二維潮流數(shù)學(xué)模型在潮汐河口圈圍工程大型龍口合龍過(guò)程中的應(yīng)用

俞相成 趙庚潤(rùn)

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200061）

1 引言

近年來(lái)，圈圍造地已逐漸成為緩解沿海城市用地矛盾的有效途徑。隨著河口促淤圈圍工程低灘化、規(guī)?；陌l(fā)展，工程實(shí)施難度越來(lái)越高，工程投資也越來(lái)越大。

龍口合龍作為圈圍工程施工過(guò)程中重要環(huán)節(jié)，對(duì)圈圍工程的工期和投資有重大的影響。目前龍口合龍施工主要有三種工藝［1］：第一種為拋石合龍，主要用在龍口規(guī)模大、合龍過(guò)程中龍口水流流速大的工程，如青草沙水源地工程，龍口寬800m；第二種為拋石合龍與水力充填合龍相結(jié)合的方式，主要用在龍口規(guī)模較大、合龍過(guò)程中龍口水流流速較大的工程，一般先在龍口外側(cè)拋石減緩水流流速，再在龍口處采用水力充填的方式進(jìn)行合龍，如浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)圍海造地工程等，通常口寬200～300m；第三種為水力充填合龍，主要用在龍口規(guī)模較小、合龍過(guò)程中龍口水流流速較小的工程，如上海臨港新城蘆潮港西側(cè)灘涂圈圍工程等，通?？趯?00m左右 （中高灘位置圈圍采用該工藝，合龍口寬一般可達(dá)200m左右）。

拋石合龍雖然合龍成功率較高，但成本較高，尤其對(duì)于上海等建筑石料主要采用外來(lái)石料的地區(qū)。水力充填合龍成本較低，但對(duì)合龍過(guò)程中水力條件要求較高，龍口處水流流速過(guò)大、水位較高時(shí)均不適用［2］。因此，隨著促淤圈圍工程規(guī)模化的發(fā)展，大中型促淤圈圍工程主要采用拋石合龍與水力充填合龍相結(jié)合的方式，既保證龍口合龍的成功率，又節(jié)約了工程成本。

隨著當(dāng)前數(shù)值模擬技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)學(xué)模型廣泛應(yīng)用于工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)［3］。針對(duì)水力充填對(duì)合龍過(guò)程中水力條件要求較高的特點(diǎn)，如果能準(zhǔn)確計(jì)算出合龍過(guò)程中龍口處水力條件，則可根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理安排合攏過(guò)程中各個(gè)施工步驟，將水力充填合龍運(yùn)用在大型促淤圈圍工程中，最大程度發(fā)揮水力充填合龍的優(yōu)勢(shì)。這樣既能保證龍口合龍的成功率，又可以節(jié)約工程成本，對(duì)大型促淤圈圍工程有重要的指導(dǎo)意義。在此將以橫沙東灘促淤圈圍六期工程1＃圍區(qū)龍口為例，具體說(shuō)明二維潮流數(shù)學(xué)模型如何指導(dǎo)大型龍口合龍的施工。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)況及初擬龍口合龍方案

橫沙東灘位于橫沙島尾的東端，長(zhǎng)江口深水航道北導(dǎo)堤以北，北港以南，是長(zhǎng)江口發(fā)育比較好的淺灘之一，經(jīng)過(guò)一期、二期和四期促淤工程多年的促淤，已具備圈圍成陸的條件。橫沙東灘圈圍六期工程圈圍成陸面積約4．85萬(wàn)畝，屬中潮灘圈圍，其中1＃圍區(qū)位于工程最西段，面積1．4萬(wàn)畝，龍口寬度600m，底高程為1．6m （吳淞高程，下同）。

雖然六期工程各圍區(qū)及龍口規(guī)模均較大，但從工程位置及地形上看，1＃圍區(qū)外高程較高，平均灘面高程低于平均潮位，略高于平均低潮位，拋石船進(jìn)出極為困難，且可作業(yè)時(shí)間很短。如果采用傳統(tǒng)的拋石合龍與水力充填合龍相結(jié)合的方式，施工難度大，且合龍成本較高。因此，初步考慮只采用水力充填的方式進(jìn)行龍口合龍。

結(jié)合水力充填作業(yè)特點(diǎn)，初步擬定1＃龍口合龍的步驟為：首先采用平堵的方式將龍口底高程由原來(lái)的1．6m抬高至2．1m；其次采用立堵將龍口兩側(cè)抬高至3．6m，龍口中央縮窄至100m；然后將龍口平堵至3．6m，最后平堵完成整個(gè)龍口合龍。具體實(shí)施步驟見(jiàn)表1。

表1 1＃龍口初擬收縮步驟

3 二維潮流數(shù)學(xué)模型及計(jì)算水文條件

采用丹麥水力學(xué)研究所（DHI）最新研發(fā)的MIKE21 Flow Model（FM）模塊進(jìn)行計(jì)算。該模塊可以模擬各種流場(chǎng)問(wèn)題（如港口、河流、湖泊、河口海岸和海洋等），具有網(wǎng)格剖分靈活、計(jì)算速度快、數(shù)值收斂迅速等優(yōu)點(diǎn)，目前在長(zhǎng)江口杭州灣應(yīng)用比較成熟，在河口中低灘促淤圈圍工程中積累了相當(dāng)?shù)墓こ探?jīng)驗(yàn)。

3．1 基本方程及主要參數(shù)［4］

基本方程為水流連續(xù)方程和水流運(yùn)動(dòng)方程。

糙率系數(shù)：通過(guò)模型的率定與驗(yàn)證來(lái)確定，并參照相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，取值范圍為0．011～0．018。渦粘系數(shù)：根據(jù)Smagorinsky公式確定。

3．2 模型率定驗(yàn)證

模型范圍上邊界取至江陰，東邊界至外海123°30′，北邊界至32°15′，南邊界至29°33′。利用2009年8月20日～9月5日水文測(cè)量結(jié)果對(duì)模型多處水位流速進(jìn)行率定驗(yàn)證結(jié)果表明：模型所采用的參數(shù)合理，結(jié)果可靠，符合《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》［5］中感潮河段水力學(xué)計(jì)算的要求。工程附近測(cè)點(diǎn)水位、流速及流向驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 工程附近測(cè)點(diǎn)水位、流速、流向驗(yàn)證結(jié)果

3．3 龍口合龍過(guò)程計(jì)算水文條件

結(jié)合工期要求，并真實(shí)反應(yīng)龍口在合龍期階段的水力條件，合龍期計(jì)算潮型選用工程地點(diǎn)2011年11月10日～2012年1月20日期間連續(xù)3日最小潮型中最大潮差的潮型，如圖2所示。該潮型下，工程區(qū)低潮位為0．75m，高潮位為 3．25m，最大潮差為2．5m。漲潮過(guò)程中單小時(shí)最大漲幅為0．62m，落潮過(guò)程中單小時(shí)最大落幅為0．48m。

圖2 工程區(qū)外側(cè)潮位過(guò)程線

4 模擬計(jì)算結(jié)果分析

4．1 合龍階段龍口處典型水深流速過(guò)程

由模擬計(jì)算結(jié)果可知，合龍階段龍口處典型水深流速過(guò)程如下：

（1）當(dāng)龍口處水深較淺時(shí)，即落潮末期，龍口處水流流速較低，當(dāng)龍口處潮位由落轉(zhuǎn)漲時(shí)，水流流速為0；

（2）在漲潮初期，龍口處水深逐漸增加，流速則迅速增大，當(dāng)龍口水位抬高到一定程度時(shí)，水流流速達(dá)到最大；

（3）龍口處水位持續(xù)抬升，但流速逐漸減小，漲潮末期，龍口內(nèi)外水位相同時(shí)，龍口處流速為0；

（4）落潮初始時(shí)，龍口處水位逐漸下降，流速逐漸增大，當(dāng)龍口水深下降到一定程度時(shí)，水流流速達(dá)到最大；

（5）之后龍口水深繼續(xù)下降，流速也逐漸減小為0。

根據(jù)上述分析，龍口處漲潮初期雖然水深較淺，但水深和流速提升過(guò)快；漲潮末期和落潮初期則水深較深，這些時(shí)段均不適合龍口水下部分收縮作業(yè)。最適合龍口收縮作業(yè)的階段應(yīng)為龍口處落潮中段至落潮末期，這一時(shí)段中龍口水深逐漸下降，水流流速逐漸較小，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

同時(shí)根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，在采取必要輔助措施配合下，一般在龍口水深小于0．4m，流速不超過(guò)1．0～1．2m／s時(shí)為水力充填最佳作業(yè)時(shí)段；龍口水深小于0．7m，流速不超過(guò)1．5m／s時(shí)為水力充填可作業(yè)時(shí)段；龍口水深超過(guò)0．7m，流速超過(guò)1．5m／s時(shí)為水力充填不可作業(yè)時(shí)段。因此，明確各合龍步驟中水力充填可作業(yè)時(shí)段的持續(xù)時(shí)間，可為施工單位具體計(jì)劃合龍方案、籌備合龍作業(yè)提供重要依據(jù)，也是數(shù)學(xué)模型計(jì)算的重點(diǎn)工作內(nèi)容。

4．2 收縮合龍過(guò)程中各步驟龍口處水力特性

結(jié)合表1龍口收縮各步驟，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出1＃龍口各收縮步驟后龍口處水深流速過(guò)程線，各收縮步驟水力充填最佳作業(yè)時(shí)段和可作業(yè)時(shí)段歷時(shí)。由龍口各收縮步驟后龍口處水深流速過(guò)程線可知，在計(jì)算潮型下，合龍步驟1（平堵抬高0．5m）中水力充填最佳作業(yè)時(shí)段歷時(shí)3．6～6．3h，可作業(yè)時(shí)段歷時(shí)6．8～8h，合龍過(guò)程中龍口上最小水深為0．1～0．15m，最大流速為2．5m／s。合龍步驟2（龍口兩側(cè)立堵收窄）中水力充填最佳作業(yè)時(shí)段歷時(shí)3．6～5h，可作業(yè)時(shí)段歷時(shí)8．5～11．1h，合龍過(guò)程中龍口上最小水深為0．1～0．25m，最大流速為2．3m／s。合龍步驟2（龍口中央平堵斷流）中水力充填最佳作業(yè)時(shí)段歷時(shí)4～8．1h，可作業(yè)時(shí)段歷時(shí)8．7～10．1h，合龍過(guò)程中龍口上最小水深為0．25m，最大流速為2．4m／s。

4．3 龍口合龍施工計(jì)劃安排

根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，結(jié)合合龍期預(yù)計(jì)潮位過(guò)程，編制出1＃龍口合龍過(guò)程工作安排表，詳見(jiàn)表2～表3。橫沙東灘促淤圈圍六期工程1＃龍口于2012年1月1日開(kāi)始合龍施工，當(dāng)月3日成功合龍斷流，完成了國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)的單純采用水力充填方式合龍大型龍口的高難度施工。1＃龍口的順利合龍 成功也證明了在準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型指導(dǎo) 下，單純采用水力充填方式合龍大型龍口的可行性。

表2 1＃龍口平堵抬高工作安排

表3 1＃龍口立堵抬高工作安排

5 結(jié)語(yǔ)

水力充填方式合龍雖然成本較低，但對(duì)合龍期水力條件要求較高，一般只運(yùn)用在規(guī)模較小的龍口或外海側(cè)有拋石壩減緩龍口水流的大中型龍口。上述以橫沙東灘促淤圈圍六期工程為例，利用數(shù)學(xué)模型，結(jié)合龍口合龍施工中具體收縮步驟，分析了合龍期龍口處典型水深流速過(guò)程，并計(jì)算出各收縮步驟中水力充填合龍的最佳作業(yè)時(shí)段和可作業(yè)時(shí)段，為施工單位具體安排施工強(qiáng)度、配套設(shè)備等提供了重要支撐。1＃龍口的順利合龍成功也證明了在準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)下，單純采用水力充填方式也可運(yùn)用于中潮灘大型龍口的合龍，為類似條件的大型促淤圈圍工程龍口合龍施工提供了參考。

1 茅志昌，李九發(fā)，吳華林 ．上海市灘涂促淤圈圍研究［J］．泥沙研究，2003，（2）．

2 王文杰，余祈文 ．土工編織袋拋壩促淤施工及經(jīng)濟(jì)效益分析［J］．浙江水利科技，2002，（1）．

3 劉新成，盧永金，杜小弢，潘麗紅 ．長(zhǎng)江口青草沙水庫(kù)與河勢(shì)關(guān)聯(lián)的若干工程問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型分析［J］．人類活動(dòng)與河口，2008．

4 MIKE 21 ＆MIKE 3 Flow Model FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation．DHI，2008，3－5．

5 SL104－95，水利工程水利計(jì)算規(guī)范［S］．