珠江三角洲水資源配置工程A6標段臨時碼頭對河道影響分析

任洪強

(廣州市杏韻工程咨詢有限公司，廣州 510080)

0 引 言

水利工程修建對河道現(xiàn)狀會造成一定影響，大型水利工程建設(shè)有助于改善水資源現(xiàn)狀，提高水質(zhì)、防洪能力等。在水利工程修建過程中，通常需要修建臨時設(shè)施，提高工程建設(shè)速度。研究臨時設(shè)施對現(xiàn)狀河道的影響是非常必要的[1-4]。以珠江三角洲水資源配置工程A6標段臨時碼頭為例，研究工程修建對河道的影響。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程，輸水線路總長113.2 km，其中輸水主干線總長90.3 km。目前，A6標段已進入輸水隧洞建設(shè)高峰期，工期緊，進場材料量大。為了滿足A6標輸水隧洞施工強度，解決輸水鋼管運輸與進場問題，故在GZ11#(LG10#)工作井處建設(shè)臨時碼頭。

臨時碼頭停泊能力按1 000 t設(shè)計，泊位總長65.9 m；碼頭作業(yè)平臺為C40鋼筋砼墩臺，長度為20 m，寬度為12.5 m；下部采用φ800 mm鋼管樁基礎(chǔ)。工程位于李家沙水道番順聯(lián)圍K36+200樁號旁，李家沙水道上承順德水道，下接洪奇瀝水道，全長9.2 km。工程附近河岸順直，河面寬闊，河道淺平，附近河道寬度約為200 m，河底標高-0.20～-7.0 m，河床深槽高程達-6.0～-7.0 m，砌石河岸現(xiàn)狀完好，近岸處已做拋石防護處理。

2 防洪評價計算

2.1 水文組合條件

擬建臨時碼頭所在堤防現(xiàn)狀防洪標準50年一遇，水文邊界條件見表1。

表1 工程河段計算水文邊界條件

根據(jù)表1的計算條件，本次防洪計算選取P=1%、P=2%、P=5%和P=10%共4種洪水頻率，對臨時碼頭工程前后進行一維、二維水流數(shù)學模型模擬計算、分析。

2.2 數(shù)學模型計算

2.2.1 一維水流數(shù)學模型

1) 基本控制方程。控制方程采用一維非恒定流公式推算，基本方程式為：

(1)

(2)

式中：Z為水位；A為過水面積；B為水面寬；t為時間；Q為流量；R為水力半徑；n為糙率系數(shù)；x為沿河距離；g為重力加速度；q為單位河長側(cè)向入流量。

以G代表流域Q和水位Z，則G在河段Δx和時段Δt內(nèi)的加權(quán)平均量及相應偏導數(shù)見式(3)-式(5)，一維離散格式示意圖見圖1。

圖1 一維離散格式示意圖

(3)

(4)

(5)

(6)

整理得代數(shù)方程組：

(7)

(8)

略去為未知數(shù)的上標n+1，就上述二方程組求解變量Zi與Qi得：

Zi+A1Zi+1+B1Qi+1=E1

(9)

Qi+A2Zi+1+B2Qi+1=E2

(10)

式中：

(11)

(12)

(13)

|AB|=-|BA|=(a1b2-a2b1)

(14)

2) 模型率定與驗證。根據(jù)率定、驗證結(jié)果，數(shù)學模型中選取的糙率值反映的是各河道在設(shè)計水文條件下的綜合水流阻力。李家沙水道各斷面的糙率值大致介于0.020 3～0.026 7之間。

2.2.2 二維水流數(shù)學模型

1) 基本方程。平面二維淺水方程的分量形式可表達為：

(15)

(16)

(17)

式中：h=η+d為總水深；η為水位；d為水深；u為X向流速；v為Y向流速；g為重力加速度；Sox、Soy為河道的傾斜效應項，x、y下標為求導的意思；Sfx、Sfy為X、Y方向摩阻底坡。

2) 數(shù)值計算方法。對二維淺水方程的求解采用有限體積法(FVM)見圖2。結(jié)果變量u、v和η位于單位中心(圖1的C0、C1點)，跨邊界通量垂直于單元邊。

圖2 二維非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格

本次計算主要以臨時碼頭工程上游500 m作為模型進口，臨時裝卸點工程下游500 m作為模型出口，計算長度為1 000 m；計算范圍包括臨時碼頭工程所在河道行洪影響所及的范圍，并采用不同大小的三角形網(wǎng)格劃分，建立的模型能較真實地反映河道地形的實際情況。

2.3 壅水分析

在設(shè)計的水文組合條件下，計算各斷面的水位，獲取河道斷面平均行洪水位影響的數(shù)值。工程采用一維網(wǎng)河數(shù)值進行計算，工程前后臨時碼頭局部河段各斷面的水位及其差值的計算結(jié)果見表2。

表2 工程后所在河段水位變化最大值統(tǒng)計

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，李家沙水道水位最大壅高值為0.009 m。臨時碼頭工程興建后，在較為不利的洪水水文組合條件下，河道行洪水位未出現(xiàn)明顯變化。因此，工程的建設(shè)不會對李家沙水道的設(shè)計防洪水位造成不利影響。

2.4 河勢影響分析

河勢影響計算采用二維水流數(shù)學模型模擬，分析各頻率水文組合條件下，工程實施前后河道水流條件及河勢變化情況。采用實測河道地形，建立計算模型，并對整個計算區(qū)域進行三角形網(wǎng)格劃分，使得網(wǎng)格地形能較真實地反映河道地形的實際情況。

通過二維水流模型的模擬分析計算，工程前后河道水流的流速、流向變化不大，整體流態(tài)平順，整個河段主槽水流動力軸線基本沒有變化。因此，從整體上臨時碼頭工程不會改變工程河段的流態(tài)，也不會對工程河段的水動力變化產(chǎn)生明顯影響。

2.5 工程對堤防抗滑穩(wěn)定計算分析

2.5.1 計算參數(shù)

臨時碼頭工程所在堤防等級為2級，位于現(xiàn)狀堤防迎水坡外側(cè)，為保證堤坡安全運行，需對設(shè)計堤防進行穩(wěn)定復核。本次選取臨時碼頭所在的堤防斷面進行復核，計算參數(shù)見表3。

表3 巖土物理力學參數(shù)建議值

2.5.2 計算工況

堤防穩(wěn)定分析采用Autobank7.07版軟件提供的邊坡穩(wěn)定分析計算，結(jié)合堤防實際運行中可能出現(xiàn)的不利情況，擬定下列3種工況進行穩(wěn)定分析：

正常運用條件：

工況一：設(shè)計洪水位下的穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堤坡

工況二：設(shè)計洪水位驟降期的臨水側(cè)堤坡

非常運用條件Ⅱ：

工況三：施工作業(yè)荷載20 kPa+設(shè)計洪水位下臨水側(cè)、背水側(cè)堤坡

根據(jù)規(guī)范要求，在采用畢肖普法計算時，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應不小于表4規(guī)定的數(shù)值。

表4 土堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

2.5.3 計算結(jié)果

在臨時碼頭運行期，由于車輛荷載作用于堤身背水坡，為此本次抗滑穩(wěn)定復核是將車輛輪壓集中荷載分散成均布荷載作用于堤后斜坡計算分析。

表5 土堤抗滑穩(wěn)定計算安全系數(shù)成果匯總表

根據(jù)計算結(jié)果可知，抗滑穩(wěn)定計算得出的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3 防洪綜合評價

3.1 與現(xiàn)有規(guī)劃的關(guān)系與影響分析

工程接岸處后側(cè)番順聯(lián)圍堤段現(xiàn)狀防洪標準為50年一遇，規(guī)劃將其提標至200年一遇。根據(jù)廣東省河道行洪控制線劃定成果，臨時碼頭超出河道行洪控制線1 m，但是碼頭平臺梁底標高為4.70 m，河道50年一遇的防洪潮水位4.51 m，碼頭梁底標高高于50年一遇防洪潮水位。雖然碼頭超出了河道行洪控制線，但由于其對河道雍水較小，流速流態(tài)變化較小，因此臨時碼頭工程不會影響河道行洪以及現(xiàn)有水利規(guī)劃的實施。

3.2 與現(xiàn)有防洪標準、有關(guān)技術(shù)和管理要求的適應性分析

經(jīng)計算分析，臨時碼頭工程實施后，50年一遇洪水條件下工程附近河道水位最大壅高幅度均不超過0.006 m，臨時工程對河道水位產(chǎn)生的壅高很小，不會降低現(xiàn)有堤防的防洪標準。臨時碼頭采用高樁疏水結(jié)構(gòu)，梁底高于所在河段防洪潮水位；工程阻水比按實體計算，最大阻水比為3.40%，不超過4%，基本滿足河道管理要求；工程的主體樁墩不占用堤身斷面，未降低堤防的強度、穩(wěn)定性、抗?jié)B性，未影響堤防管理運用，是符合技術(shù)規(guī)范要求。

綜上所述，臨時碼頭工程與現(xiàn)有防洪標準、有關(guān)技術(shù)和管理要求是相適應的。

3.3 對行洪安全的影響分析

根據(jù)計算結(jié)果，臨時碼頭工程興建后，所造成的李家沙水道水位最大壅高值為0.009 m。可見，臨時工程實施后，工程所在水道的水位壅高值較小，故臨時碼頭工程對所在李家沙水道的防洪水位影響不大。

3.4 對河勢穩(wěn)定的影響分析

根據(jù)研究成果分析可知，臨時碼頭工程建成后，工程不會改變工程河段的流態(tài)，也不致對工程河段的水動力變化產(chǎn)生明顯影響。由此可見，臨時碼頭工程對李家沙水道的河勢穩(wěn)定影響較小。

4 結(jié) 論

采用水動力模型方法，對珠江三角洲水資源配置工程土建施工A6標段建設(shè)臨時碼頭進行防洪影響分析計算。根據(jù)計算結(jié)果可知，臨時碼頭工程與現(xiàn)有防洪標準、有關(guān)技術(shù)和管理要求相適應；工程實施后對防洪水位、現(xiàn)有堤防、河勢穩(wěn)定影響較小，不會影響現(xiàn)有水利規(guī)劃的實施。