河流挾沙濃度對沉管基槽內(nèi)回淤厚度的影響

馮先導(dǎo),韓鵬鵬,仇正中,王 聰

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,武漢 430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,武漢 430040;3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,武漢 430040;4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司,武漢 430040)

0 引 言

在內(nèi)河上修建沉管隧道時需預(yù)先開挖基槽,因擱置時間長易受到洪水和暴雨影響,河床表面泥沙由靜止?fàn)顟B(tài)向懸移質(zhì)轉(zhuǎn)變,經(jīng)過基槽時在內(nèi)部形成回淤。國內(nèi)外學(xué)者通過CFD軟件研究不同流速下沖淤地形隨時間變化,揭示了泥沙運動規(guī)律[1]。曹影峰等[2]依托深中通道工程進(jìn)行試挖槽回淤觀測,從坡頂至坡腳回淤厚度逐漸遞增,且坡頂?shù)幕赜俸穸纫绕碌撞啃〉枚唷Ｍㄟ^對港珠澳大橋進(jìn)行預(yù)挖槽試驗,辛文杰等[3]及曹慧江等[4]通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得知,基槽中回淤主要由懸疑質(zhì)形成,在枯水期基槽內(nèi)回淤變幅不大,在汛期基槽回淤強(qiáng)度增加。依托廣州如意坊沉管隧道,傅鶴林等[5]分析兩河交匯處基槽回淤狀況,進(jìn)而得出基槽回淤厚度分布規(guī)律,基槽后坡淤積厚度明顯小于前坡淤積厚度。針對黏性顆粒絮團(tuán),許春陽等[6]采用模型試驗進(jìn)行絮團(tuán)沉速定性研究,泥沙顆粒隨著粒徑減小,絮凝強(qiáng)度逐漸增加,且低水流紊動強(qiáng)度有利于泥沙碰撞進(jìn)而絮凝沉降。李慧梅等[7]研究表明絮凝沉降速度受含沙量和泥沙粒徑影響較大。劉俊秀等[8]系統(tǒng)總結(jié)了膠體微粒絮凝原理,分析了泥沙級配、泥沙濃度對絮凝的影響,研究發(fā)現(xiàn)高濃度離子水體有助于細(xì)顆粒泥沙絮凝發(fā)生。黃穎[9]對水庫下游實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)水沙條件發(fā)生變化時,河段沖刷和回淤隨時間發(fā)展呈非線性,前期變化較大,隨后逐漸達(dá)到新的平衡。黃才安[10]通過水槽中輸沙強(qiáng)度試驗,在考慮泥沙顆粒相互作用基礎(chǔ)上,探究垂線方向上泥沙濃度分布規(guī)律。周雙[11]通過高速攝像技術(shù)觀察泥沙顆粒起動和懸疑質(zhì)運動過程,建立泥沙濃度較低時推移質(zhì)輸沙率公式。錢七虎[12]剖析現(xiàn)有數(shù)值模擬沖刷量較大的原因,為內(nèi)河修建沉管可行性提供參考。陳雄波[13]利用計算機(jī)編程模擬多沙河流泥沙運動規(guī)律,計算得到小浪底水庫泥沙輸運公式,其結(jié)果能夠反映實際地形變化。白靜[14]通過建立三維大渦模型來研究懸疑質(zhì)泥沙輸運過程,并研究了脈動速度對泥沙濃度的影響。孟震[15]開展了均勻沙和非均勻沙粗化試驗發(fā)現(xiàn),在高速水流作用下泥沙表層逐漸粗化并逐漸形成沙紋狀。

目前,眾多學(xué)者通過現(xiàn)場觀測和水槽試驗建立泥沙輸運方程,對泥沙運動和基槽內(nèi)回淤厚度分布規(guī)律已有很深的認(rèn)識,在相同泥沙濃度情況下,關(guān)于短期內(nèi)回淤厚度隨時間變化的研究少見?；谀嗌尺\動復(fù)雜性,依托襄陽內(nèi)河沉管隧道工程,建立三維數(shù)值計算模型,分析挾沙水流對基槽回淤厚度的影響,揭示沉管下放后基槽內(nèi)泥沙濃度分布規(guī)律,以期能夠為相似工程提供借鑒。

1 工程概況

襄陽東西軸線道路工程魚梁洲段起點位于規(guī)劃旭東路東側(cè),終點位于縱四路西側(cè),主線全長5.4 km,隧道工程主要包含樊城明挖隧道314 m、西汊沉管351 m、東汊沉管660 m。河床表層為粉層,泥沙直徑在0.075～0.2 mm之間,開挖坡度為1∶3;下層為卵石層,開挖坡比為1∶2。沉管基槽開挖深度為18.4 m,底部寬度為39.3 m,如圖1所示。

圖1 基槽斷面

2 基槽回淤觀測分析

在漢江東汊所在施工區(qū)域受到上游泄洪和暴雨天氣影響,基槽內(nèi)每天回淤厚度差異很大,為了減小基槽回淤對沉管安裝的影響,在基槽內(nèi)沉管頂部與底部設(shè)置回淤盒,開展回淤觀測試驗。結(jié)合水文條件對基槽內(nèi)回淤隨時間變化進(jìn)行研究分析。

東汊沉管基槽回淤主要發(fā)生在洪水季,從圖2可知,水流平均流速為9 cm/s,7月10—28日對基槽內(nèi)每天回淤厚度進(jìn)行分析,在監(jiān)測初期受到上游洪水影響,基槽沉管底部回淤強(qiáng)度平均為3～5 cm/d,基槽沉管頂部回淤強(qiáng)度平均為1 cm/d。洪水過后沉管頂部與底部回淤強(qiáng)度大致相同,都為1 cm/d。其中7月22—24日為暴雨天氣,在內(nèi)河流域,降雨從陸上挾帶泥沙微顆粒至水流中,基槽內(nèi)回淤量陡然增加,基槽沉管底部回淤強(qiáng)度平均為18 cm/d,基槽沉管頂部回淤強(qiáng)度平均為13 cm/d。暴雨過后,受到上游流量增加影響,流速增加至30 cm/s,之后的回淤強(qiáng)度與受到洪水影響的回淤強(qiáng)度相似。

圖2 流速與回淤厚度歷時曲線

3 基槽回淤演變數(shù)值分析

3.1 三維泥沙輸運方程

當(dāng)水流經(jīng)過松散泥沙河床時,泥沙顆粒運動方式主要包括起動、上舉與沉積3種形式。促成河床泥沙起動的力有上舉力、托拽力、脈動壓力等,泥沙賴以抗拒起動的力有重力、黏結(jié)力等,泥沙起動和沉積取決于這兩類力的狀態(tài)。

3.1.1 泥沙起動

泥沙起動是泥沙運動規(guī)律研究的重要內(nèi)容,Shields曲線被廣泛用作泥沙初始運動的準(zhǔn)則,由于其縱橫坐標(biāo)差異帶來黏性顆粒與起動情況不符合的事實[16],國內(nèi)外學(xué)者多次對其修正,其中沙玉清[17]考慮薄膜水引起黏聚效應(yīng)和孔隙率變化,利用水動力平衡方程得出泥沙粗細(xì)顆粒起動流速公式,結(jié)合實測資料加以驗證,即

(1)

式中：δ為薄膜水厚度,取值為0.000 1 mm;ε為孔隙率,其穩(wěn)定值為0.4;D為粒徑;d為水深;g為重力加速度;h為水深;γ為水重度;γs為泥沙顆粒重度;vc為泥沙起動流速。

3.1.2 泥沙上舉輸運

在實際水流中,河床表面剪切力是通過河流作用河床表面的剪力,臨界希爾指數(shù)θcr,n可以定義出臨界河床剪切力τcr,n,泥沙的起動和沉積作為泥沙運動兩種相對的狀態(tài)是同時發(fā)生的,聯(lián)合起來決定懸移質(zhì)和推移質(zhì)之間的交換比率,泥沙離開河床的上舉速度可以通過Winterwerp等式計算,即

(2)

(3)

式中：ulift,n為泥沙顆粒上舉速度;nb為河床面法向量對應(yīng)的系數(shù);an為泥沙挾帶系數(shù);d*,n為無量綱參數(shù);dn為泥沙顆粒直徑;sn為砂率;θn為第n種泥沙希爾參數(shù);τ為河床剪切力;τcr,n為臨界河床剪切力;ρn為第n種泥沙顆粒密度;ρf為流體密度;θcr,n為臨界希爾指數(shù),根據(jù)河床面上相同顆粒受到剪切應(yīng)力推導(dǎo)而得。

3.1.3 泥沙沉積

黏性細(xì)顆粒泥沙(粒徑<32 μm)存在絮凝現(xiàn)象導(dǎo)致沉降速度計算相對復(fù)雜。黏性細(xì)顆粒泥沙濃度達(dá)到2～3 kg/m3時,泥沙顆粒之間就會相互吸引發(fā)生制約沉降[6]。針對黏性沉降特性,為清晰描述泥沙黏性細(xì)顆粒沉降速度,利用分形維度概念,Te Slaa等[18]將Richardson-Zaki等式拆分得到黏性顆粒沉降速度ωfs,即

式中：ωs,0為單個黏性顆粒低濃度狀態(tài)下沉降速度;nf為分形維度;?為泥沙體積濃度;?f為黏性泥沙體積濃度;?max為泥沙最大濃度。針對非黏性細(xì)沙顆粒沉降特性,結(jié)合各種制約因子,Baldock等[19]沉降公式中引入Krieger-Dougherty 黏性項,得出非黏性沙沉降速度為

μe=ωs,0(1-?/?max)-2.5?max。

(5)

式中μe為非黏性泥沙顆粒沉降速度。

3.2 模型邊界條件確定

河床地形變化是泥沙運動的結(jié)果,通過水下聲納掃描得到東汊漢江河床原始地形高程數(shù)據(jù),經(jīng)過CATIA軟件邊界處理得到適合計算的三維模型。為研究水流對河床泥沙運動規(guī)律的影響,借助原有Flow-3D數(shù)值模型框架,將泥沙起動流速公式更換為沙玉清泥沙起動公式,重新建立泥沙起動模型。上游采用速度入口邊界,在速度入口設(shè)置泥沙濃度,下游采用壓力邊界,上部采用壓力邊界,左右采用對稱邊界,最小網(wǎng)格尺寸為0.35 m,網(wǎng)格總數(shù)大約150萬,初始條件水深為3.5 m。如圖3所示。

圖3 東汊河床地形

3.3 模型適用性分析

選取基槽內(nèi)左側(cè)、中部典型斷面作為流速監(jiān)測斷面,在基槽斷面共布置15個測點進(jìn)行流速監(jiān)測,如圖4所示。

圖4 基槽斷面測點布置

圖5 上游水流平均流速為0.1 m/s時基槽斷面流速驗證

河床整體呈現(xiàn)左低右高形態(tài),造成水流匯集河床左側(cè),因此基槽左側(cè)的流速比基槽中部大。當(dāng)上游水流平均流速為0.1 m/s時,基槽斷面流速如圖5所示,從實測測點1、測點2、測點4、測點7數(shù)據(jù)分析可以看出,水流經(jīng)過基槽斷面時,隨著過水?dāng)嗝婷娣e增大,在河流表面流速呈下降趨勢;經(jīng)過基槽后部,因過水?dāng)嗝婷娣e減小,流速有所增大,基槽后部流速小于基槽前部流速。從測點4、測點5、測點6可以看出,在基槽垂直向方向上流速呈現(xiàn)上高下低的趨勢。

根據(jù)測點分布位置,為驗證數(shù)值計算結(jié)果適用性,將沉管基槽計算流速與實際測得流速對比分析,如圖5所示。從圖5(a)中可以看出,在河道左側(cè),實測值與計算值差異在5%以內(nèi);從圖5(b)中可以看出,在河道中部,實測值與計算值差異在6%以內(nèi)。綜上所述,數(shù)值模型精度能夠滿足計算需求。

4 計算結(jié)果分析

4.1 清水條件下基槽內(nèi)回淤厚度分析

根據(jù)歷年流速實測數(shù)據(jù),漢江東汊河流流速在0.1～0.42 m/s之間,基于此,分析0.1、0.5 m/s狀況下清水條件下河床地形演變和基槽回淤狀態(tài)。當(dāng)河流平均流速為0.1 m/s時(圖6),河道流速比較平均,經(jīng)過沉管基槽時,水流表面流速有微弱下降,流速為0.03 m/s。在近岸兩側(cè)基槽內(nèi),受到遮蔽效應(yīng),水流流速趨近于0 m/s。河床表層泥沙尚未起動,從圖6可以看出,由于流速尚未達(dá)到河床面泥沙起動流速,河床表面地形整體并未發(fā)生變化,在東汊河道凹側(cè)因回旋水流存在,有少量回淤產(chǎn)生,在經(jīng)歷20 h后,基槽底部并未有回淤產(chǎn)生。

圖6 上游水流平均流速為0.1 m/s時流場分布與局部回淤地形

圖7 上游水流平均流速為0.5 m/s時流場分布與局部回淤地形

當(dāng)河流平均流速為以0.5 m/s時(圖7),河道右側(cè)受到地勢較高的影響,主流集中在左側(cè),表層流速較大,為0.63 m/s。經(jīng)過沉管基槽時,可明顯看出水流表面流速整體下降,流速為0.35 m/s。在近岸兩側(cè)基槽內(nèi),受到遮蔽效應(yīng),水流流速趨近于0.14 m/s。河床表層泥沙細(xì)顆粒接近起動流速,從沖刷地形圖6(b)和圖7(b)對比可以看出,河床表面地形整體已發(fā)生改變,在水流沖擊作用下局部河床由凹凸不平已開始變平,在基槽前端河床表面泥沙逐漸向基槽內(nèi)部運動,在基槽前坡段有淤泥,在東汊河道右側(cè)基槽底部尚能保持平整,在東叉河道右側(cè)有少量回淤產(chǎn)生,經(jīng)過20 h后,基槽底部有微量回淤。

4.2 泥沙濃度對沉管基槽回淤的影響

在遇到極端暴雨天氣以及支流高濃度水流匯入狀況下,水流挾帶陸上泥沙進(jìn)入河流混摻,因其碰撞粘結(jié)作用,遇見流速較低時,易絮凝沉降形成浮泥層,河床基槽內(nèi)回淤十分明顯。當(dāng)河床水流流速為0.1 m/s時,研究輸沙量分別為1、2、3、4 kg/m3基槽內(nèi)泥沙濃度分布情況,基槽表面設(shè)置11個測點分析基槽表面回淤變化,如圖8所示。

圖8 回淤厚度測量點布置

以上游輸沙濃度4 kg/m3為例,探究水中懸移質(zhì)經(jīng)過基槽時泥沙濃度分布,如圖9所示。上游進(jìn)口水沙條件與實測相似,在垂線方向上泥沙濃度逐漸升高,靠近河床面泥沙濃度接近8.4 kg/m3,水流中懸移質(zhì)經(jīng)過基槽沉積后,基槽前端泥沙濃度大于基槽后部泥沙濃度,水流中高濃度泥沙主要集中在基槽前坡和基槽底部,并在基槽底部逐漸沉積。

當(dāng)水流中泥沙含量較高時,基槽內(nèi)部回淤分布也有所差異,基槽兩側(cè)河床地形基本保持原有形狀,并沒有形成顯著回淤,不同泥沙濃度下基槽測點回淤厚度變化如圖10所示。

從圖10可知,基槽內(nèi)回淤初期各個位置回淤厚度大致相同,回淤經(jīng)過發(fā)展后,基槽靠近上游邊坡淤積較厚,靠近下游邊坡淤積較薄,前坡淤積量比后坡淤積量要大,相同時間內(nèi)基槽前坡回淤速率較后坡大。受到水流作用,泥沙在前坡回淤主要集中在坡段的兩側(cè),經(jīng)過基槽時,水流紊流強(qiáng)度漸弱造成泥沙沉積,含沙量顯著降低,在基槽后坡回淤厚度沿程逐漸降低。從圖10還可知,不同泥沙濃度挾沙水流經(jīng)歷20 h后,當(dāng)泥沙濃度為1 kg/m3時,在前坡回淤最大厚度為5 cm,基槽內(nèi)回淤厚度約為2.5 cm,在后坡回淤厚度約為1 cm;當(dāng)泥沙濃度為2 kg/m3時,在前坡回淤最大厚度為7 cm,基槽內(nèi)回淤厚度約為4 cm,在后坡回淤厚度約為2.2 cm;當(dāng)泥沙濃度為3 kg/m3時,在前坡回淤最大厚度為9.1 cm,基槽內(nèi)回淤厚度約為5.2 cm,在后坡回淤厚度約為3.5 cm;當(dāng)泥沙濃度為4 kg/m3時,在前坡回淤最大厚度為10.58 cm,基槽內(nèi)回淤厚度約為6 cm,在后坡回淤厚度約為2.5 cm。

4.3 沉管安裝對基槽回淤的影響

在河床表面開挖基槽后,鋪好碎石墊層,然后進(jìn)行沉管浮運安裝,沉管立面尺寸為31.2 m×9.2 m (寬×高),采用兩孔一管廊布置,如圖11所示。為探討沉管安放對基槽內(nèi)部泥沙回淤的影響,當(dāng)河床水流流速為0.1 m/s時,在沉管附近流場非常復(fù)雜,在沉管頂部的流速比沉管底部流速要大許多,在沉管尚未沉放區(qū)域內(nèi),在垂直方向上由于水流流速梯度較大,出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象;在沉管安放區(qū)域,沉管頂部流速為0.07 m/s,在沉管底部有明顯渦流存在,流速趨近于0.01 m/s。水流流速和泥沙濃度密切相關(guān),通過研究沉管周圍流場分布規(guī)律,間接推求水流中泥沙經(jīng)過沉管時發(fā)生的變化。通過泥沙濃度分別為1、2、3、4 kg/m3時分析計算,得出沉管底部和頂面在回淤分布規(guī)律。

圖11 沉管沉放布置及斷面A-A流線分布

從沉管縱向立面和橫向立面泥沙濃度分布規(guī)律(圖12(a))可知,在泥沙濃度為4 kg/m3時,在沉管前側(cè)泥沙濃度上升梯度較大,沉管前側(cè)泥沙濃度為6.7 kg/m3,約為沉管后側(cè)泥沙濃度兩倍,從泥沙濃度分布可以看出,水流中泥沙濃度在垂線方向上逐漸增加,經(jīng)過沉管時,底部濃度較高泥沙停留在沉管前側(cè),上部濃度較小泥沙顆粒繼續(xù)流向下游,造成少量泥沙沉積在沉管前側(cè),而在沉管后側(cè)幾乎沒有出現(xiàn)回淤,受到回旋流影響,在沉管后側(cè)附近泥沙濃度有所升高。從縱斷面(圖12(b))來看,沉管底部泥沙濃度比沉管頂部泥沙濃度高,在沉管頂部水流區(qū)域,泥沙濃度分布比較平均,由于沉管底部邊線處渦流存在,泥沙濃度最高的地方出現(xiàn)在沉管右側(cè),泥沙最高濃度為6.2 kg/m3,經(jīng)過長時間淤積會形成浮泥,當(dāng)沉管進(jìn)行下一節(jié)進(jìn)行沉放時,會影響其安裝精度。

圖12 沉管泥沙濃度分布

不同泥沙濃度對沉管回淤的影響如圖13所示。當(dāng)泥沙濃度為1 kg/m3時,經(jīng)歷20 h后,沉管頂部回淤厚度為1.1 cm,沉管底部回淤厚度為2 cm,相對于沉管頂部回淤厚度增加80%。當(dāng)泥沙濃度為4 kg/m3時,經(jīng)歷20 h后,沉管頂部回淤厚度為7.15 cm,沉管底部回淤厚度為9.35 cm,底部回淤厚度增加30%。沉管底部回淤量隨著泥沙濃度的增高而增高,沉管頂部也具有同樣規(guī)律,但頂部與底部回淤厚度差別隨著泥沙濃度增高而逐漸減小。另外,同基槽尚未安裝沉管相比較,安裝沉管后,受到沉管對水流的擾動,基槽底部回淤厚度有所增加。

圖13 沉管頂部與底部回淤厚度對比

5 結(jié) 論

(1)泥沙凝聚造成沉積因素眾多,從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看,水流中挾沙濃度增加會導(dǎo)致基槽內(nèi)回淤厚度增加,在基槽垂向方向上,泥沙濃度隨著水深增加而增加。

(2)在清水條件下,造成基槽內(nèi)回淤的主要原因是河床表面細(xì)顆粒形成推移質(zhì)流入基槽內(nèi),基槽回淤量主要集中前坡;在挾沙水流條件下,水流經(jīng)過基槽時流速下降是造成回淤的主要原因,回淤量主要集中在基槽前坡和底部,前坡回淤量厚度較后坡回淤量大。

(3)基槽內(nèi)安裝沉管后,沉管頂部相對基槽底部回淤厚度有所減小,在考慮減小回淤方案時,可以通過減小過水面積來阻止泥沙沉積。