断面面积、平整河床,使水面流速比降满足通航要求。在深槽位置为防止水流下泄和冲刷河床的情况进一步恶化,采取填槽进行整治。

      (3)通过对整治方案效果归纳分析得出:整治后河道碍航情况得到改善,枯水流量下全河段航道水深满足通航要求,且河道内紊乱的流态明显改善;连续弯曲河段,中洪流量下水面流速比降改善明显,中洪水流量,流速分别不超过3.0和3.5 m/s,对应水面比降分别为1.381‰和1.954‰,消滩水力指标满足通航要求。

参考文献 (7)

目录

    /

    返回文章
    返回