內(nèi)河中游沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)沉放水文窗口選擇研究

韓建坤

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河　065201)

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內(nèi)河中游沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)沉放水文窗口選擇研究

韓建坤

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河065201)

沉管隧道工程管節(jié)浮運(yùn)沉放對浮運(yùn)水位和流速的要求高。南昌紅谷隧道為國內(nèi)首座內(nèi)河中游沉管隧道，受季節(jié)降水影響，水位和流速變化幅度大，滿足浮運(yùn)條件的水文窗口較少。通過對管節(jié)受到的水流力和拖輪拖力計(jì)算，確定水文邊界條件。采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)對浮運(yùn)航道內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)和控制斷面流速、水位進(jìn)行監(jiān)測作為水文預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。采用相應(yīng)水位(流量)法和合成流量法相結(jié)合的方法預(yù)測隧址位置水位、流量，將預(yù)測的水位、流量結(jié)果導(dǎo)入數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算浮運(yùn)航道內(nèi)的流場分布。現(xiàn)場實(shí)測表明，水位和流速預(yù)測誤差為±30 cm、±0.15 m/s，滿足管節(jié)浮運(yùn)水文預(yù)報(bào)精度的要求，并有效指導(dǎo)浮運(yùn)沉放水文窗口的選擇，保障紅谷隧道管節(jié)浮運(yùn)沉放施工的安全。

內(nèi)河沉管隧道； 管節(jié)浮運(yùn)沉放； 水文窗口； 水文預(yù)報(bào)

0　引言

沉管隧道具有斷面利用率高、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、施工方法簡單、工期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用。2000—2016年，我國共修建8座沉管隧道，其中6座已建成，在建的有港珠澳大橋島隧工程和南昌紅谷隧道2座大型沉管隧道。由于沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)、沉放對水文條件要求較高，國內(nèi)已建成的內(nèi)河沉管隧道均選擇在河道下游入?？诹魉俸退蛔兓容^小的位置修建。南昌紅谷隧道作為國內(nèi)首座江河中游沉管隧道，施工中需克服高水差、大流速和浮運(yùn)沉放窗口少等難題。

國內(nèi)學(xué)者在水文預(yù)報(bào)方面進(jìn)行了大量的研究。莫海鴻等[1]運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法對不同流速、水位等工況下管節(jié)沉放的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究大流速工況對管節(jié)沉放的不利影響； 呂衛(wèi)清等[2]通過對港珠澳大橋沉管隧道長大管節(jié)水動力性能試驗(yàn)研究，分析水文條件對管節(jié)浮運(yùn)沉放的影響； 李莉等[3]對兩棲裝甲車輛興波阻力的計(jì)算方法和流場進(jìn)行分析，可以作為管節(jié)浮運(yùn)興波阻力計(jì)算的參考； 林金雄等[4]采用CFD 軟件STAR-CCM+建立管節(jié)浮運(yùn)的數(shù)值模型，分析管節(jié)浮運(yùn)時的運(yùn)動及阻力狀態(tài)，研究橫向迎流和大流速條件對管節(jié)浮運(yùn)的不利影響； 王晶[5]總結(jié)分析了現(xiàn)有水文預(yù)報(bào)模型； 陳文愛[6]總結(jié)分析中長期水文預(yù)報(bào)的方法，指出原有統(tǒng)計(jì)分析預(yù)報(bào)方法的不足，建議采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊、灰色、混沌等方法綜合分析，提高水文預(yù)報(bào)精度； 王婷婷等[7]根據(jù)最小二乘法和信息熵理論建立水文預(yù)報(bào)模型進(jìn)行研究； 王有恒等[8]研究HBV水文預(yù)報(bào)模型在白龍江流域的應(yīng)用； 周文斌等[9]研究多元線性回歸分析法在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用； 黃巖等[10]研究流域規(guī)模對水文預(yù)報(bào)的影響； 陳森林等[11]分析影響河流或渠道斷面流速分布的因素，建立反映水流特點(diǎn)和河渠斷面形狀的指數(shù)型流速經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)，根據(jù)斷面平均流速得出斷面中個點(diǎn)流速分布； 王朝輝等[12]結(jié)合天津海河沉管隧道，對內(nèi)河沉管隧道施工方法進(jìn)行了研究。

目前，針對沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)過程中水流作用不利影響的研究較多，而關(guān)于沉管隧道工程水文預(yù)報(bào)方法的研究較少； 水利系統(tǒng)對水文預(yù)報(bào)的方法進(jìn)行了廣泛研究，現(xiàn)有預(yù)報(bào)方法對水位、流量預(yù)報(bào)結(jié)果基本上能夠滿足水利工程和防洪的需要，但適用于沉管隧道工程水文預(yù)報(bào)的研究較少。內(nèi)河沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)沉放過程中，管節(jié)橫向迎流時阻水?dāng)嗝娲?，對河流流速要求高。研究?nèi)河沉管隧道工程水文預(yù)報(bào)方法，選擇合適的水文浮運(yùn)窗口，對工程安全施工至關(guān)重要。本文結(jié)合南昌紅谷隧道工程，研究了適用于內(nèi)河沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)沉放水文預(yù)報(bào)和窗口選擇的方法。

1　工程概況

1.1管節(jié)概況

南昌紅谷隧道為內(nèi)河中游異地干塢雙向6車道公路隧道，穿越贛江，過江段采用沉管法施工。沉管段起訖里程為NK1+325～NK2+654，共12節(jié)管節(jié)，分4個批次在干塢內(nèi)預(yù)制，每個批次預(yù)制3節(jié)管節(jié)。管節(jié)長度分別為115、107.5、96.5、90 m。管節(jié)質(zhì)量根據(jù)管節(jié)長度變化，為2.2萬～2.8萬 t。管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

1.2浮運(yùn)航道概況

隧址位置既有航道通航標(biāo)準(zhǔn)為二級，為保證管節(jié)安全浮運(yùn)，設(shè)置浮運(yùn)航道。浮運(yùn)航道由干塢至隧址總長8 510 m，寬度70 m，疏浚底標(biāo)高+3.6 m。管節(jié)絞拖出塢后沿浮運(yùn)航道浮運(yùn)，依次穿越生米大橋、朝陽大橋和南昌大橋(航道處兩側(cè)橋墩凈距僅68 m)，到達(dá)隧址回旋區(qū)管節(jié)掉頭，最后浮運(yùn)至隧址沉放安裝。其中，管節(jié)出塢、回旋區(qū)掉頭和沿隧址浮運(yùn)期間管節(jié)橫向迎流。浮運(yùn)航道平面布置如圖2所示。

圖1　管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位： m)

圖2　浮運(yùn)航道平面圖

1.3水文氣象條件

南昌市地處北半球亞熱帶，受東亞季風(fēng)影響，具有顯著的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候特征。降水年際變化較大，年內(nèi)分配不均勻。2012—2014年贛江水位、流速變化曲線如圖3所示。

(a) 2012—2014年流速變化曲線

(b) 2012—2014年水位變化曲線

Fig. 3Variation of water level and flow velocity of Ganjiang River from 2012 to 2014

贛江流域汛期水位及流速變化幅度較大： 4—6月為主汛期，漲水較為頻繁； 7—9月為降雨季節(jié)，河段易出現(xiàn)洪水，洪峰時段水位變化大。水位及流速受季節(jié)影響大，枯水期為11月至次年2月。為減少航道疏浚開挖量，節(jié)省工程造價，管節(jié)浮運(yùn)、沉放選擇在4—10月豐水期施工。

1.4隧址位置和上游測站分布

隧址上游贛江主河道依次設(shè)有贛州、吉安、新干、樟樹、外州5個水位流量觀測站，隧址下游設(shè)有南昌水位觀測站。各水位觀測站平面布置如圖4所示。

圖4　贛江水文測站布置平面圖

Fig. 4Plan of layout of hydrological forecasting stations at Ganjiang River

各主要水文觀測站與隧址位置關(guān)系如表1所示。外州站和南昌站位于隧址附近。

表1主要測站距隧址距離

Table 1Distances from major hydrological forecasting stations to tunnel site

測站名稱距隧址距離/m贛州344吉安254新干179樟樹105外州5南昌-4

2　水文邊界條件

2.1管節(jié)受到的水流力計(jì)算

不同流速條件下管節(jié)浮運(yùn)過程中的水流力

Fw= 0.5CwρAv2。

(1)

式中： Cw為水流力阻力系數(shù)； ρ為水密度，kg/m3； A為計(jì)算構(gòu)件與流向垂直平面上的投影面積，m2； v為水流設(shè)計(jì)速度，m/s。

管節(jié)按照矩形梁考慮，水流力阻力系數(shù)Cw取2.32，內(nèi)河航道水密度ρ取 1 000kg/m3，管節(jié)干舷取0.15m，則管節(jié)水下的橫截面面積A1為 243.46m2，縱截面面積A2為937.25m2。因此，可以計(jì)算出不同流速條件下管節(jié)受到的水流力，如表2所示。

表2　不同流速條件下管節(jié)受到的水流力

2.2拖輪拖力計(jì)算

受內(nèi)河航道等級限制，本工程采用3艘4 200 HP拖輪及2艘3 600 HP拖輪進(jìn)行管節(jié)的拖航浮運(yùn)工作，4 200 HP拖輪系柱拖力標(biāo)準(zhǔn)值為500 kN，3 600 HP拖輪系柱拖力標(biāo)準(zhǔn)值為470 kN?？紤]拖輪的實(shí)際情況，4 200 HP拖輪的拖力取系柱拖力的0.8，3 600 HP拖輪的拖力取系柱拖力的0.7，并考慮拖輪在拖航時所受的摩擦阻力和剩余阻力計(jì)算拖輪拖力。拖輪拖力的計(jì)算參考《海上拖航指南》[13]中海上拖航阻力的估算方法。

拖航時的總阻力

Rt=1.15(Rf+RB)。

(2)

式中：Rf為拖輪的摩擦阻力，kN；RB為拖輪的剩余阻力，kN。

拖輪的摩擦阻力和剩余阻力

(3)

式中： A3為拖輪的水下濕表面積，m2； v1為水流速度，m/s； Cb為船舶剖面系數(shù)，拖輪取0.955； A4為拖輪浸水部分的橫剖面積，m2。

由式(2)、(3)計(jì)算拖輪的有效拖力，如表3所示。

2.3拖輪拖力分析

管節(jié)浮運(yùn)過程中的極端狀態(tài)為縱斷面橫向迎流，此時拖輪的布置如圖5所示，4艘旁拖拖輪A(3 600HP)、B(4 200HP)、C(4 200HP)、D(3 600HP)皆須全力抵抗水流力，由拖輪E(4 200HP)提供管節(jié)前進(jìn)的動力。

表3　拖輪有效拖力

圖5　拖輪布置

管節(jié)縱斷面橫向迎流工況時，不同流速條件下管節(jié)受到的水流力與拖輪拖力如表4所示。

表4　拖力分析

從表4中可以看出： 水流流速為1.2 m/s時，拖輪拖力與水流力對比安全系數(shù)為1.09； 水流流速為1.4 m/s時，拖輪拖力小于水流力。因此，管節(jié)浮運(yùn)過程中最大水流流速取1.2 m/s。

2.4水文邊界條件確定

管節(jié)浮運(yùn)沉放安裝的過程是連續(xù)的，出塢浮運(yùn)需要1 d，二次舾裝及拆拖輪工裝件需要3 d，沉放安裝需要1 d。依據(jù)拖輪拖力、航道特性和管節(jié)浮運(yùn)、沉放各工況的水文要求，最終選定的水文窗口如表5所示。

表5浮運(yùn)水文條件

Table 5Selection of hydrological conditions for tunnel segment floating transportation

關(guān)鍵點(diǎn)水流流速/(m/s)水位/m出塢≤0.6>13.5過南昌大橋≤0.8>13.5回旋區(qū)≤1.2>13.5隧址≤0.6>13.5沉放≤0.6>13.5

3　水文監(jiān)測

選用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)對塢口、航道、回旋區(qū)、隧址斷面流速、流向和水深進(jìn)行監(jiān)測[14]。

3.1測點(diǎn)布置

在浮運(yùn)航道范圍內(nèi)關(guān)鍵區(qū)域布設(shè)水文監(jiān)測點(diǎn)，主要包括塢口、生米大橋、朝陽大橋、南昌大橋、回旋區(qū)、隧址各管節(jié)位置和外州水文站。隧址位置水文監(jiān)測斷面如圖6所示。

圖6　隧址位置水文監(jiān)測斷面細(xì)部圖

3.2測試方法

將測量儀器固定在測量船旁，儀器調(diào)試完畢后開始測量?，F(xiàn)場測試過程如圖8所示。

斷面流速采用走航式測試方法測試，利用GNSS-RTK定位，測量船按照測試斷面航行，儀器自動采集航道范圍內(nèi)水文數(shù)據(jù)，通過專業(yè)軟件處理得到測試斷面內(nèi)最大流速、平均流速和水深數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵點(diǎn)流速、流向采用定點(diǎn)式流量測試方法測試，利用GNSS-RTK定位，測量船固定在測點(diǎn)位置，儀器自動采集測點(diǎn)水文數(shù)據(jù)，待滿足測試時間后測試下一點(diǎn)，通過專業(yè)軟件處理得到測試關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)流速、流向和水深數(shù)據(jù)。

圖7　水文監(jiān)測

3.2監(jiān)測頻率

管節(jié)浮運(yùn)沉放期間水文監(jiān)測頻率如表6所示。

表6　水文監(jiān)測頻率

4　水文預(yù)報(bào)

采用相應(yīng)水位(流量)法和合成流量法預(yù)測隧址位置水位、流量[14-16]。將預(yù)測到的水位、流量結(jié)果導(dǎo)入流場模型，計(jì)算航道范圍內(nèi)流場的分布情況，然后進(jìn)行流速預(yù)測。

4.1相應(yīng)水位(流量)法

相應(yīng)水位(流量)是指在河段同次洪水過程線上，處于同一位相點(diǎn)上、下站的水位(流量)。統(tǒng)計(jì)歷史水文數(shù)據(jù)得出上游測站和下游測站相應(yīng)水位(流量)的傳播關(guān)系，根據(jù)上游測站水位(流量)，可預(yù)報(bào)下游測站水位(流量)。相應(yīng)水位(流量)基本方程

Q下,t+τ=Q上,t-ΔQL+q。

(4)

式中： Q下,t+τ為下游測站的相應(yīng)流量； Q上,t為上游測站流量； τ為傳播時間；ΔQL為洪水波展開量； q為河段區(qū)間入流量。

4.2合成流量法

下游測站流量

(5)

式中： Q上,i,t-τi為上游干、支流各站相應(yīng)流量； τi為上游干、支流各站到下游測站的洪水傳播時間； n為上游干、支流的測站數(shù)目。

按照上游干、支流各站的傳播時間，把各站同時刻到達(dá)下游站的流量疊加起來得合成流量，建立合成流量與下游站相應(yīng)流量的關(guān)系曲線，根據(jù)式(5)計(jì)算得出下游測站水位(流量)。

合成流量法的預(yù)見期取決于上游各站中傳播時間最短的一個。一般情況下，從預(yù)報(bào)的精度要求出發(fā)，常常用它的傳播時間作為預(yù)報(bào)的預(yù)見期。

4.3水文預(yù)報(bào)期

根據(jù)相應(yīng)水位(流量)原理查找歷史水文數(shù)據(jù)，得出上游各測站水位(流量)與隧址位置測站水位(流量)傳播時間關(guān)系。外州站大流量(Q>6 000m3/s)、中等流量(3 000m3/s

表7上游測站到外州站水位(流量)傳播時間關(guān)系

Table7Propagationtimeofwaterlevel(flow)fromupstreamstationstoWaizhouStationh

測站名稱大流量中等流量小流量贛州485466吉安404552新干283440樟樹152024外州000

通過表7上游測站與隧址位置測站水位(流量)傳播時間關(guān)系，按照合成流量預(yù)報(bào)方法，結(jié)合工程需要，選取 24 h作為精確水文預(yù)報(bào)期，72 h作為參考水文預(yù)報(bào)期。

4.4流場計(jì)算模型

天然航道內(nèi)不同區(qū)域的流場分布差異較大，沉管浮運(yùn)過程中對浮運(yùn)航道范圍內(nèi)不同區(qū)域流速的要求不同，建立數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算浮運(yùn)航道范圍內(nèi)關(guān)鍵斷面的流場分布。

4.4.1 模型建立

選用MIKE軟件和二次開發(fā)程序?qū)牒哟驳匦尉€，對航道范圍內(nèi)流場建立三維模型，輸入水位、流量數(shù)據(jù)，計(jì)算航道范圍內(nèi)的流場分布。隧址位置流場計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8　流場計(jì)算結(jié)果

4.4.2模型率定

選取不同水位級別實(shí)測流場數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行率定，確定模型參數(shù)。模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)如圖9所示(圖中藍(lán)色標(biāo)記為計(jì)算結(jié)果，黃色標(biāo)記為實(shí)測結(jié)果，標(biāo)記長度表示流速大小)。從圖9可以看出，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。

圖9　流場數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對比

Fig. 9Comparison between numerical calculation results and monitoring results of flow field

4.5水文預(yù)報(bào)內(nèi)容

管節(jié)浮運(yùn)前3 d，結(jié)合上游測站水文數(shù)據(jù)和實(shí)測水文數(shù)據(jù)進(jìn)行水文預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)隧址位置水位、流量和關(guān)鍵斷面流速。管節(jié)浮運(yùn)前1 d再次預(yù)報(bào)隧址水位、流量和關(guān)鍵斷面流速。

4.6預(yù)報(bào)結(jié)果分析

南昌紅谷隧道工程E8管節(jié)于2016年4月27日順利完成浮運(yùn)，現(xiàn)以E8管節(jié)為例，分析水文預(yù)報(bào)和實(shí)測結(jié)果。水位預(yù)報(bào)和實(shí)測結(jié)果如表8所示，流速預(yù)報(bào)和實(shí)測結(jié)果如表9所示。

表8水位預(yù)報(bào)和實(shí)測對比

Table 8Comparison between predicted water level and monitoring resulstsm

24日實(shí)測預(yù)報(bào)25日預(yù)報(bào)26日預(yù)報(bào)27日26日實(shí)測預(yù)報(bào)27日27日實(shí)測17.617.317.016.816.816.516.7

表9　流速預(yù)報(bào)和實(shí)測對比

從表8和表9可知： 水位預(yù)測誤差為±30 cm，流速預(yù)測誤差為±0.15 m/s，水文預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測結(jié)果接近，水文預(yù)報(bào)結(jié)果滿足管節(jié)浮運(yùn)水文預(yù)報(bào)精度的要求。

5　水文窗口選擇

5.1水文窗口選擇方法

管節(jié)具備出塢浮運(yùn)條件后開始選擇水文窗口。根據(jù)隧址和贛江上游氣象、水文條件初步選定浮運(yùn)窗口。在初選窗口前3 d進(jìn)行水文實(shí)測，根據(jù)實(shí)測結(jié)果對未來3 d水文條件進(jìn)行預(yù)報(bào)，判別是否滿足浮運(yùn)條件，初步選定浮運(yùn)窗口； 浮運(yùn)前1 d再次實(shí)測，預(yù)報(bào)未來3 d水文條件，判別是否滿足浮運(yùn)條件，確定浮運(yùn)窗口。管節(jié)浮運(yùn)當(dāng)天實(shí)時監(jiān)測航道范圍內(nèi)水文信息，若發(fā)生較大差異須采取應(yīng)急措施。水文窗口選擇流程如圖10所示。

5.2水文窗口選擇效果

截至2016年6月13日，南昌紅谷隧道工程E1—E9管節(jié)順利完成浮運(yùn)，其中E1—E8管節(jié)沉放完畢。

管節(jié)浮運(yùn)水文窗口預(yù)測和實(shí)測結(jié)果對比如圖11所示。

從圖11可以看出： 浮運(yùn)前3 d預(yù)報(bào)結(jié)果與浮運(yùn)當(dāng)天實(shí)測結(jié)果有少量差異，浮運(yùn)前1 d預(yù)報(bào)結(jié)果與浮運(yùn)當(dāng)天實(shí)測結(jié)果基本一致。因此，本文選用的水文預(yù)報(bào)方法可以較好地滿足工程施工的需要。

圖10　水文窗口選擇流程

(a) 水位預(yù)測和實(shí)測對比

(b) 流速預(yù)測和實(shí)測對比

Fig. 11Comparison between predicted hydrological conditions and monitoring results during tunnel segment floating transportation

6　結(jié)論與建議

采用相應(yīng)水位(流量)法和合成流量法預(yù)測內(nèi)河沉管隧道工程隧址水位、流量，并將流量結(jié)果導(dǎo)入數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算浮運(yùn)航道內(nèi)流場分布?，F(xiàn)場實(shí)測表明，水位和流速預(yù)測誤差為±30 cm、±0.15 m/s，滿足管節(jié)浮運(yùn)沉放水文預(yù)報(bào)精度的要求。

相應(yīng)水位(流量)法和合成流量法的預(yù)報(bào)精度雖然能夠滿足工程需求，但此方法為短期水文預(yù)報(bào)方法，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)期為1 d，一般預(yù)報(bào)期為3 d，預(yù)見期較短，不利于施工組織。建議進(jìn)一步研究內(nèi)河沉管隧道工程中長期水文預(yù)報(bào)精度能夠滿足管節(jié)浮運(yùn)沉放要求的水文預(yù)報(bào)方法和技術(shù)。

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Study of Selection of Hydrological Conditions of Floating Transportation and Sinking of Honggu Immersed Tunnel in Nanchang

HAN Jiankun

(ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

The requirements of water level and flow velocity of segment floating transportation and sinking of immersed tunnel are high. Due to seasonal rain, the water level and flow velocity in Ganjiang River vary greatly and there are few hydrological conditions suited to tunnel segment floating transportation and sinking. The boundary conditions of hydrology are obtained by calculating water resistance and towing force. The water level and flow velocity of key points and control cross-sections are monitored by using acoustic Doppler Current Profilers (ADCP), and they are taken as the basis of hydrological forecasting. The water level and flow velocity are predicted by relevant water level method and compound flow rate method; and flow field distribution is calculated by numerical model based on predicted results. The field measured results show that the error of predicted water level and flow velocity are ±30 cm and ±0.15 m/s respectively; the hydrological prediction technologies can meet the accuracy requirements, and can guarantee the safety of segment floating transportation and sinking of Honggu Tunnel.

inland river immersed tunnel; segment floating transportation and sinking; hydrological window; hydrological forecast

2016-06-16;

2016-08-23

韓建坤(1971—)，男，河北樂亭人，1995年畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院，鐵道工程專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事隧道與地下工程施工技術(shù)與管理工作。E-mail： 3105268176@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.003

U 455

B

1672-741X(2016)09-1037-08