摘 要

长江上游泸渝河段是西南地区水上交通枢纽，同时也是西南沿江各省与长江中下游及沿海地区的主要水上通道。但长期以来，泸渝河段枯水期航道存在许多浅滩和险滩，为了船舶的安全航行，满足航运发展的需要较为可行的是进行工程方案整治。通过分析鲤鱼碛河段航道区域水文地理资料，应用FLOW-3D软件，建立了航道区域水流数值计算模型，并与实测资料进行了对比分析，计算结果与实测资料基本吻合。针对不同流量情况下的天然河道水流进行了数值模拟，根据计算结果提出了四种整治方案，在此基础上进行设计流量、整治流量下鲤鱼碛河段航道整治前后区域流场的计算，得出整治工程前后流场水位、水深、流速以及流态的变化，经过对比分析选出最佳整治方案，为航道设计提供有益的参考。

关键词：航道整治，数值模拟，丁顺坝，潜坝

Absrtact

The upper reaches of the Yangtze River are the water transportation hub of southwest China and the main water channel along the Yangtze River and the middle and lower reaches. But for a long time, there are many shoals and shoals in the dry season waterway of the Lu-Yu reach, in order to meet the need of shipping development, it is feasible to carry out the engineering scheme renovation. By analyzing the hydrological and geographic data of the channel area in the Drift section of carp, the numerical model of waterway regional flow is established by using flow-3d software, and the calculated results are in good agreement with the measured data. The numerical simulation of natural river flow under different flow conditions according to the calculation results, four kinds of remediation schemes are proposed, and the calculation of the area flow field before and after the waterway regulation in the drift of Lei carp is carried out on the basis of the design flow and the regulation flow, and the change of water level, depth, flow velocity and flow state before and after the renovation project Through comparative analysis and selection of the best treatment plan for waterway design to provide a useful reference.

Key words: Waterway regulation, numerical simulation, Dingshun Dam, submerged dam

目录

第1章 绪论 1

1.1选题目的及意义 1

1.2国内外航道整治数值计算发展概况 2

1.3研究（设计）的基本内容、拟采用的技术方案及措施 3

1.3.1基本内容： 3

1.3.2技术方案及措施： 3

第2章 数学模型建立及验证 4

2.1水流运动方程 4

2.2 Flow-3D软件简介 5

2.3 地形图的绘制及模型的建立 5

2.3.1地形图的绘制 5

2.3.2计算域的选取和计算条件设置 7

2.4数学模型的验证 8

第3章 整治方案 9

3.1试验河段概况 9

3.1.1河段形态及险滩概况 9

3.1.2水文、泥沙情况 9

3.1.3天然情况下水流特性分析 10

3.2整治方案布置 17

3.3整治标准 19

3.4整治原则 19

3.5整治水位与设计水位 20

第4章 整治后航道水流特性数值计算 21

4.1坝图形绘制 21

4.2模型建立及网格划分 21

4.3数据分析 22

4.4方案比选 59

第5章 总结与展望 60

参考文献 61

致 谢 62

第1章 绪论

1.1选题目的及意义

水上运输具有悠久的历史，而且早在18世纪便在交通运输业中占据了主导地位。充分利用河流条件，发展内河运输以带动流域的经济发展，在世界范围内也是一个共同规律。苏萍、宁涛^[1]在欧洲内河运输发展趋势一文中从内河运输的能源消耗、装载能力、外部成本各方面分析了内河运输的发展优势，并提出了河运在可持续发展中日渐突出的作用。河运在工业革命时期便在各大资本主义国家形成过热潮，世界各大发达国家的内河运输也相对比较发达。Cezary Gołębiowski^[2]通过对内河运输的优势、发展内河运输的必要性、需要改进和舍弃的方面来描述了波兰的内河运输发展现状和将来发展方向。

中国的河流占有量位居世界前列，有着各种天然大江大河以及人工开挖的大运河，各大河流流域面积分布广泛，流域面积超过1000平方公里的河流便超过了1500条，并且拥有世界第三大河流长江，因此具有丰富的水运资源，自然是要充分发挥此种优厚的自然条件，来大力发展内河运输，以带动流经的各大城市的经济发展。贾大山^[3]从我国内河运输发展现状、内河运输的经济技术特征以及“内河优势”战略及其推进模式等多方面出发，提出了水运发展具体措施及指标以及内河水运长远发展战略设想。

长江水力资源丰富，天然河道优越，尤其是在葛洲坝工程完工以后，最为险要的川江航道三峡段的通航条件得到了明显改善，被称为“黄金水道”。但长期以来长江上游仍有部分河段的通航条件不能满足航运的发展需要，影响航运发展。因此，需要对该部分河段的碍航条件进行不同程度的航道整治。长江上游泸渝河段是西南地区水上交通枢纽，同时也是西部沿江各省与长江中下游及沿海地区的主要水上通道。该河段是典型的山区性河流，不同河段的宽窄悬殊大，枯水、洪水期的河宽差别达到600m。 在枯水期航道存在许多浅滩和险滩，碍航滩险主要是浅滩，碍航特征是水深不足。在1978-1997年泸渝航道曾经进行了系统整治，航道尺度一度达到了三级航道标准。但整治工程实施后，由于经费等原因，航道维护工作未能及时跟上，部分整治建筑物被毁，滩险航道产生回淤，重新出现多处碍航情况，目前本河段仍达不到三级标准。该河段上的鲤鱼碛在历史上从未整治过，因此，急需进行航道整治，以改善通航条件，满足航运要求。

1.2国内外航道整治数值计算发展概况

航道整治在中国发展历史悠久，从三皇五帝时期的大禹治水到战国时期李冰的都江堰，都有涉及。到了近代航道整治已经发展出比较完整的体系及先进高效的方法手段，何方^[4]提出了较为完善的航道整治方案确定方法。针对本文中鲤鱼碛，通过查阅相关资料了解到该河段碍航成因主要为横流带动泥沙至江心形成浅区，因此需要修建整治建筑物以削弱横流减少航道内泥沙淤积，增大浅区流量并对部分浅区进行开挖。该工程拟采用修建丁坝以及潜坝的方式来对该浅滩进行整治。丁坝在未被淹没时可以束窄河槽，提高流速冲刷浅滩，淹没时可以造成环流，横向导沙，增加航道水深。郭延祥,程宦,唐学林^[5]采用数值模拟的方法，分析了丁坝修建完成后，周围水流的流动特性，以更加直观地方式表现出了丁坝的作用。熊锡林^[6]通过部分工程实例专门研究总结了丁坝在山区河流的航道整治中的作用。潜坝作用是壅高上游水位调整比降，以增加水深，同时也可以促淤赶沙，减少过水断面和消除不良流态等，张万富^[7],陈希^[8]研究了潜坝在川江河段的航道整治中的具体作用，以及部分工程所取得的成果。随着科技的发展，计算机技术的日益成熟，计算机数值模拟方法给航道整治带来了更多的方便与可靠性，张明进，伍文俊^[9]利用工程实例（例如航道整治汛后冲刷效果模拟），结合物理模型的方法，分析了数值模拟方法在航道整治工程中的应用。金辉，陈建强，冯小香，普晓刚^[10]通过分析河段特征，建立了平面二维水流数学模型，最后分析计算得到了湘江营田滩河段航道整治的方案。还有部分工程实例参见文献^[11、12] 。Han Yufang. LU Chuanteng^[13]利用数值模拟的方法，重现了长江河口的模型中的最大浑浊度，揭示了部分河段泥沙淤积的原因。Zhang Li^[14]利用边界坐标拟合变换技术，将原本岸线曲折难以计算的问题解决，本次案例使用的二维平面数学模型，计算的得到的结果与实测资料较为接近。

Flow-3D是一款高效能的计算仿真软件，能够精准预测自由液面的流动，因此可以使用该软件进行整治前后航道水面流动情况，能够更加直观的反映整治效果。Huang,Tsung-Hsien.Jan,Chyan-Deng.Hsu,Yu-Chao^[15]建立盆池涡模型导入Flow-3D，分析了旋流沉淀池内的水流特性，得到模拟效果与实验结果十分接近，验证了Flow-3D软件对于各种流场的适用性。

1.3研究（设计）的基本内容、拟采用的技术方案及措施

1.3.1基本内容：

分析鲤鱼碛河段航道区域水文资料，应用FLOW-3D软件建立天然状态下航道水动力数值计算模型，进行设计水位水流特性计算，之后按照给定的整治水位进行再次计算，根据计算结果提出不同整治方案，在此基础上对不同水流条件鲤鱼碛河段航道整治前后后区域流场进行计算，分析整治工程前后流场变化，看是否达到相关航运标准，并提出最佳整治方案，为航道设计提供有益的参考。

1.3.2技术方案及措施：

查阅泸渝河段相关水文资料和国内外关于数值模拟、航道整治的相关资料及研究发展概况以及基本方法。