珠江新造水道河床稳定性数值模拟研究

程金标，吴德安，殷凡志

(1.中国人民解放军92557部队，广州 510720；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

金光东隧道位于广州市番禺区大学城和新造镇、南村镇之间，起点位于新造镇金光大道与兴业大道路口以北380 m，沿金光东大道向北，采用沉管法下穿珠江沥滘(新造)水道至华工南路路口接大学城外环路，并向两侧延伸，左线隧道全长2 430 m，右线隧道全长2 710 m。金光东隧道工程所在河段位于广州市东南方向的新造水道，该水道处于珠江口流域的网河区域之中，既受到上游径流影响，又受到下游潮流上溯影响，因而河道冲淤影响因素较多[1]，冲淤变化较为复杂[2-3]。由于该隧道工程水下段采用沉管法施工[4]，对河床冲淤变化十分敏感，且河床的冲刷主要分为河流自然冲刷与工程局部冲刷两种，而隧道埋设在河床底下，因此主要考虑河流自然冲刷[5-6]，工程河段河床的冲淤情况直接影响隧道的埋设位置和工程规划建设的布局方案，同时也是确定隧道最大埋深的前提[7]。因此本文主要以自然条件下金光东隧道所在新造水道的地形变化响应过程为研究对象分析其河床稳定性。

1 水文测量[8]

在工程水域布设4条测流断面，每条断面根据测线长度及河槽地形布置3～4个,共计13个标注为V1～V13测流、取沙点，进行大、小两个代表潮的水文测验。测验内容包括断面大、小潮流速、流量过程观测，分层含沙量、悬沙颗粒、床沙颗粒、风速风向、表层水温、盐度、容重等，且各垂线同步观测。施测大、小两个代表潮，每个代表潮保证两涨两落，满足潮流闭合要求。各代表潮观测的具体起讫时间如表1所示。各断面及测流取沙垂线布置如图1所示。布设标号为DH1～DH4的四个临时潮位站，收集水文测验期间半个月的潮位资料，具体测量时间为2015年11月19日13:00—2015年12月04日13:00。

表1 具体测验时间表

图1 研究河道及测验位置

对河床泥沙取样分析可见，河道床沙以粉砂及砂粒为主，13条垂线床沙中值粒径差异较大。大潮期间，中值粒径D50平均值为0.452 mm，最大值为V11测站的3.81 mm，最小值为V9测站的0.009 mm；小潮期间，中值粒径D50平均值为0.216 mm，最大值为V7测站的3.81 mm，最小值为V12测站的0.007 mm。相比较而言，小潮期间，中值粒径相对较小，这体现了水流动力作用下的泥沙淤积和侵蚀过程所导致。总体来讲，同一测量横断面深水处底沙中值粒径相对较小；沿径流方向，近右岸处床沙中值粒径总体上大于相应左岸处床沙中值粒径，这和河道弯曲地形及水流流态作用相匹配。从研究河段上游到下游，断面平均中值粒径有总体上减小的趋势。

2 模型建立与验证

2.1 模型简介[9-10]

本文使用MIKE21软件进行模拟研究。基于MIKE21软件建立适用于该水域的二维水动力泥沙数学模型。MIKE21适用于湖泊、河口、海湾和海岸地区的水动力及其相关问题的平面二维仿真模拟。该软件自开发以来，在国内外水沙运动及相关环境研究领域已被广泛应用，且数值模拟的科学性已经得到大量研究验证[11-12]。

2.2 模型建立与验证

所建数值模型组成包括HD水动力模块和MT泥沙模块，所建模型网格剖分图如图2所示，根据所研究问题需求，通过调整疏密程度，最终得到的Mesh文件中共有4 824个三角形网格和2 611个节点。左下端部为上游开边界、右上部为下游开边界。根据表1所示的大小潮施测时间段及图1所示的实测水文资料，开展模型的建立和验证。上游水动力开边界条件采用流量实测结果，下游水动力开边界采用相应的水位实测结果；上、下游含沙量开边界条件采用实测结果。通过对实测泥沙粒径分析结果的计算与分析，结合水位、流速、含沙量实测资料，进行模型相关参数的设置，在此基础上分别利用如图1所示测站的大小潮的水位、流速、含沙量(SSC)测验数据进行模型的率定和验证。本文只列出部分代表性测站的验证结果，如图3所示。

图2 模拟范围及网格剖分

3-a DH1测站大潮水位验证结果 3-b DH3测站大潮水位验证结果

本文运用百分比偏差模型[13]来评估上述各量的模型模拟情况，评估的算法如式(1)所示

(1)

式中：D为实测数据，M为模拟数据，PB与模拟质量等级关系如表2。

表2 |PB|值与模拟质量等级关系

表3为大、小潮水位模拟评估结果，表4为大、小潮水体流速大小、流向、含沙量模拟评估结果。

表3 大、小潮水位模拟评估结果

表4 大、小潮水体流速、流向、含沙量模拟评估结果

可见，所建模型各站点水位、流速、含沙量验证拟合精度优良，满足相关规范要求[14-15]，可以利用所建模型开展相关问题研究。

3 河床冲淤变化数值模拟

本文对河床稳定性的研究主要分为两个方面，分别为通常水流动力条件下的河床稳定性，即不考虑洪水等不利条件影响，另外则是研究洪水作用过程影响下的河床稳定性。

通过珠江流域水动力模型，分别输出45 d的通常边界数据以及各种流量过程组合下的不利条件边界数据，以此来对该工程河段河床稳定性进行研究。

3.1 通常水流条件下冲淤分析

设置6个河床断面用于比较分析河床的整体稳定性，断面设置如图1所示，其中H1、H2、H3为三个横向断面，分别为隧道所在断面及隧道前方与后方的横向断面；Z1、Z2、Z3三个断面分别为河道中心线断面及两侧平行断面。完成模拟计算后，以所设置的断面输出点序号为横坐标，地形珠江基面负深度为纵坐标绘制曲线图，对比模式第27 h、15 d、45 d的断面河床深度模拟曲线结果，分析其河床变化及其稳定性。

3.1.1 横断面河床变化

横断面地形深度数据输出顺序由河道右岸向左岸，隧道工程附近断面基面深度变化如图4～图6所示，隧道所在区域横断面整体处于十分稳定的状态，河槽内有轻微淤积，河道右岸有轻微冲刷，隧道施工区域没有出现河床下切的现象。

图4 隧道横断面河床变化

图6 隧道后方横断面河床变化

3.1.2 纵断面河床变化

纵断面地形深度数据输出顺序由上游向下游，对比如图7～图9所示的三条纵向断面冲淤变化，三条断面河床整体相当稳定，大部分区域出现轻微淤积，中线断面稳定，几乎没有明显冲刷，中线左侧断面上的淤积则因为该处途径深槽，其中有深坑，水流在该处爬坡流速下降，造成泥沙淤积强度大，而其他断面中的相应地形处基本都有一定量的淤积，沿程无河床下切现象。

图7 中线纵断面河床变化

图9 河床右侧纵断面河床变化

3.1.3 冲淤分布平面图

图10为泥沙模拟45 d后的河道冲淤分布图。由图10可见，河道整体轻微淤积，大部分淤积区域的河床变化量为0～0.5 m，最大淤积量出现在河道右侧，河床淤积量可达1.8 m，对应于中线右侧断面深坑淤积。冲刷分布较少，河床变化量大部分在0～0.5 m，较强冲刷区域主要位于河道弯道右岸附近。

图10 河道冲淤分布图

3.2 典型特征水流条件下的冲淤比较分析

工程河段位于如图11所示的珠江三角洲的河网区域，此处既受到上游径流的影响，也会受到下游潮流上溯的影响，总体冲淤变化十分复杂，当洪水经过该河段时，即遭遇对工程相对不利的水流动力条件时，工程所在区域断面可能发生冲刷现象，而金光东隧道在设计之时采用沉管构造，对河床冲刷具有高度的敏感性，因此需要考虑隧道所在断面在大洪水发生不利条件下的冲淤情况，并以此确定隧道沉管的埋深。

3.2.1 大范围水动力模型边界取值

各种洪水组合通过大范围水动力模型[16-17]输出对应水流条件组合作用下的工程河段边界数据，将其应用到工程河段的冲刷计算中。

(1)洪水组合引用广东省水利水电科学研究院在2004年9月编写的《东江干流及三角洲河段设计洪潮水面线计算报告》中的如表5所示的各级频率洪峰设计流量。

表5 主要水文站各级频率设计洪峰流量

计算报告中用的组合为“1998.6”洪水组合、“1997.7”中水组合和“2001.2”的枯水组合。该三组水文组合为珠江河口区涉水工程的典型计算水文条件，已验证有效并被广泛应用。“1998.6”洪水组合：高要、石角、博罗边界处的流量数值分别设置为49 869.54 m3/s、19 192.82 m3/s和14 635.74 m3/s。该组合持续时间为73 h。“1997.7”中水组合：高要、石角、博罗边界处的流量数值分别设置为32 847.64 m3/s、9 133 m3/s和5 138.84 m3/s。该组合持续时间为187 h。“2001.2”枯水组合：高要、石角、博罗边界处的流量数值分别设置为3 000 m3/s、650 m3/s和500 m3/s。该组合持续时间为200 h。由于要尽可能考虑最不利的洪峰组合，因此三个边界数据依次取各测站0.5%、1%、2%频率对应的设计洪峰流量数值。即第一组，高要：55 900 m3/s、石角：20 400 m3/s、博罗：15 800 m3/s；第二组，高要：52 900 m3/s、石角：19 000 m3/s、博罗：14 500 m3/s；第三组，高要：50 500 m3/s、石角：17 600 m3/s、博罗：12 000 m3/s。结合之前三组水文组合，共设置6组流量边界进行冲淤模拟对比研究。

(2)外海开边界数据取2015年8月中的低潮位时间段，计算时间取三个水文组合中最长的一段，即时间段长度为200 h，自2015年8月16日4:00至8月24日12:00。

3.2.2 典型特征水流条件下隧道断面冲淤变化

将大范围水动力模型在6种流量过程组合条件下输出的工程河段边界条件依次代入工程河段水沙模型进行数值模拟运算，隧道所在断面经过200 h之后的河床演变深度与原河床深度相减，得到如图12所示的相应断面地形冲淤变化计算结果。

图12 隧道所在河床断面冲淤变化

可见，隧道所在河床断面深槽位置有明显的冲刷下切现象，冲刷量随着洪水组合流量的增大而增大，最大下切深度出现于深槽中央，冲刷结束后的最大冲刷值可达2.0 m左右，且深槽中的下切有向右岸发展的趋势。而断面左右两岸侧冲淤几乎维持在平衡状态，没有明显的冲淤变化。

为了分析研究洪水期隧道所在河床断面的冲刷机理，对隧道断面处的最大流速以及水位模拟结果进行比较分析。随着洪水流量的增大，隧道所在河床断面处水位也有微小的增大，最大增量为0.033 m，而流速增大较为明显，流速分布与流速增加有着相似的规律，靠近左右岸流速小，流速随洪水流量增大变化相对较小，而深槽所在的主流区流速相对较大，随洪水流量的增加其增值也大，随着流量增大，主流区流速最大值达到1.44 m/s。上述模拟结果说明工程河段在洪水期间，随着洪峰流量的增大，河道中流速与水位也增大，流速增大幅度相较于水位更大，且主流区流速增大幅度大于两岸，其水流挟沙能力明显增大，造成的河床冲刷更强，使河床越发下切。

4 总结

利用基于MIKE21软件所建立的珠江新造水道水流泥沙数值模型，对隧道工程所在河段进行了45 d的水流泥沙运动模拟，对比河床27 h、15 d与45 d的珠江基面深度变化曲线，得到如下结论：

在通常水动力条件下工程河段河床稳定，没有严重的河床下切，整体上轻微淤积，隧道区域处于轻微淤积状态，施工具有可行性和安全性；随后使用大范围水动力模型输出上游洪、中、枯水三种情况下的边界条件及三种频率设计洪峰流量组合影响下的边界条件，对隧道所在断面进行冲淤对比，发现在洪水期隧道所在河床断面有明显的冲刷下切现象，下切深度随洪水流量增大而增大，最大下切厚度达到2 m，因此在实际施工设计时，隧道埋深要考虑极端洪水作用因素，如果有更加极端的不利条件资料，需要进一步模拟计算其深度，必要时需要采取工程措施。