大型沉管管節(jié)浮運(yùn)航道適航特性建模分析

陳宏偉 朱峰

摘要：為確保沉管隧道在航道中長(zhǎng)期浮運(yùn)作業(yè)的安全性與可靠性，依托深中通道工程備選預(yù)制廠方案，建立珠江口局部區(qū)域二維水流數(shù)學(xué)模型，在實(shí)測(cè)水文資料驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型計(jì)算揭示了浮運(yùn)航道的水動(dòng)力變化特征，開(kāi)展航道范圍內(nèi)橫流、縱流的變化特點(diǎn)分析。分析結(jié)果表明：工程實(shí)施后，龍穴港池水域的潮流流速普遍較弱，南沙四期港池水域流速變化較小，口門(mén)區(qū)水域環(huán)流較弱，為南沙港池作為防臺(tái)錨地提供有利條件;浮運(yùn)航道在小潮和中潮期間的最大橫流可以近似認(rèn)為不超過(guò)0.5 m/s;小潮和中潮期間的最大縱流不超過(guò)1.0 m/s，可以滿足通航對(duì)水流條件的要求。但是大潮期間水流條件不滿足浮運(yùn)對(duì)水流流速的要求。研究結(jié)果可以為沉管澆筑區(qū)選址和浮運(yùn)航道選線提供重要的參考依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：航道工程;浮運(yùn)航道;水流流態(tài);流速分布;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U612.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04011

Modeling and analysis of navigable characteristics of

large immersed tube elements of floating channel

CHEN Hongwei1，ZHU Feng2

（1.Guangzhou Port Company Limited， Guangzhou，Guangdong 510100， China; 2.CCCCFHDI Engineering Company Limited， Guangzhou，Guangdong 510230， China）

Abstract：In order to ensure the safety and reliability of longterm floating operation of immersed tunnel in the channel， the 2D mathematical model of the flow in Pearl River estuary was established based on the alternative prefabrication plant scheme of the Shenzhen Zhongshan river crossing channel project. On the basis of the verification of measured hydrological data， the hydrodynamic variation characteristics of floating channel were revealed through model calculation， and the characteristics of cross flow and longitudinal flow change within the channel were analyzed. The results show that after the implementation of the project， the tidal current velocity in Longxue harbor basin is generally weak， the change of current velocity in Nansha phase Ⅳ harbor basin is small， and the circulation in the mouth area is weak， which can provide favorable conditions for typhoon prevention anchorage; the maximum cross current of floating channel is less than 0.5 m/s during neap and middle tide; the maximum longitudinal current velocity in the period of neap tide and mid tide is less than 1.0 m/s， which can meet the requirements of floating transportation. However， the current conditions during spring tide can not meet the requirements of floating transportation. The research results can provide reference and technical support for site selection of immersed tube casting area and route selection of floating channel.

Keywords：waterway engineering; floating channel; flow pattern; velocity distribution; numerical simulation

大型構(gòu)件預(yù)制化是現(xiàn)代海洋工程中最為可靠的實(shí)施方案，也是目前最為先進(jìn)的工程理念。隨著預(yù)制構(gòu)件的異形化和大型化發(fā)展，預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸對(duì)設(shè)備和環(huán)境的要求也愈發(fā)苛刻，航道逐漸成為制約預(yù)制構(gòu)件發(fā)展的重要因素。航道普遍存在的水深不足、寬度有限、水流條件復(fù)雜等問(wèn)題使大型預(yù)制件的浮運(yùn)面臨著嚴(yán)峻的工程調(diào)整和重大的安全隱患。

大量學(xué)者針對(duì)珠江口航道的浮運(yùn)及通航特性開(kāi)展了深入研究。馮海暴等＼[1＼]對(duì)有限水域內(nèi)大型沉管的浮運(yùn)航道進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出航道的設(shè)計(jì)寬度與深度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的取值依據(jù)，并在港珠澳大橋沉管管節(jié)浮運(yùn)航道的選擇中推廣應(yīng)用;寧進(jìn)進(jìn)等＼[2＼]通過(guò)對(duì)航道尺寸限制和海流條件復(fù)雜性的綜合分析，提出了沉管吊拖和綁拖的組合方式，改進(jìn)了沉管浮運(yùn)的速度和姿態(tài);應(yīng)強(qiáng)等＼[3＼]通過(guò)平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，分析了建橋前后珠江口水動(dòng)力變化對(duì)地形及水文環(huán)境的影響程度。上述研究分別集中于沉管運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析以及河口水文狀態(tài)分析，而對(duì)于兩者之間的相互關(guān)聯(lián)及應(yīng)用于航道線形選擇方面的研究還較少。

深圳—中山跨江通道（以下簡(jiǎn)稱(chēng)深中通道）是連接深圳市和中山市的跨海通道，工程地處伶仃洋海域。在預(yù)制管節(jié)浮運(yùn)的過(guò)程中，對(duì)作業(yè)窗口期要求較長(zhǎng)，對(duì)航道水流狀態(tài)要求較高，浮運(yùn)最大允許橫流流速為0.5 m/s，最大允許縱流流速為1.0 m/s。因此，為保障管節(jié)浮運(yùn)的可靠性，本文針對(duì)龍穴港備選預(yù)制方案，基于浮運(yùn)航道的實(shí)際水流特征，建立了浮運(yùn)航道及周邊區(qū)域的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展龍穴港池至深中通道浮運(yùn)航道水流數(shù)值模擬研究，在實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上分析潮流場(chǎng)、航道沿程流速和特征點(diǎn)流速流向變化特點(diǎn)，為實(shí)際工程浮運(yùn)航道選擇及判斷提供可靠的參考依據(jù)＼[4＼]。第4期陳宏偉，等：大型沉管管節(jié)浮運(yùn)航道適航特性建模分析河北工業(yè)科技第38卷

1工程水域概述

伶仃洋是珠江口東側(cè)4個(gè)口門(mén)（虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇瀝和橫門(mén)）注入的河口灣，灣型呈喇叭狀，走向接近NNW-SSE方向，灣頂寬約4 km，灣口寬約30 km，縱向長(zhǎng)達(dá)72 km，水域面積為2 110 km2。伶仃洋的潮汐類(lèi)型屬不規(guī)則半日混合潮型，潮流運(yùn)動(dòng)總體呈北漲南落的往復(fù)流運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。珠江口為弱潮河口灣，潮差較小，平均潮差為 0.86～1.69 m，最大潮差為2.29～3.36 m，漲潮平均流速一般為0.4～0.5 m/s，落潮平均流速一般為0.5～0.6 m/s。東槽漲潮流較強(qiáng)，枯季尤為明顯，西槽落潮流占優(yōu)，汛期更為突出。無(wú)論漲潮還是落潮，灣內(nèi)縱向流速分布均呈現(xiàn)出由灣口向?yàn)稠斨饾u增大的趨勢(shì)＼[56＼]。

圖1為2016年洪季期間水文測(cè)點(diǎn)的潮流橢圓矢量圖，H1，H2，H3為潮位站，測(cè)點(diǎn)V1，V2，V3位于浮運(yùn)航道沿程水域，V4測(cè)站位于試挖槽上游，V6測(cè)站位于礬石水道上游。各層實(shí)測(cè)最大流速，均出現(xiàn)在位于礬石水道下游的V7測(cè)站落潮段表層，大潮期間表面最大流速為1.6 m/s，中潮期間表面最大流速為1.4 m/s，小潮期間表面最大流速為0.91 m/s。漲落潮流方向基本為南北向的往復(fù)流運(yùn)動(dòng)。

2平面二維水沙數(shù)學(xué)模型

2.1控制方程

在笛卡爾直角坐標(biāo)系下，根據(jù)靜壓和勢(shì)流假定，在水域面積較大的開(kāi)闊水域，平面尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度。將平面二維水流運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)輸運(yùn)方程寫(xiě)成如式（1）的向量表示形式[7]。

？U？t + ？E =S + ？Ed ， （1）

式中：U=（d，du，dv，ds）T;d 為全水深，d=h+ζ（h 為水平面以下水深;ζ為潮位）;E=（F，G），其中

F =dudu2 +gh2/2duvdus？è？？？？？？？÷÷÷÷÷， （2）

G =dvduvdv2 +gh2/2dvs？è？？？？？？？÷÷÷÷÷， （3）

式中：u，v 和s 分別表示x，y 方向的流速和水體含沙量。Ed 為水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)[8-9]。源項(xiàng)S 如式（4）所示。

S =So +Sf =0Sox +Sfx +fvSoy +Sfy -fu-Fs？è？？？？？？？÷÷÷÷÷， （4）

式中：Sox ，Soy 分別是x，y 方向的傾斜效應(yīng)項(xiàng)，即河床底部高程變化[10-11]。

Sox =-gd？zb/x ， （5）

Soy =-gd？zb/y ， （6）

式中：zb為河床底面高程;Sfx ，Sfy 是x，y 方向的底摩擦效應(yīng)項(xiàng)[11-12]。

Sfx =-gn2u u2 +v2d1/3 ， （7）

Sfy =-gn2v u2 +v2d1/3 ， （8）

式中：n 為曼寧系數(shù);f 為柯氏系數(shù)，f =2ωsinφ，ω 表示地轉(zhuǎn)速度，φ 為當(dāng)?shù)氐乩砭暥取?/p>

2.2 網(wǎng)格剖分及計(jì)算范圍

為準(zhǔn)確表達(dá)伶仃洋海域內(nèi)河網(wǎng)密布、島嶼眾多以及岸線曲折、邊界復(fù)雜等特點(diǎn)，模型中采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分，上游控制斷面設(shè)在虎門(mén)口、蕉門(mén)口、洪奇門(mén)以及橫門(mén)的小欖水道和雞鴨水道斷面，下游邊界取在珠海到香港大嶼山一線，模型控制水域面積約為3000km2，計(jì)算域共劃分10萬(wàn)個(gè)單元。選取1985國(guó)家高程基準(zhǔn)作為水深參考基面，水深數(shù)據(jù)來(lái)源于海圖（船訊網(wǎng)：http：//www.shipxy.com/），局部航道及港池區(qū)域采用已有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充加密。航道途徑水域的網(wǎng)格進(jìn)行特殊加密，如圖2和圖3所示。

模型計(jì)算過(guò)程中，邊界條件設(shè)定為H1到H3三個(gè)潮位站的潮位隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，程序通過(guò)迭代，解算整個(gè)計(jì)算區(qū)域的水位變化與流場(chǎng)變化情況。

2.3 模型驗(yàn)證

采用圖1中潮位測(cè)站和測(cè)點(diǎn)處近年來(lái)夏季大潮水文實(shí)測(cè)資料對(duì)二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)選擇與通航航道直接相關(guān)的南沙港潮位站和V1測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)潮位與流速數(shù)據(jù)，驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。驗(yàn)證結(jié)果顯示，模型計(jì)算結(jié)果潮位過(guò)程與天然情況基本吻合，高、低潮位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差均在±0.10m范圍以?xún)?nèi);V1測(cè)點(diǎn)的垂線流速、流向過(guò)程模擬與實(shí)測(cè)趨于相似，流速峰值和轉(zhuǎn)流時(shí)間二者也比較接近，垂線漲潮、落潮平均流速的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差均在10%以?xún)?nèi)，模型模擬結(jié)果滿足精度要求。

2.4 計(jì)算水情

考慮到浮運(yùn)碼頭工程設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要兼顧浮運(yùn)航道的洪季水情與枯季水情，如表1所示。由于洪季的上下游水位差異以及流量大小明顯大于枯水季，這意味著洪季的水流流速也顯著強(qiáng)于枯水季的水流流速，因此本文以洪季水情的大、中、小潮為例，分別計(jì)算這3種水情條件下的碼頭水域和航道沿程的水動(dòng)力變化情況。

3 方案設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

3.1 浮運(yùn)航道方案設(shè)計(jì)

工程備選浮運(yùn)航道的平面布置如圖5所示。平面布置包括龍穴港池、文沖碼頭和浮運(yùn)南航道，南沙港四期港池作為防臺(tái)錨地。浮運(yùn)航道C 段由糧食碼頭水域東南向斜穿伶仃洋中部淺灘，并與礬士水道連接，隨后沿D段東南向進(jìn)入東島以東的基槽水域。航道主槽底標(biāo)高疏浚至-12.5 m，主槽底寬160m;浮運(yùn)航道兩側(cè)各設(shè)置90m 寬拖輪航道，底高程疏浚至-6.1m。

3.2 澆筑區(qū)港池流速分析

圖6顯示了龍穴港池水域在洪季大潮下的平面流態(tài)分布，在周邊淺灘的掩護(hù)下，龍穴港池水域的潮流流速較弱;A01點(diǎn)位于澆筑區(qū)水域，洪季大潮水情條件下的漲、落潮平均流速分別為0.44 m/s和0.11m/s，漲潮流速普遍大于落潮流速;圖7表明南沙四期港池水域流速較小?？陂T(mén)區(qū)水域環(huán)流較弱，作為防臺(tái)錨地具有一定優(yōu)勢(shì)。浮運(yùn)航道C 段與伶仃航道交匯水域流速較大，且漲、落潮主流與浮運(yùn)航道走向夾角較大，因此交匯段航道水域產(chǎn)生的橫流流速也大。

3.3 航道沿程流速

圖8顯示了浮運(yùn)航道在洪季大潮水情條件下各段航道的流矢量沿程分布。可以看到：A 段位于近岸水域，航道走向與漲、落潮流向基本一致;C段及E段航道走向均與潮流主流向有一定夾角;與礬石水道重合的D航段處于伶仃洋主流區(qū)，航道走向與漲、落潮主流流向基本一致。A 段航道連接龍穴港池、文沖碼頭和南沙糧食碼頭，洪季大潮水情條件下，該段航道漲潮最大流速的平均值為0.92m/s，落潮最大流速平均值為0.58m/s，最大流速位于靠近龍穴港池的A14點(diǎn)，流速為1.17m/s;C段航道漲潮最大流速的平均值為0.69m/s，落潮最大流速平均值為0.81 m/s，落潮最大流速位于轉(zhuǎn)折段的D01點(diǎn)，流速為1.10m/s;E段航道最大流速位于靠近北端的E01點(diǎn)，流速為0.72m/s;在整個(gè)航道范圍內(nèi)，落潮流速最大值均出現(xiàn)在航道拐角處。

3.4 航道特征流速

圖9和圖10分別為沿著航道全程提取的斷面橫流和縱流流速分布結(jié)果，可以看到：A 段和D 段由于航道走向與漲、落潮流向基本一致，在洪季不用潮流條件下，產(chǎn)生的最大橫流平均值都較小，一個(gè)全潮過(guò)程中不存在大于0.5m/s流速的橫流;C段橫流最大時(shí)刻的流速平均值為0.52m/s，最大橫流出現(xiàn)在北段的C03點(diǎn)，流速為0.73m/s，一個(gè)全潮過(guò)程中橫流流速超過(guò)0.5m/s的作用時(shí)間為7h;E段橫流最大時(shí)刻的流速平均值為0.31m/s，最大橫流出現(xiàn)在北端的E01點(diǎn)，流速為0.51m/s，一個(gè)全潮過(guò)程中橫流流速超過(guò)0.5m/s的作用時(shí)間為2h。航道縱流（包括頂流和順流），流速超過(guò)1m/s主要出現(xiàn)在龍穴港池水域沿岸和礬石水道重合的A 段和D段。相對(duì)上述大潮期間的水流結(jié)果而言，中、小潮期間的最大縱流均不超過(guò)1m/s。綜上所述，浮運(yùn)航道可滿足中、小潮期間的通航水流條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)水文資料驗(yàn)證后的數(shù)值模型，對(duì)沉管管節(jié)浮運(yùn)備選工程方案的航道水流特性進(jìn)行了定量分析，用于判斷航道選址的安全性和合理性。研究得到的主要結(jié)論如下。

1）實(shí)測(cè)資料和模型試驗(yàn)均表明所在海域受水下地形和近岸邊界影響，潮流運(yùn)動(dòng)特性呈北漲、南落的往復(fù)流運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。所規(guī)劃浮運(yùn)航道的C 段以及E段走向與潮流主流向呈一定夾角，因此橫流較強(qiáng);航道A 段和D段與航道水流方向一致，因此縱流為對(duì)應(yīng)航段的主要流態(tài)。

2）不同潮位水情工況下，航道中的最大橫流出現(xiàn)在C段，大潮期間的航道最大橫流流速大于0.5m/s，中潮和小潮水情條件下的最大橫流流速小于或者臨界于0.5m/s;備選航道的最大縱流出現(xiàn)在A段和D段，中潮和小潮期間的最大縱流流速均不超過(guò)1m/s。

3）總體來(lái)說(shuō)，備選工程方案的浮運(yùn)航道在大潮期間的橫流與縱流流速均超過(guò)了沉管管節(jié)安全浮運(yùn)所規(guī)定的水流流速，因此備選浮運(yùn)航道不能滿足浮運(yùn)安全性要求，在后續(xù)方案比選中需要結(jié)合這一因素進(jìn)行綜合判斷該方案的可行性。

本文在二維水動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)沉管管節(jié)的浮運(yùn)安全性開(kāi)展定量評(píng)估。出于快速評(píng)估的目的，本文計(jì)算過(guò)程中未充分考慮水流與管節(jié)的相互作用。因此在后續(xù)研究中應(yīng)該更加詳細(xì)考慮結(jié)構(gòu)在水流作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)過(guò)程。

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