深中通道工程對珠江口水動力環(huán)境影響

陳 靜，莫思平，徐 群

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

深中通道工程對珠江口水動力環(huán)境影響

陳 靜，莫思平，徐 群

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

深圳至中山跨江通道工程（簡稱深中通道）連接深圳和中山兩市，跨越珠江口內(nèi)伶仃洋“三灘兩槽”，大型人工島及大量橋墩的存在必然對珠江口水域的水流動力環(huán)境造成一定的影響。通過伶仃洋潮流物理模型試驗，研究深中通道各工程方案對珠江口水動力環(huán)境的影響。研究結(jié)果表明：A2方案（伶仃航道隧道＋礬石航道橋梁）對潮位影響最大、其他次之；人工島及橋墩附近水域流態(tài)變化較明顯，以人工島最大，通風(fēng)井、錨碇、主塔、索塔等建筑物次之，非通航橋墩附近流態(tài)變化不明顯，橋軸線5 km以遠水域已基本不受工程影響。總體而言，各工程方案對伶仃洋灘槽格局影響都不大，結(jié)合其他專題研究，一致推薦A3方案（伶仃航道橋梁＋礬石航道隧道）作為深中通道合理可行方案。

伶仃洋河口；深中通道工程；物理模型；水動力環(huán)境

陳靜，莫思平，徐群.深中通道工程對珠江口水動力環(huán)境的影響［J］.水利水運工程學(xué)報，2015（1）：96－104.（CHEN Jing，MO Si?ping，XU Qun.Impacts of Shenzhen?Zhongshan bridge project on hydrodynamic environment of Pearl River estuary［J］.Hydro?Science and Engineering，2015（1）：96－104.）

隨著人類發(fā)展空間向海洋不斷延伸，跨海大橋建設(shè)已經(jīng)漸趨普遍，世界各臨海國家，尤其是歐美日等發(fā)達國家均能看到跨海大橋。我國近年來跨海大橋建設(shè)也快速發(fā)展，東海大橋的建成標志著我國橋梁建設(shè)真正從江河跨向了海洋［1］，之后逐步建設(shè)了多座跨海大橋，如青島膠州灣、杭州灣等跨海大橋，在建的有港珠澳、泉州灣、南澳等跨海大橋。國內(nèi)眾多學(xué)者針對跨海大橋的建設(shè)對周邊水動力環(huán)境的影響開展了大量研究。唐軍建等對泉州灣跨海大橋的影響做了數(shù)值模型分析［2］；韓海騫等對杭州灣跨海大橋?qū)﹀X塘江河口水流的影響進行了闡述［3］；龐啟秀等進行了跨海大橋橋墩對周圍海區(qū)水動力環(huán)境影響數(shù)值模擬［4］；徐群等通過物模就港珠澳大橋?qū)χ苓吽鳝h(huán)境的影響做了深入研究［5－9］；季榮耀等［5］還討論了人工島不同形態(tài)、不同位置等對水流環(huán)境的影響。

深中通道工程（深圳至中山跨江通道）是連接珠江口東、西兩岸深圳和中山兩市的一條跨越珠江口內(nèi)伶仃洋的通道。項目擬考慮全橋、東隧西橋（礬石水道隧－伶仃水道橋）、西隧東橋（伶仃水道隧－礬石水道橋）和全隧4種建設(shè)方案（圖1），其中人工島長625m，寬175m；通風(fēng)井長240m，寬130m；錨碇直徑86m；橋墩迎水面寬約27 m。不同方案的主要阻水建筑物所處的水流環(huán)境不同，人工島布置也不盡相同，各方案的實施必將引起伶仃洋水流環(huán)境的變化，這種變化對周邊港口航道及海洋環(huán)境都可能帶來不利影響。因此，評估各不同方案對伶仃洋水流環(huán)境的影響差異，對選取較優(yōu)方案、減少工程負面影響有重要意義。

1 工程區(qū)自然條件和大橋工程方案

伶仃洋是珠江口東四口門注入的河口灣，呈喇叭狀，走向接近NNW?SSE方向，灣口寬約30 km（澳門至香港大濠島之間），縱向長達72 km，水域面積2 110 km2，伶仃洋水下地形具有西部淺、東部深的橫向分布特點和灣頂窄深、灣腰寬淺、灣口寬深的縱向分布特點，水下地形呈“三灘兩槽”的基本格局。伶仃洋為弱潮河口，具有潮差小、潮量大、潮流強的特點。潮流是塑造和控制灘槽格局的主要動力因素，近百年來伶仃洋灣內(nèi)水下地形長期維持穩(wěn)定的“三灘兩槽”基本格局［5］。

考慮到跨江通道建設(shè)應(yīng)盡可能減輕對珠江口防洪安全的影響，工程設(shè)計單位提出了4個平面布置方案：A1（全橋方案）、A2（橋隧結(jié)合，伶仃航道隧道＋礬石航道橋梁方案）、A3（橋隧結(jié)合，伶仃航道橋梁＋礬石航道隧道方案）、A4（長隧方案、伶仃、礬石航道均為隧道）。橋位比選方案及主要建筑物結(jié)構(gòu)示意見圖1和表1。

圖1 各方案布置及主要建筑物結(jié)構(gòu)（水位：m，其他：mm）Fig.1 Layout of each scheme and main structures of the bridge（unit：water level inm，others inmm）

表1 4個方案比較Tab.1 Comparison of four schemes

2 模型設(shè)計與結(jié)果分析

2.1 相似條件

為了使模型內(nèi)潮汐水流運動與原型相似，模型除滿足幾何相似條件外，必須服從同一種運動規(guī)律，并為相同的物理方程所描述。潮汐河口二維不恒定流基本方程式為：

式中：u，v分別為x，y向垂線平均流速；H為水深；Z為水位；C為謝才系數(shù)，如用曼寧公式，則C＝R1／6／n，n為曼寧糙率系數(shù)。

由式（1）～（3）可得模型與原型水流運動相似的比尺條件為：重力相似：；阻力相似：；水流運動時間相似：λt＝λL／λu，其中λL為水平比尺；λu為流速比尺；λn為糙率比尺；λH為垂直比尺；λt為水流時間比尺。這里須指出，潮汐河口大多數(shù)較寬淺，水流慣性力與阻力的影響占主導(dǎo)地位，柯氏力的影響很小，因而地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)一般可不予模擬。

在模型設(shè)計時，為了保證模型與原型水流相似，必須同時滿足：①模型水流必須是紊流，要求模型雷諾數(shù)Rem≥1 500；②為了避免模型內(nèi)水流運動受表面張力的影響，要求模型水深hm≥1.5 cm。

要保證模型內(nèi)水流處于阻力平方區(qū)，最小水深比尺必須滿足：

式中：Vp為Δp為原型床面糙率凸起高度；C0為無尺度謝才系數(shù)；p為壓強；νm為模型液體黏滯系數(shù)；λp為原型阻力系數(shù)。

2.2 模型比尺、范圍及驗證

根據(jù)模型相似計算及試驗場地確定模型的平面比尺為1∶1 000，垂直比尺為1∶120，變率約為8.3，由此推算出模型的其他比尺為：水平比尺λL＝1 000，垂直比尺λH＝120，流速比尺λV＝10.95，水流時間比尺λt＝91.32（實際取91），糙率比尺λn＝0.769。伶仃洋整體潮流物理模型［6，8］范圍包括整個伶仃洋河口灣，模擬水域南北長75 km，東西寬約50 km，模型邊界上至虎門口、蕉門口和洪奇門～橫門匯合口，上游用扭曲水道配合量水堰概化納潮河槽并控制徑流下泄；下至伶仃洋灣口，用翻板尾門實現(xiàn)潮汐過程控制；模型西側(cè)的洪灣水道和東側(cè)汲水門通道采用雙向泵模擬潮流進出，典型潮位、流速驗證結(jié)果見圖2。通過水文資料的驗證結(jié)果來看，模型較好地模擬了伶仃洋河口潮流動力特性，與原型具有較好的相似性。

圖2 深中通道物理模型潮位及流速驗證Fig.2 Verification of tidal level and velocity curves for the Shenzhen?Zhongshan bridge

2.3 模型量測設(shè)備

模型中潮位采用數(shù)字編碼震動式水位儀測量，誤差為±0.1 mm，測點流速由光電旋槳式流速儀測量，表面流場采用清華大學(xué)研制的“流場實施測量系統(tǒng)”進行采集，系統(tǒng)的測量誤差在±5%之間。在試驗前均需要對儀器進行率定，在試驗中同步跟蹤測量。

3 方案試驗及結(jié)果分析

試驗?zāi)康脑谟诹私鈹M建工程各方案修建后伶仃洋水域流場變化情況，比選出相對較優(yōu)的方案。根據(jù)試驗?zāi)康模敬文Ｐ筒捎?011年6月經(jīng)過驗證的洪季大潮資料分析不同工程方案對伶仃洋工程附近水位、流速、流態(tài)的影響。

3.1 深中通道對潮位影響

試驗主要分析了工程方案對工程區(qū)各主要潮位站及A3方案工程上下游區(qū)域潮位的影響，測點見圖3，各測站和測點潮位變化見表2和表3。從試驗結(jié)果來看：距離橋位較遠的內(nèi)伶仃、赤灣及距離橋位4 km以遠的站位工程前后變化較小，處在橋位上游1 000m范圍內(nèi)的潮位站變化較為明顯；處在橋位上游的潮位站表現(xiàn)為高潮位降低、低潮位抬高，潮差微減；處在橋位下游的潮位站在工程實施后低潮位降低、高潮位略有抬高、潮差略有增大；距離橫門東水道橋較近的橫門東站潮位變化幅度較大，最大值在0.05 cm左右，因此說，各工程方案對工程區(qū)潮位的影響在有限的范圍內(nèi)，遠區(qū)影響不大。

圖3 A3工程附近潮位取樣點布置Fig.3 Layout of water sampling points near A3 project area

表2 工程前后各潮位站高、低潮位變化Tab.2 Variations of high and low tide levels before and after completion of the bridge

表3 A3工程前后各潮位站高、低潮位變化Tab.3 Variations of high and low tide levels of scheme A3 before and after completion of the bridge

3.2 建橋?qū)α鲬B(tài)影響

試驗結(jié)果［9］表明，各擋水建筑物附近流態(tài)變化相似，漲落潮流在其背水一側(cè)形成紊動變化的回流區(qū)（見圖4），但影響尺度有所不同，流態(tài)變化幅度與建筑物尺度、所處水流環(huán)境密切相關(guān)，人工島相對影響最大。因此，本文以影響較大的人工島、通風(fēng)井、錨碇、索塔等的流態(tài)變化進行比較。

圖4 人工島周邊流態(tài)Fig.4 Simulated flow regime of the artificial island

受人工島阻水影響，漲落潮時，在人工島的背水側(cè)形成不同規(guī)模的回流區(qū)。A2方案西人工島附近漲潮時回流長度約2 000 m，落潮時的回流長度約2 500 m，寬度均約1 300 m；A3方案西人工島在其背水面形成了較大范圍的回流，落急時刻人工島下游南側(cè)環(huán)流的縱向長度約為4 000 m，漲急時刻人工島上游側(cè)回流范圍略小一些；A4方案人工島處在龍穴南水道出口東側(cè)水域，回流范圍相對較小、強度較弱。

A4方案的兩個通風(fēng)井背水面流態(tài)變化與人工島類似，但調(diào)整范圍較小，落潮時流態(tài)回流范圍長度約為2 000 m，漲潮時上游側(cè)流態(tài)調(diào)整范圍約1 500 m。

通航孔兩側(cè)的索塔和錨碇對局部流態(tài)有調(diào)整影響，東側(cè)索塔和錨碇流態(tài)變化幅度相對略大，漲落潮流態(tài)調(diào)整范圍在上下游各1 000 m以內(nèi)，西側(cè)漲落潮流態(tài)變化范圍在上下游500 m范圍內(nèi)。

從以上的分析結(jié)果來看：深中通道工程A1～A4線位方案對潮流場的影響主要發(fā)生在工程區(qū)附近，以人工島最大，通風(fēng)井、通航區(qū)主塔、索塔、錨碇等建筑物次之，非通航橋墩附近流態(tài)變化不明顯，橋軸線5 km以遠水域已基本不受工程影響。

3.3 建橋?qū)こ虆^(qū)流速影響

3.3.1 對灘槽流速的影響 圖5和表4分別給出了灘槽取樣點布置圖及取樣點工程前后流速變化情況。

表4 灘槽工程前后漲落潮平均流速變化Tab.4 Variations of ebb and flow mean velocities in bottomland and swale before and after completion of the bridge

（續(xù)表）

由表4可知：① A1，A3線位對西部淺灘影響很小，僅在橋軸線附近流速點略有變化，變幅在0.05 m／s以內(nèi)，而A2，A4線位，由于在淺灘區(qū)域布置有人工島，因此對西部淺灘流速影響都相對較大，流速最大變化值可達0.22 m／s。②各線位對伶仃航道影響均表現(xiàn)為潮流動力增強，A2線位在伶仃航道附近布置人工島，對伶仃航道流速影響最大（最大增幅為0.12 m／s），影響范圍在橋軸線上、下游各5 km的航段，其他線位影響相對較小，流速增幅在0.04 m／s以內(nèi)。③A2，A3線位在中部淺灘上均布置有人工島，對中部淺灘局部流速影響范圍和影響幅度較大，影響較大的范圍主要在人工島及通風(fēng)井附近1 500 m內(nèi)的取樣點，流速變化在0.05～0.20 m／s以內(nèi)；而A1，A4方案對中部淺灘流速影響較小。④工程方案實施后，受人工島及索塔、錨碇的影響，礬石水道內(nèi)流速普遍增大，A3方案對礬石水道影響幅度最大，礬石水道段流速最大增幅為0.09 m／s，A4通風(fēng)井對礬石水道流速影響最小，不超過0.04 m／s。⑤東灘流速變化主要在橋位附近上下游各3 km范圍內(nèi)，流速變化值在0.04～0.10 m／s之間，其他段流速變化不大。

圖5 灘槽流速取樣點布置Fig.5 Layout of velocity sampling point along bottom land and swale

3.3.2 對局部流速的影響 圖6給出了A3方案工程前后人工島附近流速點布置，每個點的間距為500 m，共布置了77個點，表5給出了各流速點流速變化情況。分析表中數(shù)據(jù)可知，人工島附近流速變化與流態(tài)變化相似，人工島迎水面流速減緩，人工島兩側(cè)流速增強。人工島對過水?dāng)嗝娴氖饔脤?dǎo)致周邊流速增加和減少的影響是局部的，人工島周邊流速變化敏感區(qū)在橋軸線上、下2 500 m，人工島東、西兩端以外1 500 m的范圍內(nèi)。

根據(jù)試驗研究結(jié)果［10］，其他人工島周邊流速變化趨勢與A3方案人工島相似，但變化幅度會隨人工島所處的位置有所不同，位于兩航道之間的人工島流速變化較位于西部淺灘的人工島周邊流速變化范圍及變化幅度要大，主要是因為前者人工島長軸向與水流方向幾乎垂直且流速較大，而后者人工島長軸向與水流方向夾角較小且該水域水流動力較弱。

圖6 A3人工島附近流速取樣點布置Fig.6 Layout of velocity sampling point near the A3 artificial island

表5 A3方案西人工島橋附近工程前后漲落潮平均流速變化Tab.5 Variations of ebb and flow mean volecities near the west artificial island of scheme A3 before and after completion of bridge

4 結(jié) 語

（1）深中通道各線位橫跨三灘兩槽，各線位對伶仃航道的影響趨勢相同，均使得伶仃航道內(nèi)橋位附近水流動力有所增強，A2方案影響幅度較大；礬石水道內(nèi)水流動力環(huán)境與伶仃航道相似，均有所增強，A3方案影響幅度較大；各線位對三灘的影響主要受人工島影響較大，影響范圍在人工島上下游2 500 m范圍內(nèi)。

（2）深中通道工程對潮流場的影響主要發(fā)生在工程區(qū)附近，受建筑物影響，漲、落潮流在其背水一側(cè)形成紊動變化的回流區(qū)，流速減??；在兩側(cè)形成擾流，流速增大。擋水建筑物對周邊海區(qū)的影響與建筑物的位置、形態(tài)、大小及周邊水流環(huán)境等密切相關(guān)，以人工島影響尺度最大、通風(fēng)井、主塔、索塔、錨碇等建筑物次之，非通航橋墩附近流態(tài)變化不明顯，橋軸線5 km以遠水域已基本不受工程影響，深中通道工程各線位對伶仃洋水域影響較小。

（3）深中通道工程建成后，受阻水建筑物影響，處于橋位1 km范圍內(nèi)潮位變化略明顯，橋位上游的潮位站表現(xiàn)為高潮位降低、低潮位抬高，潮差微減；橋位下游的潮位站低潮位降低、高潮位略有抬高、潮差略有增大；橋位4 km以遠的站位工程前后變化很小。A4（全隧）、A1（全橋）、A3（東隧西橋）方案對潮位及水流的影響均相對較小，A2（西隧東橋）方案影響相對較大。結(jié)合其他控制性因素［7，11－12］，如寶安機場航空安全、防洪控制等因素，著重對A3、A4兩個方案進行分析，由于A4線位全隧方案在設(shè)計、施工及運營階段風(fēng)險過高、工程造價昂貴，因此，推薦A3線位方案為深中通道工程合理可行的方案。

（4）由于模型為變態(tài)模型，模型變率為8.3，會對水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但由于模型寬深比較大（變率小于10，寬深比大于2）［12］，只要滿足重力相似和阻力相似，變態(tài)模型在水流動力軸線及垂線平均縱向流速與正態(tài)模型比較誤差在10%以內(nèi)，對于阻水建筑物人工島采用的幾何比尺，但邊坡的變態(tài)對流態(tài)變化與正態(tài)邊坡在其背水區(qū)形成的流態(tài)沒有明顯差異［6］。

［1］黃融.關(guān)于東海大橋設(shè)計方案優(yōu)化的思考［J］，世界橋梁，2004（增1）：1?5.（HUANG Rong.Considerations of design optimization of Donghaibridge［J］.World Bridges，2004（Suppl1）：1?5.（in Chinese））

［2］唐軍建，陳楚漢，溫生輝.泉州灣跨海大橋潮流場數(shù)值模擬［C］∥第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集，2011：978?985.（TANG Jun?jian，CHEN Chu?han，WEN Sheng?hui.The numerical simulation of tidal current field in Quanzhou bay sea?crossing bridge［C］∥International Symposium of the 15th China Ocean（Shore）Engineering，2011：978?985.（in Chinese））

［3］韓海騫，熊紹隆，朱軍政，等.杭州灣跨海大橋?qū)﹀X塘江河口水流的影響［J］.東海海洋，2002，20（4）：57?63.（HAN Hai?qian，XIONG Shao?long，ZHU Jun?zheng，et al.The impact on the flow of Qiangtang estuary by the Hangzhou baymajor bridge［J］.Donghai Marine Science，2002，20（4）：57?63.（in Chinese））

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［7］應(yīng)強，辛文杰.深圳至中山跨江通道工程對港口航道影響海床演變分析［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2012.（YING Qiang，XINWen?jie.Seabed evolution analysis for Hong Kong?Zhuhai?Macao Bridge［R］.Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2012.（in Chinese））

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［10］莫思平，徐群，陳靜，等.深圳至中山跨江通道工程對港口航道影響物理模型試驗研究［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2012.（MO Si?Ping，XU Qun，CHEN Jing，et al.Impacts of the Shenzhen?Zhongshan bridge on flow environment of ports and waterways in Lingdingyang estuary［R］.Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2012.（in Chinese））

［11］劉俊勇，林鳳標，劉壯添，等.深圳至中山跨江通道項目工程規(guī)劃方案防洪影響論證報告［R］.廣州：珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，2012.（LIU Jun?yong，LIN Feng?biao，LIU Zhuang?tian，et al.Impacts of Shenzhen?Zhongshan bridge plans on flood control［R］.Guangzhou：Pearl River Water Resources Research Institute，Pearl River Water Resources Commission，2012.（in Chinese））

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Im pacts of Shenzhen?Zhongshan bridge project on hydrodynam ic environment of Pearl River estuary

CHEN Jing，MO Si?ping，XU Qun
（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

The Shenzhen?Zhongshan sea?crossing bridge connects the cities of Shenzhen and Zhongshan，across the“three shoals and two deep troughs”in the Pearl River estuary.A lot of piers and large?scale artificial islands in the water area will have impacts on the hydrodynamic environment of the Lingdingyang estuary，the inner part of the Pearl River estuary.In this research，the physicalmodel for the bridge is built to analyze the impacts of the project on the hydrodynamic environment of the Lingdingyang estuary.The experimental results show that：the scheme A2 has the greatest impacts on the sea level，the others take the second place；the changes in sea level and flow field are sensible near the artificial island and the main piers；the impacts of the artificial island on the hydrodanamic environment are the greatest，the impacts of the ventilation shafts，anchorage，king tower，towers located on the Lingdingyang sea area take the second place；there will be no great changes near the non?navigable bridge pier；and the the area 5，000 m away from the bridge has a tiny change.Overall，the Shenzhen?Zhongshan project has little impacts on the Lingdingyang estuary.Based on this research and other previous researches，experts have unanimously recommended that the scheme A3（a bridge across the Lingdingyang waterway combined with the Fanshi submerged tunnel）should be taken as a reasonable and feasible scheme.

Lingdingyang estuary；Shenzhen?Zhongshan bridge；physicalmodel；hydrodynamics environment

TV148；TV131.6

A

1009－640X（2015）01－0096－09

10.16198／j.cnki.1009－640X.2015.01.014

2014－06－08

陳 靜（1977－），女，河北保定人，工程師，碩士，主要從事港口航道物理模型試驗研究。E?mail：chenjing＠nhri.cn