大型沉管管节浮运航道适航特性建模分析

陈宏伟 朱峰

摘要：为确保沉管隧道在航道中长期浮运作业的安全性与可靠性，依托深中通道工程备选预制厂方案，建立珠江口局部区域二维水流数学模型，在实测水文资料验证的基础上，通过模型计算揭示了浮运航道的水动力变化特征，开展航道范围内横流、纵流的变化特点分析。分析结果表明：工程实施后，龙穴港池水域的潮流流速普遍较弱，南沙四期港池水域流速变化较小，口门区水域环流较弱，为南沙港池作为防台锚地提供有利条件;浮运航道在小潮和中潮期间的最大横流可以近似认为不超过0.5 m/s;小潮和中潮期间的最大纵流不超过1.0 m/s，可以满足通航对水流条件的要求。但是大潮期间水流条件不满足浮运对水流流速的要求。研究结果可以为沉管浇筑区选址和浮运航道选线提供重要的参考依据和技术支撑。

关键词：航道工程;浮运航道;水流流态;流速分布;数值模拟

中图分类号：U612.33文献标识码：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

大型构件预制化是现代海洋工程中最为可靠的实施方案，也是目前最为先进的工程理念。随着预制构件的异形化和大型化发展，预制构件运输对设备和环境的要求也愈发苛刻，航道逐渐成为制约预制构件发展的重要因素。航道普遍存在的水深不足、宽度有限、水流条件复杂等问题使大型预制件的浮运面临着严峻的工程调整和重大的安全隐患。

大量学者针对珠江口航道的浮运及通航特性开展了深入研究。冯海暴等＼[1＼]对有限水域内大型沉管的浮运航道进行设计，得出航道的设计宽度与深度等关键技术参数的取值依据，并在港珠澳大桥沉管管节浮运航道的选择中推广应用;宁进进等＼[2＼]通过对航道尺寸限制和海流条件复杂性的综合分析，提出了沉管吊拖和綁拖的组合方式，改进了沉管浮运的速度和姿态;应强等＼[3＼]通过平面二维潮流数学模型，分析了建桥前后珠江口水动力变化对地形及水文环境的影响程度。上述研究分别集中于沉管运动姿态分析以及河口水文状态分析，而对于两者之间的相互关联及应用于航道线形选择方面的研究还较少。

深圳—中山跨江通道（以下简称深中通道）是连接深圳市和中山市的跨海通道，工程地处伶仃洋海域。在预制管节浮运的过程中，对作业窗口期要求较长，对航道水流状态要求较高，浮运最大允许横流流速为0.5 m/s，最大允许纵流流速为1.0 m/s。因此，为保障管节浮运的可靠性，本文针对龙穴港备选预制方案，基于浮运航道的实际水流特征，建立了浮运航道及周边区域的水动力数学模型，开展龙穴港池至深中通道浮运航道水流数值模拟研究，在实测资料的基础上分析潮流场、航道沿程流速和特征点流速流向变化特点，为实际工程浮运航道选择及判断提供可靠的参考依据＼[4＼]。第4期陈宏伟，等：大型沉管管节浮运航道适航特性建模分析河北工业科技第38卷

1工程水域概述

伶仃洋是珠江口东侧4个口门（虎门、蕉门、洪奇沥和横门）注入的河口湾，湾型呈喇叭状，走向接近NNW-SSE方向，湾顶宽约4 km，湾口宽约30 km，纵向长达72 km，水域面积为2 110 km2。伶仃洋的潮汐类型属不规则半日混合潮型，潮流运动总体呈北涨南落的往复流运动趋势。珠江口为弱潮河口湾，潮差较小，平均潮差为 0.86～1.69 m，最大潮差为2.29～3.36 m，涨潮平均流速一般为0.4～0.5 m/s，落潮平均流速一般为0.5～0.6 m/s。东槽涨潮流较强，枯季尤为明显，西槽落潮流占优，汛期更为突出。无论涨潮还是落潮，湾内纵向流速分布均呈现出由湾口向湾顶逐渐增大的趋势＼[56＼]。

图1为2016年洪季期间水文测点的潮流椭圆矢量图，H1，H2，H3为潮位站，测点V1，V2，V3位于浮运航道沿程水域，V4测站位于试挖槽上游，V6测站位于矾石水道上游。各层实测最大流速，均出现在位于矾石水道下游的V7测站落潮段表层，大潮期间表面最大流速为1.6 m/s，中潮期间表面最大流速为1.4 m/s，小潮期间表面最大流速为0.91 m/s。涨落潮流方向基本为南北向的往复流运动。

2平面二维水沙数学模型

2.1控制方程

在笛卡尔直角坐标系下，根据静压和势流假定，在水域面积较大的开阔水域，平面尺度远大于垂直尺度。将平面二维水流运动和物质输运方程写成如式（1）的向量表示形式[7]。

？U？t + ？E =S + ？Ed ， （1）

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

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

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

式中：u，v 和s 分别表示x，y 方向的流速和水体含沙量。Ed 为水流和泥沙运动的紊动扩散项[8-9]。源项S 如式（4）所示。

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

式中：Sox ，Soy 分别是x，y 方向的倾斜效应项，即河床底部高程变化[10-11]。

Sox =-gd？zb/x ， （5）

Soy =-gd？zb/y ， （6）

式中：zb为河床底面高程;Sfx ，Sfy 是x，y 方向的底摩擦效应项[11-12]。

Sfx =-gn2u u2 +v2d1/3 ， （7）

Sfy =-gn2v u2 +v2d1/3 ， （8）

式中：n 為曼宁系数;f 为柯氏系数，f =2ωsinφ，ω 表示地转速度，φ 为当地地理纬度。

2.2 网格剖分及计算范围

为准确表达伶仃洋海域内河网密布、岛屿众多以及岸线曲折、边界复杂等特点，模型中采用非结构网格对计算域进行剖分，上游控制断面设在虎门口、蕉门口、洪奇门以及横门的小榄水道和鸡鸭水道断面，下游边界取在珠海到香港大屿山一线，模型控制水域面积约为3000km2，计算域共划分10万个单元。选取1985国家高程基准作为水深参考基面，水深数据来源于海图（船讯网：http：//www.shipxy.com/），局部航道及港池区域采用已有测量数据进行补充加密。航道途径水域的网格进行特殊加密，如图2和图3所示。

模型计算过程中，边界条件设定为H1到H3三个潮位站的潮位随时间变化数据，程序通过迭代，解算整个计算区域的水位变化与流场变化情况。

2.3 模型验证

采用图1中潮位测站和测点处近年来夏季大潮水文实测资料对二维数学模型进行验证，验证测点选择与通航航道直接相关的南沙港潮位站和V1测点的实测潮位与流速数据，验证结果如图4所示。验证结果显示，模型计算结果潮位过程与天然情况基本吻合，高、低潮位计算值与实测值误差均在±0.10m范围以内;V1测点的垂线流速、流向过程模拟与实测趋于相似，流速峰值和转流时间二者也比较接近，垂线涨潮、落潮平均流速的计算值与实测值相差均在10%以内，模型模拟结果满足精度要求。

2.4 计算水情

考虑到浮运码头工程设计需要，设计过程中需要兼顾浮运航道的洪季水情与枯季水情，如表1所示。由于洪季的上下游水位差异以及流量大小明显大于枯水季，这意味着洪季的水流流速也显著强于枯水季的水流流速，因此本文以洪季水情的大、中、小潮为例，分别计算这3种水情条件下的码头水域和航道沿程的水动力变化情况。

3 方案设计及计算分析

3.1 浮运航道方案设计

工程备选浮运航道的平面布置如图5所示。平面布置包括龙穴港池、文冲码头和浮运南航道，南沙港四期港池作为防台锚地。浮运航道C 段由粮食码头水域东南向斜穿伶仃洋中部浅滩，并与矾士水道连接，随后沿D段东南向进入东岛以东的基槽水域。航道主槽底标高疏浚至-12.5 m，主槽底宽160m;浮运航道两侧各设置90m 宽拖轮航道，底高程疏浚至-6.1m。

3.2 浇筑区港池流速分析

图6显示了龙穴港池水域在洪季大潮下的平面流态分布，在周边浅滩的掩护下，龙穴港池水域的潮流流速较弱;A01点位于浇筑区水域，洪季大潮水情条件下的涨、落潮平均流速分别为0.44 m/s和0.11m/s，涨潮流速普遍大于落潮流速;图7表明南沙四期港池水域流速较小。口门区水域环流较弱，作为防台锚地具有一定优势。浮运航道C 段与伶仃航道交汇水域流速较大，且涨、落潮主流与浮运航道走向夹角较大，因此交汇段航道水域产生的横流流速也大。

3.3 航道沿程流速

图8显示了浮运航道在洪季大潮水情条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，航道走向与涨、落潮流向基本一致;C段及E段航道走向均与潮流主流向有一定夹角;与矾石水道重合的D航段处于伶仃洋主流区，航道走向与涨、落潮主流流向基本一致。A 段航道连接龙穴港池、文冲码头和南沙粮食码头，洪季大潮水情条件下，该段航道涨潮最大流速的平均值为0.92m/s，落潮最大流速平均值为0.58m/s，最大流速位于靠近龙穴港池的A14点，流速为1.17m/s;C段航道涨潮最大流速的平均值为0.69m/s，落潮最大流速平均值为0.81 m/s，落潮最大流速位于转折段的D01点，流速为1.10m/s;E段航道最大流速位于靠近北端的E01点，流速为0.72m/s;在整个航道范围内，落潮流速最大值均出现在航道拐角处。

3.4 航道特征流速

圖9和图10分别为沿着航道全程提取的断面横流和纵流流速分布结果，可以看到：A 段和D 段由于航道走向与涨、落潮流向基本一致，在洪季不用潮流条件下，产生的最大横流平均值都较小，一个全潮过程中不存在大于0.5m/s流速的横流;C段横流最大时刻的流速平均值为0.52m/s，最大横流出现在北段的C03点，流速为0.73m/s，一个全潮过程中横流流速超过0.5m/s的作用时间为7h;E段横流最大时刻的流速平均值为0.31m/s，最大横流出现在北端的E01点，流速为0.51m/s，一个全潮过程中横流流速超过0.5m/s的作用时间为2h。航道纵流（包括顶流和顺流），流速超过1m/s主要出现在龙穴港池水域沿岸和矾石水道重合的A 段和D段。相对上述大潮期间的水流结果而言，中、小潮期间的最大纵流均不超过1m/s。综上所述，浮运航道可满足中、小潮期间的通航水流条件。

4 结 语

本文采用经过实测水文资料验证后的数值模型，对沉管管节浮运备选工程方案的航道水流特性进行了定量分析，用于判断航道选址的安全性和合理性。研究得到的主要结论如下。

1）实测资料和模型试验均表明所在海域受水下地形和近岸边界影响，潮流运动特性呈北涨、南落的往复流运动趋势。所规划浮运航道的C 段以及E段走向与潮流主流向呈一定夹角，因此横流较强;航道A 段和D段与航道水流方向一致，因此纵流为对应航段的主要流态。

2）不同潮位水情工况下，航道中的最大横流出现在C段，大潮期间的航道最大横流流速大于0.5m/s，中潮和小潮水情条件下的最大横流流速小于或者临界于0.5m/s;备选航道的最大纵流出现在A段和D段，中潮和小潮期间的最大纵流流速均不超过1m/s。

3）总体来说，备选工程方案的浮运航道在大潮期间的横流与纵流流速均超过了沉管管节安全浮运所规定的水流流速，因此备选浮运航道不能满足浮运安全性要求，在后续方案比选中需要结合这一因素进行综合判断该方案的可行性。

本文在二维水动力学计算的基础上，对沉管管节的浮运安全性开展定量评估。出于快速评估的目的，本文计算过程中未充分考虑水流与管节的相互作用。因此在后续研究中应该更加详细考虑结构在水流作用下的运动响应过程。

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