龙口水流特性研究

3.3.3.1 龙口水流的二维数值模拟

综合青草沙东侧堤坝深槽区域地形条件和东侧堤坝结构实施的步骤，拟定保护阶段东龙口按2种断面形式和3种规模尺寸，见表3-6。断面形式1为矩形断面：2种规模的宽度高程分别为800m、－3.0m和900m、－4.0m；断面形式2为复式断面：规模为南北两端各50m宽、0.0m高的平台，中间为800m、－3.0m。利用数学模型计算非汛期10年一遇潮型条件下上述几种规模的龙口最大流速，结果见表3-6。在计算水文条件下，利用数学模型计算的800m宽、－3.0m高程的矩形断面和两端各50m宽、0.0m高的平台，中间为800m、－3.0m的梯形断面的最大流速分别为7.5m／s和7.4m／s。各方案相应的涨急流场见图3-14。

表3-6 保护期东龙口极值流速计算结果

为进一步预测在实施过程中，可能遇到的不同潮型条件下的龙口流速，利用数学模型分别计算了非汛期5年一遇、非汛期2年一遇等条件下的流速，结果见表3-7。由表可见，即使在非汛期2年一遇潮型下，最大流速也达6.17m／s，在5年、10年或20年一遇潮型下，最大流速达7～8m／s。

图3-14 各方案相应的涨急流场图

表3-7 东侧堤坝深槽龙口方案保护期不同潮型下龙口计算成果对比

3.3.3.2 龙口水流的三维数值模拟

二维数学模型中的流速反映的是垂向平均的结果，对青草沙这样的深槽龙口来说，水流复杂，有必要研究龙口水流的垂向分布特征。利用三维数学模型，分别建立了长江口大范围潮流数学模型和覆盖青草沙库区的北港高分辨率、小范围三维数学模型，水平网格最小10m，垂向采用sigma分6层，对保护期深槽宽深坝基龙口的结构进行了精细刻画和模拟计算分析。

利用三维模型计算所得的部分工况涨落潮时刻龙口中心及内外侧流速剖面见图3-15。

图3-15 垂向流速剖面

三维水动力模型模拟计算揭示的流态表明：最大流速发生的区域在平面上呈平行坝轴线的带状，并集中于涨潮期的内坡上部或落潮期的外坡上部，范围较小，其他区域流速明显减小；龙口流速受涨潮流控制，涨潮流速远大于落潮流速。随着龙口的缩窄以及抛石棱体戗堤的实施，龙口区域极值流速逐渐增加，但是龙口极值流速出现的位置仍在戗堤与坡面的交角处，并且从剖面上看高流速区宽度较小，因此可以针对不同位置设不同的结构保护措施。(www.xing528.com)

青草沙东侧堤坝深槽龙口保护期及截流期结构防护的主要控制流速为：龙口保护期位于龙口－3m高程平台与边坡交接处结构控制流速为7.6m／s，－3m平台上其他位置流速取6m／s，库内坝坡脚以外滩面结构控制流速为4.0m／s，库外坝坡脚以外滩面结构控制流速为3.0m／s。框架截流过程流速按不大于6m／s控制。

3.3.3.3 不同截流方式下龙口水流特性的物理模型研究

1）局部正态物理模型试验

局部正态物理模型试验采用正态定床模型，几何比尺为1∶70，模拟整个龙口，场地范围为40m×30m，模拟双向进出水的潮流边界。试验平面布置见3.3.2节中图3-12。试验模拟了常规抛石截流和钢框笼抛石截流工艺及平堵与立堵相结合的各种方案，有关试验模拟结果见图3-16。图中线型分别代表截流坝中心和龙口护底坎肩位置的最大流速，每条线右端代表此线流速的平均值；横坐标表示龙口纵向，从北端至南端；图例数值表示截流坝顶高程从－1m至2m。由图可见，截流坝上的流速均大于坎肩上的流速，龙口纵向上流速除个别点在两端有起伏外，整体基本一致。流速均值反映，坎肩处随截流坝的抬高，流速逐步减小，未见明显的先增加后减小现象。而截流坝上则反映随高程抬升，流速先增后降，最大值发生在0m高程，这与数模成果趋势相近。龙口收缩的试验成果反映了与数模相似的现象，即最大流速随口宽减小逐步增大后再减小。

图3-16 龙口最大流速变化与分布

2）框笼波浪水池试验

从图3-17看出，顺流向龙口上的流速最大发生在框笼外，离框架中心距离15～20m时流速越大。图中图例数字为截流坝顶高程，可见截流坝越高，龙口上的最大流速越大，这可能是跌水断面收缩造成的。

图3-17 顺流向最大流速分布

试验表明：库内外水深相差较大、h2／h1＜0.8时，框架中的最大流速主要与截流坝上的水深（h2－h）相关；库内外水深相差较大、h2／h1＜0.93时，框架上所受的总水平力F几乎与库内外水位差（h1－h2）的平方成正比，而与框架中的抛石截流坝高度无关。这一现象的实用指导意义在于，在相同的水位差情况下，框架内抛石加高不会增加框架的水平推力，而由于抛石增加了框架的压重，相应增加了水平抗滑力，因而框架的稳定性随抛石截流坝加高而不断提升。

本研究通过对青草沙水库工程实践有关数值模拟和物流模型试验成果的综合分析，发现在潮汐河口圈围工程采用框架截流有如下的水力特性：随龙口在竖向抬升或在水平向收缩，龙口上的最大流速均有先增加后减小的规律；水流穿过框架后形成跌水，跌水位置离框架的距离随截流坝的加高或水位差的增大而增大，跌水的位置就是龙口上最大流速发生的位置；龙口上的最大流速与龙口内外水深及截流坝上水深相关，而框架所受水推力与截流坝高无关，且当龙口内外水深比约小于0.93时，此力主要与龙口内外水位差有关。