長(zhǎng)江三峽工程庫(kù)區(qū)豐都復(fù)建港區(qū)港址選擇研究

1、長(zhǎng)江三峽工程庫(kù)區(qū)豐都復(fù)建港區(qū)港址選擇研究    摘要：通過(guò)擬復(fù)建港區(qū)河段的二維流港區(qū)前沿的水域條件，說(shuō)明擬建的港址和結(jié)構(gòu)型式可行。本文還通過(guò)二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算了三峽水庫(kù)成庫(kù)后50年長(zhǎng)江豐都河段泥沙淤積情況，分析了三個(gè)港區(qū)的淤積對(duì)港區(qū)的影響。本項(xiàng)研究為長(zhǎng)江豐都縣港區(qū)建設(shè)的可行性提供了科學(xué)依據(jù)。 關(guān)鍵詞：港址 淤積 水域條件  1 前言豐都縣地處重慶市腹地，境內(nèi)山巒重迭，水運(yùn)約占全縣客貨運(yùn)總量的90。豐都港現(xiàn)有碼頭32座，泊位51個(gè)，最大靠泊能力1500t級(jí)，碼頭陸域高程一般為145.0m。三

2、峽三期工程開(kāi)工后，豐都港即被全部淹沒(méi)。復(fù)建港口的設(shè)計(jì)高水位均為175.3m，設(shè)計(jì)低水位為135.5m。擬建名山鎮(zhèn)港、新城鄉(xiāng)港和丁莊溪港，其中，名山鎮(zhèn)港上距涪陵53km，距三峽大壩430km，港區(qū)內(nèi)設(shè)4個(gè)泊位；新城鄉(xiāng)港擬布置在豐都縣罐頭廠一帶，陸域高程177.3m，坡底高程為141.2m，共2個(gè)泊位；丁莊溪港區(qū)布置在上游慶林一帶的長(zhǎng)江岸邊，采用坡道為梯道型式的斜坡碼頭結(jié)構(gòu)，共布置5個(gè)泊位，坡頂高程177.3m，坡底高程為138.3m。為了預(yù)測(cè)豐都港口港址選擇是否正確以及三峽建庫(kù)后對(duì)豐都淤積的影響，本文采用二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算了豐都新港在三峽水庫(kù)蓄水后各運(yùn)行時(shí)間內(nèi)港區(qū)河段的泥沙淤積、河床演變、

3、港區(qū)內(nèi)水域條件。2 港區(qū)內(nèi)河道概況長(zhǎng)江上游河床起造床作用的主要是推移質(zhì)，主河槽內(nèi)懸移質(zhì)一般處于不飽和狀態(tài)。豐都縣港口復(fù)建工程在航道里程477490km內(nèi)。該河段水流自西向東，突過(guò)四川盆地南部邊緣，河床質(zhì)多為砂、卵石，間有部分基巖，兩岸基巖和亂石控制了水流擺動(dòng)，平面形態(tài)變化不大，河勢(shì)較穩(wěn)定。長(zhǎng)江干流進(jìn)入規(guī)劃河段后，河床寬窄相間，沿程起伏較大，江面由200m增到300m，主流略偏北岸，深泓水深3060m。河段內(nèi)有蠶背梁，該梁位于土地盤(pán)以下，河床左側(cè)為大沙壩，寬300600m，夾有石盤(pán)、石梁組成的瓦子坪；右側(cè)為貝家梁，寬200m。蠶背梁長(zhǎng)1km，寬150m，高程約139m。該梁縱臥江心，分

4、水道為南北兩槽。南槽為主航道，最窄處僅100m，水深2050m，當(dāng)水位為135140m時(shí)，航槽內(nèi)水亂流急，對(duì)船舶航行安全威脅較大。北槽瓦子坪為副槽，當(dāng)水位達(dá)136.5*!m時(shí)設(shè)標(biāo)通航，但因槽窄流急，僅供上水船舶通行。洪水期蠶背梁淹沒(méi)，水位超過(guò)143m，可以通航。豐都縣港口下游(航道里程481km)是鳳尾壩，135m高程以上該大壩寬約500m，長(zhǎng)約1500m，最高處達(dá)到160m，左岸為主槽，右岸為副槽，在132m水位時(shí)，副槽斷航。3 二維數(shù)學(xué)模型的建立港區(qū)內(nèi)水深變化較大、流態(tài)比較紊亂，加之計(jì)算時(shí)段較多、計(jì)算河段較長(zhǎng)，為提高計(jì)算精度，本數(shù)模采用貼體正交坐標(biāo)系下的平面二維水流泥沙模型方法。

5、3.1 貼體正交坐標(biāo)系下的網(wǎng)格生成方法本模型采用求解拉普拉斯方程得出正交曲線網(wǎng)格坐標(biāo)15。設(shè)(x,y)為物理平面上的笛卡爾坐標(biāo)系，(，)為物理平面上的笛卡爾坐標(biāo)系，(，)為變換平面上的坐標(biāo)系，它們滿足拉普拉斯方程。3.2 水流運(yùn)動(dòng)方程(1)水流連續(xù)方程(1)(2)方向動(dòng)量方程(2)(3)方向動(dòng)量方程(3) 式中、分別表示正交曲線坐標(biāo)系中兩個(gè)正交曲線坐標(biāo)；u、v分別表示沿、方向的流速；h表示水深；H表示水位；C、C表示正交曲線坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù)；,表示三個(gè)方向的紊動(dòng)切應(yīng)力。3.3 泥沙運(yùn)動(dòng)方程(4) 式中S*L=P*SLS*(),P*S和S*()

6、=,L分別表示第L組泥沙挾沙能力、挾沙力級(jí)配和泥沙的沉速；K0為挾沙力系數(shù)，對(duì)于豐都河段，K0=0.015；m=0.92；為含沙量恢復(fù)飽和系數(shù),沖刷時(shí)為0.8，淤積時(shí)為0.10.15。(5) 式中,Z表示河床總沖淤厚度，代表淤沙干容重4 計(jì)算條件4.1 計(jì)算河段表1 三峽庫(kù)區(qū)淤積量表Deposited sediment in the Three Gorges Reservoir in the coming 50 years年份總來(lái)沙量108t全庫(kù)

7、總淤積量108m3河段淤積量108m3系數(shù)105131.600.490.9482010260.921.100.9093016387.861.310.95240204111.961.550.96050255132.071.770.961計(jì)算河段航道里程共13km。模型水流進(jìn)口距豐都港最上游的港口丁莊溪港口上游約2.5km，考慮鳳尾壩特殊地形的影響，模型出口布置在鳳尾壩下游1km處，即航道里程477km處，距豐都港最下游的港口名山鎮(zhèn)港口約4.5km。4.2 系列水文年的選用及時(shí)段劃分根據(jù)寸灘站多年水沙資料分析，選取1961年至1970年10年作為典型系列年，各年水沙特征值見(jiàn)表1。資料表明

8、，寸灘站加上武隆站(烏江)的10年平均年徑流量為4202×108m3，年輸沙量5.1億t，含沙量為1.21kg/m3，分別較多年平均值大5.0%、2.4%和小2.4%，本系列包括了豐水豐沙、中水中沙和枯水枯沙等典型年，因此選用的系列年具有代表性。水庫(kù)淤積計(jì)算采用上述10年系列循環(huán)進(jìn)行，碼頭使用期按50年考慮，豐都河段的泥沙淤積和河床演變計(jì)算也計(jì)算50年。1961年至1970年各年按每年80個(gè)時(shí)段劃分，汛期時(shí)段較多，其余大體均勻分布，基本上反映了各年水沙過(guò)程。4.3 計(jì)算水沙條件的選擇數(shù)學(xué)模型計(jì)算中尾水位按長(zhǎng)江科學(xué)院數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果88號(hào)斷面(航道里程480km)計(jì)算的水位控

9、制，各時(shí)段的流量用寸灘+武隆控制，各時(shí)段的含沙量由下式計(jì)算Si=Gc+w/Qc+w (6)式中 Si指第i個(gè)時(shí)段的含沙量，Gc+w指第i個(gè)時(shí)段的寸灘+武隆的來(lái)沙量，Qc+w指第i個(gè)時(shí)段的寸灘+武隆的來(lái)流量，為系數(shù)，由表1確定。推移質(zhì)主要淤積在庫(kù)尾，在計(jì)算豐都河段時(shí)，不考慮推移質(zhì)，只考慮懸沙。豐都以上河段淤積量較少，約占10%左右，懸沙級(jí)配采用寸灘多年平均值，見(jiàn)表2。表2 寸灘多年平均級(jí)配表Mean size distribution in Cuntan粒徑范圍(mm)<0.0050.0050.0010.0010.025

10、0.0250.050.050.10.10.250.250.50.51.0小于該粒徑的百分?jǐn)?shù)(%)4.614.117.026.223.910.23.10.94.4 計(jì)算域網(wǎng)格計(jì)算域按正交曲線網(wǎng)格，共布置200×35個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。網(wǎng)格縱向長(zhǎng)度5070m，橫向長(zhǎng)度2030m。網(wǎng)格之間夾角在8892°，基本正交。4.5 碼頭結(jié)構(gòu)型式在計(jì)算中的處理名山鎮(zhèn)港口、新城鄉(xiāng)港口和丁莊溪港口，其碼頭型式都采用斜坡碼頭結(jié)構(gòu)型式，碼頭設(shè)計(jì)陸域高程在180m左右，設(shè)計(jì)河底高程在135m左右。計(jì)算中采用網(wǎng)格插值法。5 計(jì)算成果分析5.1 關(guān)于驗(yàn)證的說(shuō)明本數(shù)學(xué)模型參照

11、嘉陵江金沙磧河段的泥沙淤積驗(yàn)證進(jìn)行水流泥沙參數(shù)初選，然后根據(jù)豐都河段在三峽水庫(kù)成庫(kù)后的泥沙淤積有關(guān)資料進(jìn)行驗(yàn)證，最后得到水流泥沙的有關(guān)參數(shù)：(1)紊動(dòng)粘性系數(shù)Vt中=0.30.5;(2)挾沙力公式中挾沙力系數(shù)K00.015；m=0.92；(3)含沙量恢復(fù)飽和系數(shù)沖刷時(shí)為0.8，淤積時(shí)為0.10.15。根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算出豐都河段建港前后淤積量和長(zhǎng)科院計(jì)算整理成果4見(jiàn)表3。表3 豐都河段淤積量比較表Contrast of the deposited sediment before and after the&

12、#160;port construction運(yùn)行年份建港前104m3建港后104m3長(zhǎng)科院計(jì)算104m3104649.64664.24900.02011186.010744.011000.03013249.412628.413100.04015543.714793.115500.05017719.116991.517700.0表4 港區(qū)流速表The velocity in the port area Q=15000m3/sh200=145.32Q=22852m3/sh200=140.02Q=60082m3/sh20

13、0=161.81港區(qū)名稱35m流速(m/s)70m流速(m/s)35m流速(m/s)70m流速(m/s)35m流速(m/s)70m流速(m/s) 0.871.040.530.630.871.06 1.181.230.690.740.971.26丁莊溪1.381.490.800.941.151.45港區(qū)1.391.660.531.191.211.45 1.681.970.001.131.231.47 2.472.460.001.271.351.57 0.761.250.001.490.380.66新城鄉(xiāng)0.060.730.000.200.140.

14、34港區(qū)0.781.010.290.990.300.55 0.360.200.660.480.331.27 0.300.590.000.640.100.35 0.600.470.571.360.371.21名山鎮(zhèn)0.460.490.001.250.381.15港區(qū)0.030.030.080.110.040.04 0.040.180.130.390.030.10 說(shuō)明：距碼頭前沿70m是指距碼頭擬建區(qū)的陸域高程145m前70m處，35m方法相同。此表給出的流速值是垂線平均流速。5.2 港區(qū)水域條件分析三峽水庫(kù)建壩后，豐都河段的水位抬高，

15、流速減小。建壩后淤積前各典型流量在各運(yùn)行方案時(shí)碼頭前沿流場(chǎng)計(jì)算值列于表4。在三峽水庫(kù)運(yùn)行前10年，水庫(kù)按156-135-140方案運(yùn)行。在150號(hào)斷面，因河道較窄，約500m，河床最低高程64m，河床呈峽谷型，流速較大，主流帶流速多在2.03.5m/s。由于地形影響，在左岸45號(hào)斷面和右岸35號(hào)斷面形成回流。碼頭前沿表面流速多在1.02.0m/s，在丁莊溪港區(qū)47號(hào)斷面的表面流速稍大，約3.0m/s。在50110號(hào)斷面，河床逐漸抬高，最低高程110m，河寬約1000m，流速在1.02.4m/s。在新城鄉(xiāng)港區(qū)處表面流速大多小于2.0m/s。110200號(hào)斷面，河面寬約1800m，中間有鳳尾壩出露

16、，流速在0.51.5m/s。名山鎮(zhèn)港區(qū)附近流速較小，有部分回流。三峽水庫(kù)運(yùn)行前10年時(shí)Q=22852m3/s、h200=140.02m(h200代表尾端200號(hào)斷面的水位)，丁莊溪港區(qū)前沿水域，在碼頭布置前后流速基本不變化，均為1.02.0m/s；新城鄉(xiāng)港區(qū)和名山鎮(zhèn)港區(qū)，碼頭前沿70m處表面流速小于1.5m/s，布置碼頭后其流速與未布置碼頭時(shí)相比，相差很小。此流量下，三個(gè)港區(qū)內(nèi)碼頭前沿水深條件良好。當(dāng)三峽水庫(kù)按175-145-156方案運(yùn)行時(shí)，三個(gè)港區(qū)碼頭前沿的流速均小于0.4m/s，水深條件良好; 按175-145-156方案運(yùn)行時(shí)，丁莊溪港區(qū)碼頭前沿70m處表面流速小于2.0m/

17、s；新城鄉(xiāng)港區(qū)和名山鎮(zhèn)港區(qū)碼頭前沿70m范圍內(nèi)表面流速均小于1.5m/s。三個(gè)港區(qū)的水深條件均良好。6 結(jié)論經(jīng)對(duì)豐都港口復(fù)建工程修建前后的流場(chǎng)和泥沙淤積計(jì)算，得到如下結(jié)論。1.本項(xiàng)研究運(yùn)用二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型研究豐都港復(fù)建工程的港址的泥沙問(wèn)題，參數(shù)的選取根據(jù)嘉陵江金沙磧河段的泥沙淤積計(jì)算進(jìn)行初選，并采用長(zhǎng)科院計(jì)算整理成果進(jìn)行驗(yàn)證，其計(jì)算的淤積量基本反映豐都河段的實(shí)際情況。說(shuō)明該數(shù)學(xué)模型基本能正確模擬豐都河段的泥沙淤積，參數(shù)選擇也基本符合實(shí)際。2.得到了在建壩后淤積前各典型流量在各運(yùn)行方案時(shí)碼頭前沿流速。丁莊溪碼頭前沿表面流速多在1.02.0m/s，丁莊溪港區(qū)47號(hào)斷面的表面流速稍大，約3.0m/s；新城鄉(xiāng)港區(qū)和名山鎮(zhèn)港區(qū)表面流速大多小于2.0m/s。三個(gè)港區(qū)的水深條件均能滿足要求。4.丁莊溪碼頭前沿為主要淤積區(qū)，其前沿70m范圍內(nèi)，50年末淤厚520m，由于河面較窄，碼頭前沿水深能滿足要求，港區(qū)部分流速條件稍差，但不影響船舶進(jìn)出。港址選擇和