水阳江航道整治工程方案数值模拟研究

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造技
术1
任启明：水阳江航道整治工程方案数值模拟研究
H1
水阳江航道整治工程方案数值模拟研究
任启明
(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088)
摘 要:水阳江部分河道断面浅窄，枯水期水深不足,河道弯曲半径不满足2级航道要求。

本文以陶村航道为例，提出两种航道
整治方案，采用数值模拟对水阳江航道整治方案进行研究，并提出合理的航道整治方案。

关键词:航道整治;弯曲半径;MIKE21 ；数值模拟
中图分类号:U617. 6 文献标志码：A 文章编号：1673-5781(2021)01-0111-04
0引 言
水阳江航道整治工程位于宣城市境内，为芜申运河支线，
也是省政府调度交通重点工程建设项目、亚行贷款项目，项目
起点为宣城市海棠湾，终点为甘家拐，全程43. 9 Cm,航道按2
级线型、"级断面标准整治,是在现有I 级航道基础上技术改
造成限制性2级航道、"级水深航道，并建水阳江宣州综合码
头工程。

《内河通航标准》规定-内河航道最小弯曲半径，易采用顶
推船队长度的3倍或货船长度、拖带船队最大单船长度的4
倍,在特殊困难河段,航道最小弯曲半径不能达到上述要求时,
在宽度加大和驾驶通视均能满足需求的前提下,弯曲半径可适 当减小'但不得小于顶推船队长度的2 倍或货船长度、拖带船
队最大单船长度的3倍。

”
水阳江可通航千吨级船舶，千吨级船舶主尺度为49. 8 m
X10.2mX2. 95 m (长X 宽X 吃水)。

其存在的主要问题有：
部分河道断面浅窄，枯水期水深不足,河道弯曲半径不满足2
级航道要求。

1研究方案及判别标准
本文以陶村航道为例论述水阳江航道整治工程。

陶村现
有航道弯曲半径较小，约为140 m,不满足规范要求。

为了使
陶村航道的弯曲半径满足规范要求，拟对陶村航道整治采用两
种方案，如图1所示。

方案一：在原弯道右侧河漫滩疏挖宽
45 m,底高程2.1m 的航道，弯曲半径约320 m 。

方案二:在原
弯道右侧河漫滩疏挖宽45 m,底高程2. 1 m 的航道，弯曲半径 约 220 m 。

参照《内河通航标准》船闸引航道口门区的水流表面最大
横向流速不能大于0. 3 m/s,否则船舶会发生横漂和偏航等
事故。

图1陶村航道改造方案示意图
2控制方程
流场的模拟采用了丹麦水力研究所开发的平面二维数学
模型MIKE 21 o MIKE 21是一个专业的工程软件包,用于模
拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环
境。

目前该软件在中国的应用发展很快，并在一些大型工程中
广泛应用，如长江口综合治理工程、杭州湾数值模拟、南水北调 工程、重庆市城市排污评价、太湖富营养模型、香港新机场工程
建设等。

2. 1控制方程
二维浅水基本控制方程如下：
dhu d h u 2 G 4E _K 十I "
3h -
h O _h_ 迟―
G 2
J p
0 J
2p o J p 0
p 0
收稿日期:2020-07-13 ；修改日期:2020-09-16
作者简介:任启明(1988 — ),男，安徽淮北人,硕士,工程师.
《工程与建设》2021年第35卷第1期
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3
造
技术
1
任启明：水阳江航道整治工程方案数值模拟研究
1 I A 所示。

1 (d S j _ pQ ( dj
_ 0y
d y 丿
+ d - ( hT ^ ) + y ( h T jy ) + hu s S
2)
dhu
d t d h uu d h u 2 0+ j +
dy 7uh gh d h R P 0 d y
gh 0p *sy 2p 0 d
y p 0
p 0
-P 0(
d j
d y 丿
+ — ( hT jy ) + 化(hT yy ) + hu s S
3)
式中-为时间;为笛卡尔坐标系坐标;◎为水位;〃为静止 水深',h=x]+d 为总水深;况,u 分别为方向上的速度分量；
7是科氏力系数,f = 20n(,5为地球自转角速度，(为当地纬
度;g 为重力加速度；为水的密度分别为辐射应力
分+量;S 为源项;!s ，s )为源项水流流速。

字母上带横杠的
是平均值。

例如,+为沿水深的平均流速，由以下公式定义：
h u =
udz hv =
udz (4)
-d
-d
T s 为水平黏滞应力项，包括黏性力、紊流应力和水平对
流,这些量是根据沿水深的平均速度梯度用涡流黏性方程得
出的：
T j " 2a J t =A (U -2T )T yy =2)2
⑸
2.2数值解法
2.2.1 空间离散
计算区域的空间离散是用有限体积法(finite volume
method),将该连续统一体细分为不重叠的单元，单元可以是
任意形状的多边形，但在这里只考虑三角形和四边形单元。

2.2.2 时间积分
方程的一般形式为：
4
= G(u ) (6)
d t
对于二维模拟，浅水方程的求解有两种方法，一种是低阶
方法，另一种是高阶方法。

低阶方法即低阶显式的Euler
方法。

8卄1 "8n + NG(U n )
(7)
式中为时间步长。

高阶的方法为按以下形式的使用了二
阶的Runge Kutta 方法。

8卄1/2 2(G(U n )
8+1/2 " 8“ + O tG(U n +1/I ) (8)
3数学模型
数学模型计算区域选在陶村弯道处，模型总长约
3. 29 km,模型入口选择在断面K20 + 260,模型出口选择在 K23 + 550。

计算网格由三角形网格组成，整个河段共划分7
766个网格单元。

模型网格的划分及地形如图2和图3
图2方案一计算模型
ZC40f*me
woo& wan
mm ixm tscm
taM*f t 咼 90
图3方案二计算模型
4 结果分析
本文选取洪水位、高水位和中水位三种工况对陶村航道整
治方案进行研究,计算结果如图4〜图9所示。

112《工程与建设》2021年第35卷第1
期
任启明：水阳江航道整治工程方案数值模拟研究
H1图4洪水位模拟流场图（方案一）图5高水位模拟流场图（方案一）图6中水位模拟流场图（方案一）图7洪水位模拟流场图（方案二）图8高水水位模拟流场图（方案二）图9中水位模拟流场图（方案二）
方案一：在洪水工况下，弯道处航槽的流速在0.68〜1.00m/s,最大横向流速为0.17m/s。

在高水工况下，弯道处航槽的流速在0.52〜1.05m/s,最大横向流速为0.20m/s。

高水位时陶村航道处航槽的最大流速较洪水位的大，因为洪水时流量虽然较大，但其过流断面面积也相对较大。

在中水工况下,弯道处航槽的流速在0.31〜0.64m/s,最大横向流速为0.09m/s。

方案二:在洪水工况下，弯道处航槽的流速在0.65〜125m/s,最大横向流速为034m/s,大于规范要求的0.3m/s,不利于通航安全。

在高水工况下，弯道处航槽的流速在0.58〜1.16m/s,最大横向流速为0.21m/s。

在中水工况下,弯道处航槽的流速在0.28〜0.64m/s,最大横向流速为0.08m/s。

5结束语
综述所述，陶村航道方案一洪水位时，弯道处航槽的最大流速为1.00m/s,在高水位时为1.05m/s,大于洪水位时的流速。

因为方案一洪水时流量虽然较大'但其过流断面面积也相
对较大;方案二洪水时航道的最大流速为1.25m/s,高水位时最大流速为1.16m/s；中水位时,所以方案一的弯道处航槽的流速略小于方案二。

（下转第115页）
《工程与建设》2021年第35卷第1期
113
H1宁跃:港口航道工程大体积混凝土裂缝的施工控制技术
率，需要制定行之有效的规章制度和施工流程,加强对施工人员的管理、监督以及培训,要求施工人员能够严格按照规章制度和操作流程开展混凝土拌和以及浇筑工作。

在进行大体积混凝土原料配比过程中,相关设计人员需要结合港口航道工程项目所处的具体环境特征以及气候条件进行系统科学的分析,并结合收集到的数据科学设置混凝土原料的比例'保证大体积
混凝土能够保持高质量的标准，从基础上解决裂缝问题，为后续混凝土浇筑工作奠定坚实的基础。

2.2合理控制混凝土内外温差
大体积混凝土施工裂缝的出现将会严重降低混凝土的强度,带来一定的安全隐患，影响工程项目建设的经济效益。

因此，必须要加强对裂缝问题的重视，明确混凝土裂缝产生的主要原因，并采取针对性的措施进行解决和优化。

工作人员可以适当地调整混凝土内部组成和混凝土材料的配比，严格把控混凝土内外温度差别,避免由于内外温差过大而造成的混凝土裂缝。

工作人员在进行大体积混凝土搅拌期间，需要严格控制材料的温度，并在浇筑完成之后科学把控温度差,在搅拌大体积混凝土时,可以适当地通过表面洒冷水的方式来降低温度。

通常情况下，混凝土完成浇筑之后会吸收大量的水分，工作人员可以使用塑料薄膜覆盖浇筑完成之后混凝土的表层，以避免混凝土吸收过多的水分，保证混凝土的施工质量,减少混凝土内部的温度应力。

另外，施工人员可以通过温度伸缩带的设置来控制裂缝问题。

温度伸缩带长度一般设置在6〜40mm,利用伸缩袋本身的伸缩性能对大体积混凝土的质量进行把控。

施工企业需要结合工程项目的实际特征合理选择伸缩袋的类型，但是需要注意的是,港口航道工程项目建设期间如果设置伸缩袋，有可能会引起施工项目渗漏问题，所以需要具体问题具体分析,不能一味地应用伸缩带控制裂缝。

2.3合理选择施工材料
港口航道工程大体积混凝土的原料选择和把控对于整体工程项目地建设进度和建设水平有决定性的影响。

相关工作人员必须要加强对混凝土施工工艺的了解'明确混凝土施工过
程中可能存在的影响因素,加强对材料的选择与把控。

首先,需要加强对混凝土原料采购工作的监督与重视,选择口碑好、信誉佳的供应商进行原料的采购,并做好材料入场之前的检测工作，检测合格之后的原材料才可以入场。

其次，在混凝土混合搅拌时，注意材料的配比，避免混凝土配制期间水量过多而引起的温度变化,科学控制石灰与水的比例。

同时，工作人员需要结合混凝土的强度要求适当选择粗骨料，尽量选用连续的比较均匀的粗骨料，以提高大体积混凝土的施工质量。

另外,在进行水泥材料选择时，由于水泥水化过程温度会显著升高,放出大量的热量而影响混凝土的施工质量，导致混凝土裂缝问题。

因此，在进行水泥材料选择过程中，必须要合理把控水泥材料的放热问题，选择放热量较少的水泥材料进行选购。

3结束语
综上所述,大体积混凝土作为港口航道工程项目的重要施工环节，其施工质量和施工效率直接关系着港口航道工程项目整体的建设水平。

裂缝问题一直以来都是大体积混凝土施工过程中的常见问题'严重影响混凝土的强度和使用寿命'因此'需要加强对大体积混凝土裂缝问题的探究'实施有效科学的控
制方法,提高港口航道工程大体积混凝土的施工质量。

〔参考文献〕
马稳举,黄锡钢,桑培亮•水工大体积混凝土裂缝成因与防裂措施港口科技，2019(9)：9—12.
(上接第113页)
陶村航道方案二较方案一流速大，且方案二的航道弯曲半径较小，水流与航道夹角较大，但在洪水时方案二最大横向流速大于规范要求0.3m/s,不利于通航安全，故建议将方案一作为陶村航道的推荐方案。

〔参考文献〕
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《工程与建设》2021年第35卷第1期115。