广州市进生物岛隧道工程河床演变分析及埋深方案对行洪影响的研究.docx

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广州市进生物岛隧道工程河床演变分析及埋深方案对行洪影响的研究

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广州市进生物岛隧道工程河床演变分析及埋深方案对行洪影响的研究

第2期

2005年4月

广东水利水电

GUANGI）ONGWATERRESOURCESANDHYDROPOWER

N0.2

I,PR2005

广州市进生物岛隧道工程河床演变分析及

埋深方案对行洪影响的研究

黄本胜,郑国栋,杜涓,林美兰

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广州市进生物岛隧道工程河床演变分析及埋深方案对行洪影响的研究

第2期

2005年4月

广东水利水电

GUANGI）ONGWATERRESOURCESANDHYDROPOWER

N0.2

I,PR2005

广州市进生物岛隧道工程河床演变分析及

埋深方案对行洪影响的研究

黄本胜,郑国栋,杜涓,林美兰

（广东省水利水电科学研究院.广东广州5106lO）

摘要:

在收集和分析历史以及新测水文,泥沙,河道地形等资料的基础上.采用河床演变分析,一维网河水流数学模型和平面二维水沙数

学模型等多种手段和A-法,综合研究了隧道突出河床最深处不同高度A-案对防洪的影响,确定了隧道突出河床的最终高度一为进生物岛隧

道工程的建设提供了充分的科学依据.

关键词:

生物岛;河床演变分析;网河数学模型;二维水沙数学模型

中图分类号:

TV131.61文献标识码:

B文章编号:

10080112（2005）02002803

1引言

广州市生物岛建设项目经过国家计委批准立项.是广州市

进行产业调整,发展高新技术产业的一项重大决策.生物岛原名

官洲岛,位于广州市区东南,海珠区东部,为官洲水道分汊之官山

水道与仑头水道所包围的江心岛（见图1）.进生物岛隧道T程

是连接海珠区与生物岛交通的重要通道,南连岛内路网,北接南

部快速干线和科韵路延长线.将岛内路网与广州市路快速交通

网连成一体.隧道丁程的设计起点位于海珠区仑头村,距离环城

高速约300m,中间穿过仑头水道（又称仑头海）,设计终点位于

生物岛上,路线总长9l2m.

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图1进生物岛隧道工程位置示意

过江隧道一般是埋于河床以下或突出河床的水下T程项

目,无论是埋于河床以下还是露出河床.其设计高程,安全参数及

使用寿命等均与河床冲淤演变直接相关,而设计高程义直接影

响工程的使用要求,T程造价以及将来的运行管理费（包括通过

隧道的车辆能耗等）.因此,弄清工程河段河床冲淤演变规律以

及工程兴建前后对工程附近河段河床的冲淤变形的影响,合理

确定过江隧道的顶部高程,为T程设计提供相关设计参数和科

学依据,具有重要意义.为满足使用要求和尽量降低造价,隧道

河道部分施T拟采用沉管法,设计的沉管隧道及其保护层局部

突河床最深处,占用一定的河道过流面积,会对河道的防洪安

全等产生一定的影响,因此,必须通过计算,合理确定过汀隧道的

顶部高程.为工程设计提供科学依据.

2河床演变分析

T程所处水道位于西北江三角洲的广州片网河区,水流动

力以潮流作用为主.据研究.T程所处水道是存公元17世纪以

后即最近300年来形成发育的.珠江干流l857～1971年的冲淤

演变特征主要表现为:

河道缓慢淤积,两侧河滩淤高扩宽和人为

的筑堤缩窄河道.深泓呈冲刷趋势.此收集仑头水道l955,

196l,l975,1987,l991,l999,200l和2（）（）1年河道测【矧对其河床

演变进行分析和计算.

l955～l987年,由于该河段河床受人类活动影响相对较小.

有助于了解该河段在自然水沙动力条件下的河床演变姚律.结

果表明,仑头水道该段时期内河段堤防位苜卡H对固定.深泓线在

平面上变化较小,纵向则表现为沿程冲淤交替观.河『术整体有

抬高之势,总淤积量约94.64万FD_（见太1）.年淤积速率为7.96

万Ill-a.河床年平均淤积厚度为0.031n.此期问的演变规律基

本符合珠汀三角洲网河区的河床缓慢淤移{的趋势.

表1研究河段1955～198年河床冲淤量

仑头水道冲淤昔

Jm.

注:

表中一值为冲刷:

一值为淤积

1987～2004年,仑头水道大部分河段左岸滩地被j用,堤同

有向河道内移的趋势,移动范围一般为几f'米.仑头水道上游深

泓线平面位置变化相对小.下游深泓线有明r口]岸变化的趋

势;除个别断面外.总体呈冲刷下切之势,ff}程河床均明冲刷.

冲刷总量为l81.26万Ill-（见表2）,{F冲刷速率为】0.66万

Ill-a,河床平均下切2.33Ill-左右.】9年F切尤为明,其

收稿日期:

2005—03—10

作者简介:

黄本胜,男,硕士,教授级高工,广东水科院副总T程师,从事水动力学研究丁作.

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28?

2005年4月第2期黄本胜.等:

广州市进生物岛隧道工程河床演变分析及埋深方案对行洪影响研究APR2005No.2

中199～1999年,河床年平均下切达到0.553m/a.此期间.河

床演变除了受到来水来沙及河床组成等自然条件影响外,人为

采砂是引起河床演变的重要因素,而人为采砂影响较明显是从

1997年开始.

表2研究河段1987～2004年河床冲淤量

从河床演变分析所得到的结论和认识,进生物隧道下程所

处断面附近,近年河床明显下切（见图2,图3）.隧道设计在深槽

部位适当突河床也是合理的;另一方面,也要注意到河床下切

也是珠江三角洲河道目前的普遍现象.就隧道所处断面.1999年

和2004年的深槽是左,右易位的,根据河势和水流泥沙运动的特

性,隧道设计时值得注意.要考虑左侧n1能冲刷的因素.隧道T

程兴建后.为保证丁程的安全,正常运行,建议丁程设计要考虑一

定的河床护底的工程措施,控制河床的下切;同时,广州进生物岛

隧道建成后,有关部门必须采取有效措施.禁止在下程附近的仑

头水道采砂.

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图21955～1987年隧道大断面

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图31987～2004年隧道大断面

3隧道突出河床最深处不同高度方案对防洪影响的研究

3.1各方案对河道水位,流速和分流流量的影响

隧道高程的确定直接影响两岸隧道出口和道路的连接,从

而影响丁程的造价以及将来的运行管理费（包括通过隧道的车

辆的能耗等）;但如果隧道高程较高.则部分要突出河床,占据河

道的过流断面.对河道行洪,排涝,纳潮等恂成一定的影响.对隧

道在河道的最深处突出河底1.5,2.j,3.j,1.O,j.0,6.Om的丁

程方案进行了模拟计算.各方案占用河道过水断面的情况及百

分比（水位Z:

0m）见图5所示.

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图41955～2004年仑头水道冲淤速率

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突出河床最大商废/m

图5隧道突出高度与占用过水面积关系

采用西,北江三角洲一维网河数学模型来模拟隧道在河道

最深处突河底不同高程对防洪的影响.结果表明（见图6～图

8）:

同～方案条件下,洪水流量越大,影响值越大;同一洪水频率

条件下,隧道突出河床高度越高,影响值越大,其变化的转折点约

在突出河床高度△^一3.5rri附近,即存△,z<3.5n时水位壅高

和跌落值的变化率比△^>3.5rri时小.因此,设计应控制隧道

突出河床高度Ah不超过3.5m（对应1（）O年一遇洪潮水位下隧

道突出河床部分占用河道的过水面积为6.15）.以尽量减小对

行洪的影响.

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突出河床高度/m

图6水位变化与隧道突出河床高度的关系

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2005年4月第2期广东水利水电APR2005NO.2

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突出河床高度/m

图7隧道附近流速增大与隧道突出河床高度的关系

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突出河床高度/m

图8官山水道流量变化与隧道突出河床高度的关系

3.2对河床冲淤变化的影响

根据珠江水文水资源勘测中心在2004年枯水期3月8日

2O时到3月16日13时连续8d的枯水水文测验成果,假定并组

合出3个月的水文泥沙过程,采用二维水沙数学模型对程前和

隧道突出河床最深处不同高度方案分别进行了3个月的模型范

围内河床冲淤的计算.图9给出了仑头水道和官山水道隧道轴

线及其延长线上,下游附近400ITI范围内平均冲淤厚度随不同

方案的变化曲线.

可见,工程上,下游仑头水道是淤积的,官山水道则为冲刷,

最后两汉将会达到一个新的冲淤平衡.隧道上,下游附近仑头水

道的淤积厚度先是随隧道突出河床高度的增大而增大,达到最

大值后,转而随隧道突出河床高度的增大而减小,其原因是仑头

水道的分流量随隧道突出河床的高度的增大而减小,来沙量也

随之而减小;在隧道突出河床不同高度的方案下,仑头水道的淤

积厚度的大小就取决于由于流速减小而引起淤积的增加和来沙

量减小而引起淤积量减少的幅度的比较.官山水道的冲刷厚度

在进口段是随隧道突出河床高度的增大而增大的,紧接的下游

河段的冲刷厚度随隧道突出河床高度的变化规律与仑头水道的

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+隧道工程上游400m范围（仑头水道）

十隧道工程F游400m范嘲（仑头水道）

+隧道工程轴线延长域上游400m范围（官山水道

0l2345

隧道突H{河底高度/m

图9河道冲淤厚度随不同方案的变化曲线

淤积厚度随隧道突河床高度的变化规律类似,也现一个冲

刷的最大值,这是由于上游段河床冲刷下来的泥沙由于时间较

短,还没有来得及继续向下游输移而产生堆积的缘故.由此也可

以看.在这种假定的水文条件下和3个月时间内,两汊的河床

并未达到最终的冲淤平衡;但结果已显示,如果隧道突河床较

高,则官山水道将产生较大的冲刷而危及两岸堤防的安全.仑头

水道和官山水道河床冲淤的变化又会反过来引起分流量和流速

的变化,两者为相互反馈的关系.因此.从河床冲淤变化和堤围

安全的角度考虑,也要对隧道突河床的高度进行严格的控制.

4建议方案

根据上述一维和二维模型对隧道突河床最深处不同高度

方案的计算结果,综合考虑河道行洪,排涝,纳潮,河道分流比,水

流流速和流态,河床冲淤变化以及堤防安全等因素,认为隧道局

部突m河床最深处的高度不宜超过3.5ITI（包含了隧道沉管的保

护层在内）,建议隧道局部突出河床最深处的高度控制在3.2ITI

左右为宜,或者控制1（）（）年一遇洪潮水位下隧道局部突出河床部

分占用河道的过水面积不超过5.12.

参考文献:

[1]广州市进生物岛隧道工程河床演变分析报告[R].广州:

广东省水

利水电科学研究院.2004.

[2]广州市进生物岛隧道T程方案对河道行洪,排涝,纳潮影响数值计

算研究（隧道突}}I河床最深处不同高度方案的比较研究）rR].广

州:

广东省水利水电科学研究院.2004.

[3]广州市进生物岛隧道工程二维水沙数值模拟专题研究报告:

R].广

州:

广东省水利水电科学研究院,2004.

[4]广州市进生物岛隧道工程临时围堰行洪纳潮影响评价报告:

R].广

州:

广东省水利水电科学研究院,2004.

[5西江下游劳龙虎水道航道整治工程一维网河数学模型计算一R].广

州:

广东省水利水电科学研究院,2002

[6]广东省水利厅.西,北江下游及其三角洲网河河道设计洪潮水面线

（试行）rZ].2002.

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2005年4月

广东水利水电

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埋深方案对行洪影响的研究

黄本胜,郑国栋,杜涓,林美兰

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