白玉川1,2，洪育超2，王 勇3，徐海玨1,2
（1.天津大學(xué) 水利仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué) 河流海岸工程泥沙研究所，天津 300072；3.南通濱海園區(qū)港口發(fā)展有限公司，江蘇 南通 226333）
摘要：通過(guò)建立二維模型，對(duì)長(zhǎng)江口北槽深水航道水沙運(yùn)動(dòng)及沖淤狀況進(jìn)行模擬，分析了北槽壩田局部環(huán)流的特征及形成原因，并結(jié)合北槽洪季沖淤狀況，分析了壩田形成沖刷區(qū)的水動(dòng)力原因及環(huán)流對(duì)壩田沖淤的影響。分析表明，壩田環(huán)流在不同時(shí)刻、不同區(qū)域具有相應(yīng)的特征及成因，且壩田環(huán)流的位置，平面尺寸及出現(xiàn)與否都對(duì)壩田沖淤有影響，大范圍的、中心更靠近灘槽的環(huán)流有利于壩田的淤積。
關(guān)鍵詞：環(huán)流特征；壩田沖淤
北槽深水航道治理工程分三期進(jìn)行，采用修建雙導(dǎo)堤長(zhǎng)丁壩的方法進(jìn)行治理，起到減淤、導(dǎo)流、擋沙的效果。從一期工程建設(shè)以來(lái)，北槽壩田呈現(xiàn)迅速淤漲的特征，并隨著丁壩的延長(zhǎng)而持續(xù)調(diào)整淤積區(qū)域和淤積速度。北槽上段壩田在2007年后淤積速度減緩，但在三期丁壩延長(zhǎng)后，延長(zhǎng)段壩田開(kāi)始快速淤積；北槽下段壩田在2008年以后趨于穩(wěn)定[1]。而隨著北槽壩田泥沙淤漲飽和，以及航道疏浚工程導(dǎo)致的地形變化，壩田內(nèi)一些區(qū)域可能會(huì)轉(zhuǎn)為輕微沖刷狀態(tài)[2]。
壩田局部環(huán)流是在主槽下泄流或上溯流作用下，在壩田間形成的水流回旋現(xiàn)象[3]，是受導(dǎo)堤、丁壩調(diào)整而形成的一種水平環(huán)狀水流，是整治結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)調(diào)整的結(jié)果。壩田形狀、丁壩大小、壩田水深及主槽流速等因素都會(huì)影響壩田環(huán)流的速度、流向、尺寸、位置等。環(huán)流的存在對(duì)壩田流場(chǎng)甚至主槽流場(chǎng)都有一定調(diào)整，并影響壩田的沖淤狀態(tài)，同時(shí)有可能把泥沙通過(guò)環(huán)流形式帶入主槽，造成航道回淤[4]。隨著北槽壩田淤漲接近尾聲，壩田環(huán)流對(duì)北槽的沖淤影響不容忽視。本文通過(guò)建立長(zhǎng)江口深水航道二維水沙模型，對(duì)北槽水流泥沙進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上分析環(huán)流特征及形成機(jī)理，以及壩田環(huán)流的沖淤影響。
1.1 基本方程
連續(xù)方程：
運(yùn)動(dòng)方程：
懸沙輸移方程：
床面變形方程：
式中：Z為水位；U、V為流速在x、y方向上的分量；h為水深；f為柯氏力系數(shù)；g為重力加速度；Cs為謝才系數(shù)；Ci為第i組懸沙的泥沙濃度(kg/m3)；Pi為第i組懸沙的起懸量；Di為第i組懸沙的沉降量；Psi為第i組懸移泥沙的組分；Cm為渾水保持流體特性的最高相對(duì)體積含沙量，由Cm=0.775+0.22 2lg(d50)確定，d50為床沙的中值粒徑(mm)；Zs為床面變形量(m)。方程中Pi、Di等參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算公式請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。
1.2 數(shù)值方法
方程采用有限元方法在三角形網(wǎng)格上用分步法進(jìn)行離散求解，考慮到模型模擬的時(shí)間跨度較長(zhǎng)，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存，提高計(jì)算效率，用集中質(zhì)量法[6]簡(jiǎn)化單元系數(shù)矩陣。為計(jì)算穩(wěn)定，選用半隱差分格式，通過(guò)離散方程由前一步的Un、Vn、Zn計(jì)算出下一步的Un+1、Vn+1，再利用Un+1、Vn+1和Zn求得Zn+1的值，由前一步的Un、Vn、Cn算出下一步的Cn+1，并利用床面變形方程的離散由Zsn算出下一步的(Zs)n+1[7]。
1.3 長(zhǎng)江口模型
本文建立了長(zhǎng)江口二維水沙數(shù)學(xué)模型，模型西起江陰，東至外海-40 m等水深處，北起呂四港，南至蘆潮港，外海網(wǎng)格最大尺度5 000 m，北槽區(qū)域網(wǎng)格最密，尺度為50 m，時(shí)間步長(zhǎng)為4 s。上游邊界采用大通站概化流量，南、北邊界的邊界水位選用蘆潮港、大戢山、綠華、呂四潮位站水位資料，外海潮位采用Chinatide軟件計(jì)算水位[8]。地形資料為2013實(shí)測(cè)海圖資料，基準(zhǔn)面采用吳淞基面。模型模擬的時(shí)間為2013年8月1日到8月31日，即模擬洪季一個(gè)月的沖淤狀況。模型床沙級(jí)配分十組[9]，糙率在0.00 8～0.02之間。
環(huán)流的形態(tài)、位置、平面尺寸、強(qiáng)度及出現(xiàn)與否與壩田所處位置及流場(chǎng)關(guān)系很大。圖1是北槽中段4個(gè)時(shí)刻的流場(chǎng)分布。模擬結(jié)果表明北槽壩田存在較普遍的環(huán)流。落急時(shí)，北槽中、下段的南側(cè)S4～S6、S7～S9，北側(cè)N5～N7、N8～N9這7個(gè)壩田均出現(xiàn)環(huán)流，南側(cè)壩田環(huán)流平面尺寸大于北側(cè)壩田，環(huán)流位置在每個(gè)壩田上游丁壩的根部，由于隱藏較深，所以環(huán)流中心速度極小，且發(fā)育不明顯。漲急時(shí)，S3～S5、S6～S9、N4～N9這10個(gè)壩田有環(huán)流，主要出現(xiàn)在北槽中、下段，其中下段北側(cè)壩田環(huán)流尺寸大于南側(cè)壩田，環(huán)流位于壩田下游丁壩旁邊，離丁壩根部較遠(yuǎn)，且環(huán)流平面尺寸較落急時(shí)大。落憩時(shí)有5個(gè)壩田出現(xiàn)環(huán)流，分布在南側(cè)壩田S3～S4、北側(cè)壩田N1～N5，北側(cè)壩田環(huán)流發(fā)育較南側(cè)好，環(huán)流位置處于壩田中心，且靠近灘槽。漲憩時(shí)出現(xiàn)環(huán)流的壩田有6個(gè)，分別為S3～S5、N1～N5，北側(cè)壩田環(huán)流發(fā)育較南側(cè)好，位置靠外。
對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，歸納了北槽壩田的5點(diǎn)特征，并分析其內(nèi)在成因。
圖1 北槽中段四個(gè)時(shí)刻壩田環(huán)流
1）環(huán)流中心與導(dǎo)堤距離：落急＜漲急，環(huán)流平面尺寸大小：落急＜漲急，即北槽流速越大，環(huán)流尺寸越小，中心位置離丁壩根部越近，而北槽流速越小，環(huán)流尺寸越大，中心離灘槽越近。這主要是因?yàn)楫?dāng)流速較大（落急）時(shí)，主槽水流侵入壩田程度較高，壩田水流只能在丁壩根部形成小規(guī)模環(huán)流。而流速較?。q急）時(shí)主槽水流對(duì)壩田切入作用較小，此時(shí)，壩田區(qū)有足夠的空間發(fā)展范圍較大、較靠近壩田中心的環(huán)流。主槽流場(chǎng)相當(dāng)于為壩田外邊界提供一個(gè)剪切動(dòng)力，促使壩田出現(xiàn)環(huán)流，所以，在漲急、落急時(shí)刻，形成環(huán)流的動(dòng)力是主槽切入流的剪切作用力。
2）漲急時(shí)環(huán)流發(fā)育比落急好，除主槽漲、落急流速差異的原因外，水位不同也是原因之一。落急時(shí)壩田水位太低，阻力太大，不利于環(huán)流的發(fā)育。
3）漲憩、落憩時(shí)刻環(huán)流分布特征較相似，環(huán)流易出現(xiàn)在壩田中心，而不是緊靠丁壩，環(huán)流多出現(xiàn)在北槽上段。漲憩、落憩時(shí)刻，流場(chǎng)處于調(diào)整轉(zhuǎn)向期，在慣性流的作用，北槽內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)水流方向與水位梯度相反的局部區(qū)域。如圖2，漲憩時(shí)，北槽上段主槽水流指向下游，而水位梯度指向上游，落憩時(shí)，上段水流指向上游，而水位梯度指向下游，壩田外邊界主槽剪切水流與壩內(nèi)因水位梯度形成的梯度流方向相反，兩者共同作用形成了覆蓋整個(gè)壩田，中心靠近灘槽的環(huán)流。所以，漲憩、落憩時(shí)刻，形成環(huán)流的動(dòng)力是主槽剪切作用力和壩田水位梯度壓力。
圖2 北槽上段流場(chǎng)與水位
4）漲憩、落憩時(shí)刻主槽流速很小，但這兩個(gè)時(shí)刻北槽下段并沒(méi)環(huán)流生成，這說(shuō)明在沒(méi)有與流速相反的水位梯度壓力時(shí)，主槽流速太小反而不利于形成環(huán)流。其一，在小流速情況下，主槽流場(chǎng)受丁壩及壩田邊界變化的影響較大，主槽內(nèi)流場(chǎng)出現(xiàn)明顯擺動(dòng)，進(jìn)去壩田的水流沿著上游丁壩—導(dǎo)堤—丁壩在壩田運(yùn)動(dòng)（如圖3），壩田沒(méi)有形成環(huán)流的動(dòng)力條件；其二，主槽流速太小，無(wú)法提供足夠大的環(huán)流形成所需的剪貼動(dòng)力，模擬結(jié)果表明，在只有主槽剪切作用力的情況下，主槽垂直平均流速要大于1.2 m/s才可能形成環(huán)流，而在漲憩、落憩時(shí)刻的北槽下段，流速遠(yuǎn)小于這個(gè)值。
圖3 北槽下段流場(chǎng)
5）丁壩短的壩田（上段南側(cè)壩田、下段北側(cè)壩田）不易形成環(huán)流，或環(huán)流尺寸較小，而丁壩長(zhǎng)的壩田則相反，其中S1～S3在四個(gè)時(shí)刻都沒(méi)環(huán)流出現(xiàn)，而N6～N9出現(xiàn)的環(huán)流尺寸很小，相反的，丁壩較長(zhǎng)的上段北側(cè)、下段南側(cè)壩田環(huán)流出現(xiàn)頻率較高，尺寸較大。丁壩太短，壩田缺乏利于形成環(huán)流的足夠長(zhǎng)的掩護(hù)段，當(dāng)主槽水流切入，狹小的壩田沒(méi)有足夠空間發(fā)展出環(huán)流。
圖4 北槽洪季一個(gè)月沖淤量（單位mm，負(fù)表示沖刷，正表示淤積）
表1 北槽壩田最大沖淤（負(fù)表示沖刷，正表示積）
分段 沖刷水深/mm分段 沖刷水深/mm N1～N2 3.5 S1～S2 -300上段N2～N3 -24 S2～S3 -400 N3～N4 -117 S3～S4 -105 N4～N5 -20 S4～S5 -157中段N5～N6 0 S5～S6 -10 N6～N7 0 S6～S7 74 N7～N8 58 S7～S8 42下段N8～N9 79 S8～S9 36 N9～N10 -22
從圖4和表1中可看出，在壩田區(qū)，不同區(qū)域的沖淤特點(diǎn)不一樣，整體上，北槽壩田大部分區(qū)域仍處于淤積狀態(tài)，其中，N6～N9、S6～S9壩田只出現(xiàn)淤積現(xiàn)象，而其余壩田或多或少都存在沖刷區(qū)域，但總體沖刷區(qū)面積較小。從沖刷區(qū)的分布特點(diǎn)看，沖刷區(qū)主要出現(xiàn)在S1～S6、N1～N6，即上段壩田更容易出現(xiàn)沖刷區(qū)。南、北相對(duì)應(yīng)的壩田對(duì)比，南壩田比北壩田沖刷現(xiàn)象更明顯，尤其是上段壩田，S1～S3最大沖刷水深是N1～N3的數(shù)十倍甚至百倍。主槽區(qū)除了上段局部區(qū)域有輕微淤漲，整體處于沖刷狀態(tài)。
把一個(gè)潮周期平均分成4個(gè)時(shí)段（每個(gè)時(shí)段約3小時(shí)），分別計(jì)算北槽在落急、漲急、落憩、漲憩4個(gè)時(shí)段的沖淤情況，如圖5。其中S1～S3的沖淤主要發(fā)生在落急和漲憩時(shí)段，而另外兩個(gè)時(shí)段的沖刷量極?。籗3～S4在落急、漲憩和漲急時(shí)段的沖刷量相當(dāng)，但遠(yuǎn)小于S1～S3落急和漲憩時(shí)段的沖刷程度；S4～S5、S5～S6沖刷最大的時(shí)段是落急、漲急時(shí)段，也是兩個(gè)壩田沖刷差異最大的時(shí)段；N4～N6壩田只在落急時(shí)段出現(xiàn)沖刷；S6、N6以下壩田基本上都處于淤積狀態(tài)（N9～N10除外），淤積主要發(fā)生在落急、漲急、漲憩時(shí)段，北側(cè)壩田淤積區(qū)主要在壩田內(nèi)，而南側(cè)壩田最大淤積區(qū)分布在灘槽。
圖5 北槽大潮4個(gè)時(shí)段沖淤量(mm)
4.1 S1～S4、N1～N4壩田
圖6 北槽四個(gè)時(shí)刻垂直平均含沙量(kg/m3)
圖7 北槽四個(gè)時(shí)刻垂直平均流速分布(m/s)
北槽上段6個(gè)壩田沖刷最大的時(shí)段是落急時(shí)段，沖刷程度：S1～S3＞S3～S4＞N3～N4＞N1～N3。落急時(shí)，北槽主流處于下泄?fàn)顟B(tài)，上段主槽垂直平均流速可達(dá)1.5 m/s。因?yàn)榭剖狭徒?jīng)過(guò)橫沙通道從北港進(jìn)入北槽的水流的作用，北槽上段主流路偏南，致使南側(cè)壩田流速和含沙量大于北側(cè)壩田（圖6、圖7），加之該區(qū)域丁壩較短缺乏保護(hù)，水流切入壩田，在不形成局部環(huán)流的情況下把局部區(qū)域的泥沙帶出壩田進(jìn)入主航道。丁壩太短導(dǎo)致的下泄流切入沖刷是該區(qū)域沖刷相較于其他壩田大的主要原因。S3～S4出現(xiàn)沖刷區(qū)的原因與S1～S3類似，但上段主流路南偏對(duì)該壩田影響沒(méi)S1～S3明顯，且S4比前三個(gè)丁壩長(zhǎng)，壩田區(qū)得到較好掩護(hù)，另外，該壩田在漲憩時(shí)出現(xiàn)的環(huán)流也在一定程度上阻礙了主槽流的切入，使沖刷量減小。在長(zhǎng)丁壩的掩護(hù)下，N1～N4的流速和含沙量分布明顯小于S1～S4，所以N1～N4的沖刷程度小于S1～S4。
圖8 北槽上段漲憩時(shí)流場(chǎng)
漲急、落憩時(shí)段，6個(gè)壩田沖淤量相當(dāng)，大小關(guān)系與落急時(shí)相似。而在漲憩時(shí)段，S1～S3壩田的最大沖刷量是S3～S4、N1～N3、N3～N4壩田的數(shù)十倍。圖8顯示，S3～S4、N3～N4、N1～N3均有環(huán)流出現(xiàn)，環(huán)流區(qū)流速在0～0.25 m/s之間，對(duì)比漲憩時(shí)段的沖淤圖可看出，環(huán)流中心是該時(shí)段壩田淤積最大的區(qū)域。范圍覆蓋整個(gè)壩田的環(huán)流為壩田提供低流速場(chǎng)，減少泥沙的起懸，而范圍較小，被擠壓在丁壩旁的環(huán)流也能在一定程度上阻礙主槽水流的內(nèi)切，降低壩田流速，從而起到降低沖刷的作用。
4.2 S4～S6、N4～ N6壩田
4個(gè)壩田最大沖刷量對(duì)比：S4～S5＞N4～N5＞S5～S6＞N5～N6，其中S4～S5較其他三個(gè)壩田沖刷程度大很多。四個(gè)壩田都在落急時(shí)段發(fā)生最大沖刷，S4～S5在這個(gè)時(shí)段的三個(gè)小時(shí)內(nèi)最大沖刷量可達(dá)3.25 mm，從圖9可看出，該壩田形成的環(huán)流尺寸最小，壩田流速最大，所以沖刷最多。N4～N5環(huán)流尺寸雖然較S5～S6、N5～N6略大，但其壩田所處位置位于北槽拐彎處凹岸，下泄水流流向與壩田外邊界有一定夾角，主槽水流容易切入，這從N4～N5的流速分布即可看出，所以N4～N5的最大沖刷量較S5～S6、N5～N6大。而N5～N6比S5～S6沖刷小，可看出北側(cè)大尺度環(huán)流對(duì)壩田的保護(hù)作用。
圖9 落急時(shí)刻北槽中段流場(chǎng)
4.3 S6、N6以下壩田
S6、N6以下的壩田都處于淤漲狀態(tài)，主要有2個(gè)原因：1）北槽下段丁壩分布較上、中段順直，丁壩壩頭連線基本上程直線分布，主槽水流流勢(shì)更好，雖然下段主槽流速在漲、落急時(shí)刻較大（圖8），但主流對(duì)兩旁壩田的切入影響比較小，壩田不易形成利于沖刷的水動(dòng)力條件；2）S6、N6丁壩以下的整治結(jié)構(gòu)都是二期工程時(shí)修筑的，相較于在一期工程后形成的上、中段壩田，北槽下段壩田成形更晚，淤漲調(diào)整可能尚需時(shí)日，暫不具備出現(xiàn)沖刷的地形條件。
南側(cè)丁壩長(zhǎng)，而且處于凸岸，環(huán)流發(fā)育更好，在漲憩時(shí)，S6～S7環(huán)流中心甚至出現(xiàn)在灘槽附近，促使泥沙在灘上落淤，環(huán)流中心靠近灘槽可能是南側(cè)灘面淤積的原因。N9～N10是下段唯一出現(xiàn)沖刷區(qū)的壩田，沖刷主要發(fā)生在落急時(shí)段，落急時(shí)，該段主槽流速是北槽最大的區(qū)域，所以壩田沖刷流速較大，其他時(shí)段壩田無(wú)沖刷現(xiàn)象，所以壩田整體沖刷量很小。
1）在落急、漲急時(shí)刻，當(dāng)主槽流速越大，水位越小時(shí)，環(huán)流尺寸越小，中心越靠?jī)?nèi)部，且形成環(huán)流的可能性越小，此時(shí)形成環(huán)流的動(dòng)力是主槽剪切力；2）在落憩、漲憩時(shí)刻，環(huán)流尺寸比漲、落急時(shí)大，中心更靠外部，此時(shí)環(huán)流形成的動(dòng)力是主槽剪切力和反向水位梯度力，在漲、落憩時(shí)刻，沒(méi)有反向水位梯度力作用的區(qū)域無(wú)法形成環(huán)流；3）丁壩大小對(duì)環(huán)流特征具有一定影響，丁壩越長(zhǎng)，環(huán)流尺寸越大，環(huán)流中心越靠外部；4）出現(xiàn)沖刷區(qū)的壩田主要在北槽上、中段，南壩田沖刷大于北壩田；5）環(huán)流對(duì)壩田沖刷的主要影響是通過(guò)在壩田或壩田局部區(qū)域形成低流速的、相對(duì)封閉的環(huán)流區(qū)阻止主流切入沖刷，從而降低壩田的沖刷量以及減少?zèng)_刷區(qū)域。
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Characteristics of Circular Flow in Groins along Beicao Channel and Impact of Circular Flow on Scour and Deposition of Groins
Bai Yuchuan1,2, Hong Yuchao2, Wang Yong3, Xu Haijue1,2
(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Institude of Sediment on River and Coast Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3.Port Development Co., Ltd. of Nantong Binhai Park, Nantong Jiangsu 226333, China)
Abstract：A two-dimensional model has been established to simulate water sediment movement, scour and deposition within the range of Beicao deep water channel at the estuary of Yangtze River. The simulation results involve the characteristics and causes for partial circular flow in Beicao groins. Based on the scour and deposition of Beicao channel during flood season, an analysis is made for the hydrodynamic cause for the scour in the groins and the impact of circular flow on the scour and deposition of the groins. The results show that the characteristics and causes for the circular flow in the groins vary in the case of different time and areas. The position, plane dimensions even the occurrence or not of the circular flow influence the scour and deposition of the groins. The groins can be easily deposited due to greater-range circular flow, the center of which is closer to the channel.
Key words：characteristics of circular flow; scour and deposition of groins
中圖分類號(hào)：TV143+.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-9592（2017）01-0001-06
DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20170101
收稿日期：2015-11-30
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51279124，50979066）
作者簡(jiǎn)介：白玉川（1967-），男，教授，主要從事泥沙運(yùn)動(dòng)及河流研究。
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