珠江三角洲水資源配置工程A6標(biāo)段臨時(shí)碼頭對河道影響分析

任洪強(qiáng)

(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(huì)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(shí)設(shè)施，提高工程建設(shè)速度。研究臨時(shí)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(biāo)段臨時(shí)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(biāo)段已進(jìn)入輸水隧洞建設(shè)高峰期，工期緊，進(jìn)場材料量大。為了滿足A6標(biāo)輸水隧洞施工強(qiáng)度，解決輸水鋼管運(yùn)輸與進(jìn)場問題，故在GZ11#(LG10#)工作井處建設(shè)臨時(shí)碼頭。

臨時(shí)碼頭停泊能力按1 000 t設(shè)計(jì)，泊位總長65.9 m；碼頭作業(yè)平臺(tái)為C40鋼筋砼墩臺(tái)，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(hào)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(biāo)高-0.20～-7.0 m，河床深槽高程達(dá)-6.0～-7.0 m，砌石河岸現(xiàn)狀完好，近岸處已做拋石防護(hù)處理。

2 防洪評價(jià)計(jì)算

2.1 水文組合條件

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

表1 工程河段計(jì)算水文邊界條件

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

2.2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算

2.2.1 一維水流數(shù)學(xué)模型

1) 基本控制方程?？刂品匠滩捎靡痪S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(shí)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(shí)段Δt內(nèi)的加權(quán)平均量及相應(yīng)偏導(dǎo)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(biāo)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(yàn)證。根據(jù)率定、驗(yàn)證結(jié)果，數(shù)學(xué)模型中選取的糙率值反映的是各河道在設(shè)計(jì)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(xué)模型

1) 基本方程。平面二維淺水方程的分量形式可表達(dá)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(yīng)項(xiàng)，x、y下標(biāo)為求導(dǎo)的意思；Sfx、Sfy為X、Y方向摩阻底坡。

2) 數(shù)值計(jì)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(diǎn))，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(jì)算主要以臨時(shí)碼頭工程上游500 m作為模型進(jìn)口，臨時(shí)裝卸點(diǎn)工程下游500 m作為模型出口，計(jì)算長度為1 000 m；計(jì)算范圍包括臨時(shí)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(shí)地反映河道地形的實(shí)際情況。

2.3 壅水分析

在設(shè)計(jì)的水文組合條件下，計(jì)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(jìn)行計(jì)算，工程前后臨時(shí)碼頭局部河段各斷面的水位及其差值的計(jì)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(jì)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，李家沙水道水位最大壅高值為0.009 m。臨時(shí)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(huì)對李家沙水道的設(shè)計(jì)防洪水位造成不利影響。

2.4 河勢影響分析

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

通過二維水流模型的模擬分析計(jì)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(gè)河段主槽水流動(dòng)力軸線基本沒有變化。因此，從整體上臨時(shí)碼頭工程不會(huì)改變工程河段的流態(tài)，也不會(huì)對工程河段的水動(dòng)力變化產(chǎn)生明顯影響。

2.5 工程對堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

2.5.1 計(jì)算參數(shù)

臨時(shí)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(yùn)行，需對設(shè)計(jì)堤防進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。本次選取臨時(shí)碼頭所在的堤防斷面進(jìn)行復(fù)核，計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 巖土物理力學(xué)參數(shù)建議值

2.5.2 計(jì)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(jì)算，結(jié)合堤防實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的不利情況，擬定下列3種工況進(jìn)行穩(wěn)定分析：

正常運(yùn)用條件：

工況一：設(shè)計(jì)洪水位下的穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堤坡

工況二：設(shè)計(jì)洪水位驟降期的臨水側(cè)堤坡

非常運(yùn)用條件Ⅱ：

工況三：施工作業(yè)荷載20 kPa+設(shè)計(jì)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(jì)算時(shí)，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)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(jì)算結(jié)果

在臨時(shí)碼頭運(yùn)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(fù)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(jì)算分析。

表5 土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)成果匯總表

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

3 防洪綜合評價(jià)

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(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，規(guī)劃將其提標(biāo)至200年一遇。根據(jù)廣東省河道行洪控制線劃定成果，臨時(shí)碼頭超出河道行洪控制線1 m，但是碼頭平臺(tái)梁底標(biāo)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(biāo)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(shí)碼頭工程不會(huì)影響河道行洪以及現(xiàn)有水利規(guī)劃的實(shí)施。

3.2 與現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)、有關(guān)技術(shù)和管理要求的適應(yīng)性分析

經(jīng)計(jì)算分析，臨時(shí)碼頭工程實(shí)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(shí)工程對河道水位產(chǎn)生的壅高很小，不會(huì)降低現(xiàn)有堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)。臨時(shí)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(shí)體計(jì)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(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗?jié)B性，未影響堤防管理運(yùn)用，是符合技術(shù)規(guī)范要求。

綜上所述，臨時(shí)碼頭工程與現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)、有關(guān)技術(shù)和管理要求是相適應(yīng)的。

3.3 對行洪安全的影響分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，臨時(shí)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?？梢姡R時(shí)工程實(shí)施后，工程所在水道的水位壅高值較小，故臨時(shí)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(shí)碼頭工程建成后，工程不會(huì)改變工程河段的流態(tài)，也不致對工程河段的水動(dòng)力變化產(chǎn)生明顯影響。由此可見，臨時(shí)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(dòng)力模型方法，對珠江三角洲水資源配置工程土建施工A6標(biāo)段建設(shè)臨時(shí)碼頭進(jìn)行防洪影響分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，臨時(shí)碼頭工程與現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)、有關(guān)技術(shù)和管理要求相適應(yīng)；工程實(shí)施后對防洪水位、現(xiàn)有堤防、河勢穩(wěn)定影響較小，不會(huì)影響現(xiàn)有水利規(guī)劃的實(shí)施。