珠江新造水道河床穩定性數值模擬研究

程金標，吳德安，殷凡志

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

金光東隧道位于廣州市番禺區大學城和新造鎮、南村鎮之間，起點位于新造鎮金光大道與興業大道路口以北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城外環路，并向兩側延伸，左線隧道全長2 430 m，右線隧道全長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河區域之中，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]，沖淤變化較為復雜[2-3]。由于該隧道工程水下段采用沉管法施工[4]，對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位置和工程規劃建設的布局方案，同時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過程為研究對象分析其河床穩定性。

1 水文測量[8]

在工程水域布設4條測流斷面，每條斷面根據測線長度及河槽地形布置3～4個,共計13個標注為V1～V13測流、取沙點，進行大、小兩個代表潮的水文測驗。測驗內容包括斷面大、小潮流速、流量過程觀測，分層含沙量、懸沙顆粒、床沙顆粒、風速風向、表層水溫、鹽度、容重等，且各垂線同步觀測。施測大、小兩個代表潮，每個代表潮保證兩漲兩落，滿足潮流閉合要求。各代表潮觀測的具體起訖時間如表1所示。各斷面及測流取沙垂線布置如圖1所示。布設標號為DH1～DH4的四個臨時潮位站，收集水文測驗期間半個月的潮位資料，具體測量時間為2015年11月19日13:00—2015年12月04日13:00。

表1 具體測驗時間表

圖1 研究河道及測驗位置

對河床泥沙取樣分析可見，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測站的3.81 mm，最小值為V9測站的0.009 mm；小潮期間，中值粒徑D50平均值為0.216 mm，最大值為V7測站的3.81 mm，最小值為V12測站的0.007 mm。相比較而言，小潮期間，中值粒徑相對較小，這體現了水流動力作用下的泥沙淤積和侵蝕過程所導致?？傮w來講，同一測量橫斷面深水處底沙中值粒徑相對較?。谎貜搅鞣较?，近右岸處床沙中值粒徑總體上大于相應左岸處床沙中值粒徑，這和河道彎曲地形及水流流態作用相匹配。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。

2 模型建立與驗證

2.1 模型簡介[9-10]

本文使用MIKE21軟件進行模擬研究。基于MIKE21軟件建立適用于該水域的二維水動力泥沙數學模型。MIKE21適用于湖泊、河口、海灣和海岸地區的水動力及其相關問題的平面二維仿真模擬。該軟件自開發以來，在國內外水沙運動及相關環境研究領域已被廣泛應用，且數值模擬的科學性已經得到大量研究驗證[11-12]。

2.2 模型建立與驗證

所建數值模型組成包括HD水動力模塊和MT泥沙模塊，所建模型網格剖分圖如圖2所示，根據所研究問題需求，通過調整疏密程度，最終得到的Mesh文件中共有4 824個三角形網格和2 611個節點。左下端部為上游開邊界、右上部為下游開邊界。根據表1所示的大小潮施測時間段及圖1所示的實測水文資料，開展模型的建立和驗證。上游水動力開邊界條件采用流量實測結果，下游水動力開邊界采用相應的水位實測結果；上、下游含沙量開邊界條件采用實測結果。通過對實測泥沙粒徑分析結果的計算與分析，結合水位、流速、含沙量實測資料，進行模型相關參數的設置，在此基礎上分別利用如圖1所示測站的大小潮的水位、流速、含沙量(SSC)測驗數據進行模型的率定和驗證。本文只列出部分代表性測站的驗證結果，如圖3所示。

圖2 模擬范圍及網格剖分

3-a DH1測站大潮水位驗證結果 3-b DH3測站大潮水位驗證結果

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

(1)

式中：D為實測數據，M為模擬數據，PB與模擬質量等級關系如表2。

表2 |PB|值與模擬質量等級關系

表3為大、小潮水位模擬評估結果，表4為大、小潮水體流速大小、流向、含沙量模擬評估結果。

表3 大、小潮水位模擬評估結果

表4 大、小潮水體流速、流向、含沙量模擬評估結果

可見，所建模型各站點水位、流速、含沙量驗證擬合精度優良，滿足相關規范要求[14-15]，可以利用所建模型開展相關問題研究。

3 河床沖淤變化數值模擬

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

通過珠江流域水動力模型，分別輸出45 d的通常邊界數據以及各種流量過程組合下的不利條件邊界數據，以此來對該工程河段河床穩定性進行研究。

3.1 通常水流條件下沖淤分析

設置6個河床斷面用于比較分析河床的整體穩定性，斷面設置如圖1所示，其中H1、H2、H3為三個橫向斷面，分別為隧道所在斷面及隧道前方與后方的橫向斷面；Z1、Z2、Z3三個斷面分別為河道中心線斷面及兩側平行斷面。完成模擬計算后，以所設置的斷面輸出點序號為橫坐標，地形珠江基面負深度為縱坐標繪制曲線圖，對比模式第27 h、15 d、45 d的斷面河床深度模擬曲線結果，分析其河床變化及其穩定性。

3.1.1 橫斷面河床變化

橫斷面地形深度數據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，隧道所在區域橫斷面整體處于十分穩定的狀態，河槽內有輕微淤積，河道右岸有輕微沖刷，隧道施工區域沒有出現河床下切的現象。

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

縱斷面地形深度數據輸出順序由上游向下游，對比如圖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穩定，大部分區域出現輕微淤積，中線斷面穩定，幾乎沒有明顯沖刷，中線左側斷面上的淤積則因為該處途徑深槽，其中有深坑，水流在該處爬坡流速下降，造成泥沙淤積強度大，而其他斷面中的相應地形處基本都有一定量的淤積，沿程無河床下切現象。

圖7 中線縱斷面河床變化

圖9 河床右側縱斷面河床變化

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，河道整體輕微淤積，大部分淤積區域的河床變化量為0～0.5 m，最大淤積量出現在河道右側，河床淤積量可達1.8 m，對應于中線右側斷面深坑淤積。沖刷分布較少，河床變化量大部分在0～0.5 m，較強沖刷區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區域，此處既受到上游徑流的影響，也會受到下游潮流上溯的影響，總體沖淤變化十分復雜，當洪水經過該河段時，即遭遇對工程相對不利的水流動力條件時，工程所在區域斷面可能發生沖刷現象，而金光東隧道在設計之時采用沉管構造，對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 大范圍水動力模型邊界取值

各種洪水組合通過大范圍水動力模型[16-17]輸出對應水流條件組合作用下的工程河段邊界數據，將其應用到工程河段的沖刷計算中。

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

表5 主要水文站各級頻率設計洪峰流量

計算報告中用的組合為“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涉水工程的典型計算水文條件，已驗證有效并被廣泛應用?！?998.6”洪水組合：高要、石角、博羅邊界處的流量數值分別設置為49 869.54 m3/s、19 192.82 m3/s和14 635.74 m3/s。該組合持續時間為73 h。“1997.7”中水組合：高要、石角、博羅邊界處的流量數值分別設置為32 847.64 m3/s、9 133 m3/s和5 138.84 m3/s。該組合持續時間為187 h。“2001.2”枯水組合：高要、石角、博羅邊界處的流量數值分別設置為3 000 m3/s、650 m3/s和500 m3/s。該組合持續時間為200 h。由于要盡可能考慮最不利的洪峰組合，因此三個邊界數據依次取各測站0.5%、1%、2%頻率對應的設計洪峰流量數值。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。結合之前三組水文組合，共設置6組流量邊界進行沖淤模擬對比研究。

(2)外海開邊界數據取2015年8月中的低潮位時間段，計算時間取三個水文組合中最長的一段，即時間段長度為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

將大范圍水動力模型在6種流量過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行數值模擬運算，隧道所在斷面經過200 h之后的河床演變深度與原河床深度相減，得到如圖12所示的相應斷面地形沖淤變化計算結果。

圖12 隧道所在河床斷面沖淤變化

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

為了分析研究洪水期隧道所在河床斷面的沖刷機理，對隧道斷面處的最大流速以及水位模擬結果進行比較分析。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律，靠近左右岸流速小，流速隨洪水流量增大變化相對較小，而深槽所在的主流區流速相對較大，隨洪水流量的增加其增值也大，隨著流量增大，主流區流速最大值達到1.44 m/s。上述模擬結果說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，使河床越發下切。

4 總結

利用基于MIKE21軟件所建立的珠江新造水道水流泥沙數值模型，對隧道工程所在河段進行了45 d的水流泥沙運動模擬，對比河床27 h、15 d與45 d的珠江基面深度變化曲線，得到如下結論：

在通常水動力條件下工程河段河床穩定，沒有嚴重的河床下切，整體上輕微淤積，隧道區域處于輕微淤積狀態，施工具有可行性和安全性；隨后使用大范圍水動力模型輸出上游洪、中、枯水三種情況下的邊界條件及三種頻率設計洪峰流量組合影響下的邊界條件，對隧道所在斷面進行沖淤對比，發現在洪水期隧道所在河床斷面有明顯的沖刷下切現象，下切深度隨洪水流量增大而增大，最大下切厚度達到2 m，因此在實際施工設計時，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，需要進一步模擬計算其深度，必要時需要采取工程措施。