珠江新造水道河床穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

程金標(biāo)，吳德安，殷凡志

(1.中國(guó)人民解放軍92557部隊(duì)，廣州 510720；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

金光東隧道位于廣州市番禺區(qū)大學(xué)城和新造鎮(zhèn)、南村鎮(zhèn)之間，起點(diǎn)位于新造鎮(zhèn)金光大道與興業(yè)大道路口以北380 m，沿金光東大道向北，采用沉管法下穿珠江瀝滘(新造)水道至華工南路路口接大學(xué)城外環(huán)路，并向兩側(cè)延伸，左線隧道全長(zhǎng)2 430 m，右線隧道全長(zhǎng)2 710 m。金光東隧道工程所在河段位于廣州市東南方向的新造水道，該水道處于珠江口流域的網(wǎng)河區(qū)域之中，既受到上游徑流影響，又受到下游潮流上溯影響，因而河道沖淤影響因素較多[1]，沖淤變化較為復(fù)雜[2-3]。由于該隧道工程水下段采用沉管法施工[4]，對(duì)河床沖淤變化十分敏感，且河床的沖刷主要分為河流自然沖刷與工程局部沖刷兩種，而隧道埋設(shè)在河床底下，因此主要考慮河流自然沖刷[5-6]，工程河段河床的沖淤情況直接影響隧道的埋設(shè)位置和工程規(guī)劃建設(shè)的布局方案，同時(shí)也是確定隧道最大埋深的前提[7]。因此本文主要以自然條件下金光東隧道所在新造水道的地形變化響應(yīng)過(guò)程為研究對(duì)象分析其河床穩(wěn)定性。

1 水文測(cè)量[8]

在工程水域布設(shè)4條測(cè)流斷面，每條斷面根據(jù)測(cè)線長(zhǎng)度及河槽地形布置3～4個(gè),共計(jì)13個(gè)標(biāo)注為V1～V13測(cè)流、取沙點(diǎn)，進(jìn)行大、小兩個(gè)代表潮的水文測(cè)驗(yàn)。測(cè)驗(yàn)內(nèi)容包括斷面大、小潮流速、流量過(guò)程觀測(cè)，分層含沙量、懸沙顆粒、床沙顆粒、風(fēng)速風(fēng)向、表層水溫、鹽度、容重等，且各垂線同步觀測(cè)。施測(cè)大、小兩個(gè)代表潮，每個(gè)代表潮保證兩漲兩落，滿足潮流閉合要求。各代表潮觀測(cè)的具體起訖時(shí)間如表1所示。各斷面及測(cè)流取沙垂線布置如圖1所示。布設(shè)標(biāo)號(hào)為DH1～DH4的四個(gè)臨時(shí)潮位站，收集水文測(cè)驗(yàn)期間半個(gè)月的潮位資料，具體測(cè)量時(shí)間為2015年11月19日13:00—2015年12月04日13:00。

表1 具體測(cè)驗(yàn)時(shí)間表

圖1 研究河道及測(cè)驗(yàn)位置

對(duì)河床泥沙取樣分析可見(jiàn)，河道床沙以粉砂及砂粒為主，13條垂線床沙中值粒徑差異較大。大潮期間，中值粒徑D50平均值為0.452 mm，最大值為V11測(cè)站的3.81 mm，最小值為V9測(cè)站的0.009 mm；小潮期間，中值粒徑D50平均值為0.216 mm，最大值為V7測(cè)站的3.81 mm，最小值為V12測(cè)站的0.007 mm。相比較而言，小潮期間，中值粒徑相對(duì)較小，這體現(xiàn)了水流動(dòng)力作用下的泥沙淤積和侵蝕過(guò)程所導(dǎo)致?？傮w來(lái)講，同一測(cè)量橫斷面深水處底沙中值粒徑相對(duì)較??；沿徑流方向，近右岸處床沙中值粒徑總體上大于相應(yīng)左岸處床沙中值粒徑，這和河道彎曲地形及水流流態(tài)作用相匹配。從研究河段上游到下游，斷面平均中值粒徑有總體上減小的趨勢(shì)。

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 模型簡(jiǎn)介[9-10]

本文使用MIKE21軟件進(jìn)行模擬研究。基于MIKE21軟件建立適用于該水域的二維水動(dòng)力泥沙數(shù)學(xué)模型。MIKE21適用于湖泊、河口、海灣和海岸地區(qū)的水動(dòng)力及其相關(guān)問(wèn)題的平面二維仿真模擬。該軟件自開(kāi)發(fā)以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外水沙運(yùn)動(dòng)及相關(guān)環(huán)境研究領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，且數(shù)值模擬的科學(xué)性已經(jīng)得到大量研究驗(yàn)證[11-12]。

2.2 模型建立與驗(yàn)證

所建數(shù)值模型組成包括HD水動(dòng)力模塊和MT泥沙模塊，所建模型網(wǎng)格剖分圖如圖2所示，根據(jù)所研究問(wèn)題需求，通過(guò)調(diào)整疏密程度，最終得到的Mesh文件中共有4 824個(gè)三角形網(wǎng)格和2 611個(gè)節(jié)點(diǎn)。左下端部為上游開(kāi)邊界、右上部為下游開(kāi)邊界。根據(jù)表1所示的大小潮施測(cè)時(shí)間段及圖1所示的實(shí)測(cè)水文資料，開(kāi)展模型的建立和驗(yàn)證。上游水動(dòng)力開(kāi)邊界條件采用流量實(shí)測(cè)結(jié)果，下游水動(dòng)力開(kāi)邊界采用相應(yīng)的水位實(shí)測(cè)結(jié)果；上、下游含沙量開(kāi)邊界條件采用實(shí)測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)泥沙粒徑分析結(jié)果的計(jì)算與分析，結(jié)合水位、流速、含沙量實(shí)測(cè)資料，進(jìn)行模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，在此基礎(chǔ)上分別利用如圖1所示測(cè)站的大小潮的水位、流速、含沙量(SSC)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的率定和驗(yàn)證。本文只列出部分代表性測(cè)站的驗(yàn)證結(jié)果，如圖3所示。

圖2 模擬范圍及網(wǎng)格剖分

3-a DH1測(cè)站大潮水位驗(yàn)證結(jié)果 3-b DH3測(cè)站大潮水位驗(yàn)證結(jié)果

本文運(yùn)用百分比偏差模型[13]來(lái)評(píng)估上述各量的模型模擬情況，評(píng)估的算法如式(1)所示

(1)

式中：D為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，M為模擬數(shù)據(jù)，PB與模擬質(zhì)量等級(jí)關(guān)系如表2。

表2 |PB|值與模擬質(zhì)量等級(jí)關(guān)系

表3為大、小潮水位模擬評(píng)估結(jié)果，表4為大、小潮水體流速大小、流向、含沙量模擬評(píng)估結(jié)果。

表3 大、小潮水位模擬評(píng)估結(jié)果

表4 大、小潮水體流速、流向、含沙量模擬評(píng)估結(jié)果

可見(jiàn)，所建模型各站點(diǎn)水位、流速、含沙量驗(yàn)證擬合精度優(yōu)良，滿足相關(guān)規(guī)范要求[14-15]，可以利用所建模型開(kāi)展相關(guān)問(wèn)題研究。

3 河床沖淤變化數(shù)值模擬

本文對(duì)河床穩(wěn)定性的研究主要分為兩個(gè)方面，分別為通常水流動(dòng)力條件下的河床穩(wěn)定性，即不考慮洪水等不利條件影響，另外則是研究洪水作用過(guò)程影響下的河床穩(wěn)定性。

通過(guò)珠江流域水動(dòng)力模型，分別輸出45 d的通常邊界數(shù)據(jù)以及各種流量過(guò)程組合下的不利條件邊界數(shù)據(jù)，以此來(lái)對(duì)該工程河段河床穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

3.1 通常水流條件下沖淤分析

設(shè)置6個(gè)河床斷面用于比較分析河床的整體穩(wěn)定性，斷面設(shè)置如圖1所示，其中H1、H2、H3為三個(gè)橫向斷面，分別為隧道所在斷面及隧道前方與后方的橫向斷面；Z1、Z2、Z3三個(gè)斷面分別為河道中心線斷面及兩側(cè)平行斷面。完成模擬計(jì)算后，以所設(shè)置的斷面輸出點(diǎn)序號(hào)為橫坐標(biāo)，地形珠江基面負(fù)深度為縱坐標(biāo)繪制曲線圖，對(duì)比模式第27 h、15 d、45 d的斷面河床深度模擬曲線結(jié)果，分析其河床變化及其穩(wěn)定性。

3.1.1 橫斷面河床變化

橫斷面地形深度數(shù)據(jù)輸出順序由河道右岸向左岸，隧道工程附近斷面基面深度變化如圖4～圖6所示，隧道所在區(qū)域橫斷面整體處于十分穩(wěn)定的狀態(tài)，河槽內(nèi)有輕微淤積，河道右岸有輕微沖刷，隧道施工區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)河床下切的現(xiàn)象。

圖4 隧道橫斷面河床變化

圖6 隧道后方橫斷面河床變化

3.1.2 縱斷面河床變化

縱斷面地形深度數(shù)據(jù)輸出順序由上游向下游，對(duì)比如圖7～圖9所示的三條縱向斷面沖淤變化，三條斷面河床整體相當(dāng)穩(wěn)定，大部分區(qū)域出現(xiàn)輕微淤積，中線斷面穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有明顯沖刷，中線左側(cè)斷面上的淤積則因?yàn)樵撎幫緩缴畈?，其中有深坑，水流在該處爬坡流速下降，造成泥沙淤積強(qiáng)度大，而其他斷面中的相應(yīng)地形處基本都有一定量的淤積，沿程無(wú)河床下切現(xiàn)象。

圖7 中線縱斷面河床變化

圖9 河床右側(cè)縱斷面河床變化

3.1.3 沖淤分布平面圖

圖10為泥沙模擬45 d后的河道沖淤分布圖。由圖10可見(jiàn)，河道整體輕微淤積，大部分淤積區(qū)域的河床變化量為0～0.5 m，最大淤積量出現(xiàn)在河道右側(cè)，河床淤積量可達(dá)1.8 m，對(duì)應(yīng)于中線右側(cè)斷面深坑淤積。沖刷分布較少，河床變化量大部分在0～0.5 m，較強(qiáng)沖刷區(qū)域主要位于河道彎道右岸附近。

圖10 河道沖淤分布圖

3.2 典型特征水流條件下的沖淤比較分析

工程河段位于如圖11所示的珠江三角洲的河網(wǎng)區(qū)域，此處既受到上游徑流的影響，也會(huì)受到下游潮流上溯的影響，總體沖淤變化十分復(fù)雜，當(dāng)洪水經(jīng)過(guò)該河段時(shí)，即遭遇對(duì)工程相對(duì)不利的水流動(dòng)力條件時(shí)，工程所在區(qū)域斷面可能發(fā)生沖刷現(xiàn)象，而金光東隧道在設(shè)計(jì)之時(shí)采用沉管構(gòu)造，對(duì)河床沖刷具有高度的敏感性，因此需要考慮隧道所在斷面在大洪水發(fā)生不利條件下的沖淤情況，并以此確定隧道沉管的埋深。

3.2.1 大范圍水動(dòng)力模型邊界取值

各種洪水組合通過(guò)大范圍水動(dòng)力模型[16-17]輸出對(duì)應(yīng)水流條件組合作用下的工程河段邊界數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用到工程河段的沖刷計(jì)算中。

(1)洪水組合引用廣東省水利水電科學(xué)研究院在2004年9月編寫的《東江干流及三角洲河段設(shè)計(jì)洪潮水面線計(jì)算報(bào)告》中的如表5所示的各級(jí)頻率洪峰設(shè)計(jì)流量。

表5 主要水文站各級(jí)頻率設(shè)計(jì)洪峰流量

計(jì)算報(bào)告中用的組合為“1998.6”洪水組合、“1997.7”中水組合和“2001.2”的枯水組合。該三組水文組合為珠江河口區(qū)涉水工程的典型計(jì)算水文條件，已驗(yàn)證有效并被廣泛應(yīng)用。“1998.6”洪水組合：高要、石角、博羅邊界處的流量數(shù)值分別設(shè)置為49 869.54 m3/s、19 192.82 m3/s和14 635.74 m3/s。該組合持續(xù)時(shí)間為73 h。“1997.7”中水組合：高要、石角、博羅邊界處的流量數(shù)值分別設(shè)置為32 847.64 m3/s、9 133 m3/s和5 138.84 m3/s。該組合持續(xù)時(shí)間為187 h。“2001.2”枯水組合：高要、石角、博羅邊界處的流量數(shù)值分別設(shè)置為3 000 m3/s、650 m3/s和500 m3/s。該組合持續(xù)時(shí)間為200 h。由于要盡可能考慮最不利的洪峰組合，因此三個(gè)邊界數(shù)據(jù)依次取各測(cè)站0.5%、1%、2%頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)洪峰流量數(shù)值。即第一組，高要：55 900 m3/s、石角：20 400 m3/s、博羅：15 800 m3/s；第二組，高要：52 900 m3/s、石角：19 000 m3/s、博羅：14 500 m3/s；第三組，高要：50 500 m3/s、石角：17 600 m3/s、博羅：12 000 m3/s。結(jié)合之前三組水文組合，共設(shè)置6組流量邊界進(jìn)行沖淤模擬對(duì)比研究。

(2)外海開(kāi)邊界數(shù)據(jù)取2015年8月中的低潮位時(shí)間段，計(jì)算時(shí)間取三個(gè)水文組合中最長(zhǎng)的一段，即時(shí)間段長(zhǎng)度為200 h，自2015年8月16日4:00至8月24日12:00。

3.2.2 典型特征水流條件下隧道斷面沖淤變化

將大范圍水動(dòng)力模型在6種流量過(guò)程組合條件下輸出的工程河段邊界條件依次代入工程河段水沙模型進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，隧道所在斷面經(jīng)過(guò)200 h之后的河床演變深度與原河床深度相減，得到如圖12所示的相應(yīng)斷面地形沖淤變化計(jì)算結(jié)果。

圖12 隧道所在河床斷面沖淤變化

可見(jiàn)，隧道所在河床斷面深槽位置有明顯的沖刷下切現(xiàn)象，沖刷量隨著洪水組合流量的增大而增大，最大下切深度出現(xiàn)于深槽中央，沖刷結(jié)束后的最大沖刷值可達(dá)2.0 m左右，且深槽中的下切有向右岸發(fā)展的趨勢(shì)。而斷面左右兩岸側(cè)沖淤幾乎維持在平衡狀態(tài)，沒(méi)有明顯的沖淤變化。

為了分析研究洪水期隧道所在河床斷面的沖刷機(jī)理，對(duì)隧道斷面處的最大流速以及水位模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。隨著洪水流量的增大，隧道所在河床斷面處水位也有微小的增大，最大增量為0.033 m，而流速增大較為明顯，流速分布與流速增加有著相似的規(guī)律，靠近左右岸流速小，流速隨洪水流量增大變化相對(duì)較小，而深槽所在的主流區(qū)流速相對(duì)較大，隨洪水流量的增加其增值也大，隨著流量增大，主流區(qū)流速最大值達(dá)到1.44 m/s。上述模擬結(jié)果說(shuō)明工程河段在洪水期間，隨著洪峰流量的增大，河道中流速與水位也增大，流速增大幅度相較于水位更大，且主流區(qū)流速增大幅度大于兩岸，其水流挾沙能力明顯增大，造成的河床沖刷更強(qiáng)，使河床越發(fā)下切。

4 總結(jié)

利用基于MIKE21軟件所建立的珠江新造水道水流泥沙數(shù)值模型，對(duì)隧道工程所在河段進(jìn)行了45 d的水流泥沙運(yùn)動(dòng)模擬，對(duì)比河床27 h、15 d與45 d的珠江基面深度變化曲線，得到如下結(jié)論：

在通常水動(dòng)力條件下工程河段河床穩(wěn)定，沒(méi)有嚴(yán)重的河床下切，整體上輕微淤積，隧道區(qū)域處于輕微淤積狀態(tài)，施工具有可行性和安全性；隨后使用大范圍水動(dòng)力模型輸出上游洪、中、枯水三種情況下的邊界條件及三種頻率設(shè)計(jì)洪峰流量組合影響下的邊界條件，對(duì)隧道所在斷面進(jìn)行沖淤對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在洪水期隧道所在河床斷面有明顯的沖刷下切現(xiàn)象，下切深度隨洪水流量增大而增大，最大下切厚度達(dá)到2 m，因此在實(shí)際施工設(shè)計(jì)時(shí)，隧道埋深要考慮極端洪水作用因素，如果有更加極端的不利條件資料，需要進(jìn)一步模擬計(jì)算其深度，必要時(shí)需要采取工程措施。