珠江河口整体物理模型泥沙试验方法及应用

吴小明, 卢陈, 吴门伍, 杨裕桂

(1.珠江水利委员会 珠江水利科学研究院,广东 广州 510611; 2.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室,广东 广州 510611)



珠江河口整体物理模型泥沙试验方法及应用

吴小明1,2, 卢陈1,2, 吴门伍1,2, 杨裕桂1

(1.珠江水利委员会 珠江水利科学研究院,广东 广州 510611; 2.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室,广东 广州 510611)

为全面掌握珠江河口泥沙运动的基本规律，优化河口重大工程方案布置，在宏观分析珠江河口伶仃洋、磨刀门和黄茅海泥沙运动主要特征的基础上,研究了该3个区域泥沙模拟试验面临的关键技术问题;重点研究珠江河口整体物理模型泥沙试验中的分区模拟、模型沙选择、关键设备研发等核心技术,结合多年来科研生产和模型运用的实际经验,总结出珠江河口整体物理模型泥沙试验方法。最后,以近年来珠江河口的重大涉水工程——港珠澳大桥工程为例予以了进一步说明。

珠江河口;整体物理模型;泥沙试验;港珠澳大桥

珠江是我国七大江河之一,由西江、北江、东江及珠江三角洲诸河组成。西江、北江、东江汇入珠江三角洲后,经虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门八大口门入注南海,形成“三江汇流,八口出海”的水系特点[1],为我国大江大河所独有,珠江河口也是世界上水沙运动情况最复杂的河口之一。多年来,在珠江河口重大工程的建设及河口规划方案的论证中,珠江河口整体物理模型试验发挥了重大的作用。本文分析了珠江河口泥沙运动分区特征及关键的技术问题，介绍了珠江河口整体物理模型的泥沙试验方法,并以近年来珠江河口的重大涉水工程——港珠澳大桥工程为例进行详细说明。

1 珠江河口整体物理模型概况

为满足模型水域的整体性要求并有利于模型的边界控制,珠江河口整体物理模型范围涵盖了珠江三角洲河网及浅海水域,包括思贤滘以下西北江三角洲、老鸦岗以下珠江干流河道、石咀以下潭江水道、珠江八大口门及口外-25 m等深浅海区,同时还包括香港、澳门地区[2]。珠江河口整体物理模型如图1所示。

图1 珠江河口整体物理模型示意图

根据模型研究任务需求,模型范围中的不同水域具有的研究重点不同,需要在模型设计中有所偏重。河网区重点满足河道流量过程与沿程水位过程的相似性要求;口门及浅海区重点满足水位与流速平面分布的相似性要求;模型的整体水域要求能够客观地反映河道及口门间的相互影响;泥沙运动的模拟则需要根据不同试验项目的具体要求进行专项设计。同时,模型在试验运作上要考虑在整体模型上进行局部水域试验的要求。为减少模型运行费用,整体模型可拆分为伶仃洋、磨刀门、黄茅海3个可独立运行的分区模型。对于那些对整体水系影响较小的局部水利工程，可直接在分区模型上进行有关的试验研究。

通过对河口、河网区水文泥沙特性的分析和计算,根据模型任务要求、试验场地条件及模型试验相似原理,设计模型的主要比尺见表1。

表1 珠江河口整体物理模型比尺表

2 珠江河口泥沙运动分区特征与关键技术问题

珠江河口不同区域的泥沙运动，其特点各有不同,分别对伶仃洋、磨刀门和黄茅海3个区域的泥沙运动特征及泥沙模拟关键技术问题进行说明。

2.1 伶仃洋泥沙运动特征与关键技术问题

伶仃洋丰、枯水期多年平均表层悬沙分布遥感图如图2所示。由图2可知,伶仃洋表层悬沙的分布特点是西北高、东南低,丰水期大于枯水期,上段大于下段,西滩大于东滩,西槽大于东槽,含沙量不大。

图2 伶仃洋丰、枯水期多年平均表层悬沙分布遥感图

根据收集到的1978年以来的历次水文资料,对伶仃洋含沙量作了分区统计。内伶仃洋含沙量为0.12～0.2 kg/m3,其中西滩含沙量大于东滩,中滩介于两者之间;西滩含沙量大于两槽;东槽含沙量小于西槽;西槽含沙量上段大于中段,中段又大于下段,东槽亦是上段大于中、下段;靠近湾外的水域含沙量最小,为0.04～0.08 kg/m3。

伶仃洋中悬沙的主要来源有两种[3],一种是珠江径流携沙,另一种是外伶仃洋风浪掀沙。伶仃洋悬沙的平面分布,主要受上游径流、潮流、风浪、地形等因素影响。

伶仃洋片区泥沙试验的关键技术问题为:①伶仃洋西滩水深较浅,局部滩涂接近露滩,浅滩区域受波浪动力的影响,成为泥沙运动的重要驱动力;②泥沙运动存在二次(或多次)搬运,目前的模型泥沙试验中难以选择合适的模型沙;③伶仃洋范围大,存在区域性浑水团现象,即在清水环境中存在一股含沙量较大的浑水团,这个现象的形成机理还缺乏深入研究。

2.2 磨刀门泥沙运动特征与关键技术问题

磨刀门丰、枯水期多年平均表层悬沙分布遥感图如图3所示。由图3可知,磨刀门水域丰水期的悬沙分布特征为:上游下泄的含沙水体水量由口门至外海逐级递减;口门的水沙主要来源于上游的磨刀门水道输沙;主槽含沙量大于滩地含沙量[4]。

图3 磨刀门丰、枯水期多年平均表层悬沙分布遥感图

高含沙水体主要集中在横洲主槽(灯笼山至横洲段),悬沙含量在0.2 kg/m3以上。高含沙水体沿河槽向外输移,至横洲口外受地形及陆架水的冲淡稀释作用,导致含沙水体向四周扩散;径流水沙出口门后向外海扩散,前缘可扩至10 m等深线以下的水域,此处悬沙含量为0.04～0.08 kg/m3。磨刀门水域枯水期的悬沙分布特征为:磨刀门附近水域内的泥沙来源仍以风浪掀沙作用为主;横洲主槽泥沙分布呈“西高东低”的特征,即西滩含沙量比东侧主槽的高;横洲口外悬沙分布为西汊低两侧高,自内向外递减。磨刀门口门附近水域的悬沙主要集中在交杯沙—四沙—三灶岛之间的海域,以及拦门沙东南侧、横琴岛南侧的海域,其悬沙含量均在0.10～0.20 kg/m3范围内。

磨刀门片区泥沙试验的关键技术问题为:①磨刀门水域缺乏岛屿掩护,其波浪比伶仃洋水域的强大,在枯水期水文条件下,磨刀门河口的泥沙运动主要由波浪动力控制;②水域内推移质与悬移质共存,磨刀门河口存在大量拦门沙,泥沙粒径差异较大,部分粗砂主要表现为推移质的运动特征;③磨刀门为咸潮上溯通道,盐水与悬沙相互作用,形成高盐度、高含沙量的底部异重流,该现象的形成机理清晰,但其运动规律还缺乏深入研究。

2.3 黄茅海泥沙运动特征与关键技术问题

黄茅海丰、枯水期多年平均表层悬沙分布遥感图如图4所示。从图4中可以看出,丰水期的黄茅海悬沙分布受上游径流的影响较大,表层悬沙分布呈现从湾顶至湾口、由西北向东南递减的趋势[5]。枯水期,上游来沙量较少,整个海湾内的表层悬沙含量明显比丰水期低,但分布与丰水期相似,同样呈现由西北向东南递减的特征。

图4 黄茅海丰、枯水期多年平均表层悬沙分布遥感图

黄茅海丰水期的悬沙高值区出现在西侧浅滩,悬沙含量在0.18 kg/m3以上;在径流作用下,下泄泥沙由湾口向湾外扩散，悬沙含量由西北向东南逐渐降低。高栏岛附近水域的悬沙含量在0.04～0.06 kg/m3以下。枯水期，湾内悬沙高值区仍出现在西侧浅滩,悬沙含量在0.12 kg/m3以上,主要是受浅滩风浪掀沙作用的影响;东南部湾口水域受外海高盐低沙水体的影响,悬沙含量较低,仍为 0.04～0.06 kg/m3,但分布范围有所扩大。风浪在枯水期对浅滩泥沙掀扬作用导致的泥沙二次(或多次)输移不容忽视,曾经出现枯水期悬沙含量高于丰水期的现象。枯水期受风浪掀沙作用的影响,局部水域的悬沙含量较高,高值区出现在西侧浅滩,量值高达0.30～0.40 kg/m3,且范围较大。

黄茅海片区泥沙试验的关键技术问题为:①珠海高栏港是影响黄茅海水域动力条件的大型工程,高栏港连岛大堤切断了由鸡啼门向西的输沙通道,近20年来的高栏港一直处于发展建设之中,水域边界条件不断变化,不仅影响历史资料的适用性,也给泥沙模拟增加了困难;②高栏港港区及航道是泥沙研究的重点课题,这片水域水深较大,一般的小风浪对泥沙的影响较小,但黄茅海水域直面南海,涌浪与台风浪对泥沙运动产生的影响较大,台风骤雨仍然是泥沙模拟中的难点。

3 珠江河口整体物理模型泥沙试验方法

3.1 珠江河口整体物理模型泥沙模拟的基本思路

3.1.1 划分不同的片区进行泥沙模拟

珠江河口不同水域的泥沙来源、输移通道、动力机制不尽相同,为此,珠江河口整体物理模型泥沙试验难以对模型全范围的泥沙进行试验,一般是根据实际工程所处区域泥沙运动的主要特点开展泥沙的分区模拟。早在模型建设的初期,就已经考虑了未来分区试验的需求,在边界控制上设置了伶仃洋、磨刀门、黄茅海3个片区分区试验的硬件基础条件。

3.1.2 针对不同的研究课题,突出重点问题、放弃次要问题

由于模型的比尺变态,使得模型的流场失真,泥沙试验又是潮流动力模拟之上的二次简化模拟。因此，如何提高泥沙试验的精度是模型设计的重点,需要针对不同的研究课题,突出重点问题、放弃次要问题,即避免全面系统的全沙模拟,抓住需要研究的关键重点问题,进行工程前后的比对试验,放弃其他次要问题。

3.1.3 实施“五位一体”的综合研究技术,加强对原型泥沙运动规律的把握

通过几十年对河口研究技术的积累,提出了适用于珠江河口潮流泥沙复杂课题研究的“五位一体”(原型分析、遥感信息分析、数值模拟、物理模拟和测控技术)的综合研究技术,其关键是加强原型问题的准确把握,通过对历史遥感资料与原型实地资料的系统研究,从河口动力过程分析中把握研究问题的动力学机制。先从宏观机理层面将问题分析清楚,再利用数模进行多方案的比选,最后由物理模型对工程方案进行优化研究。考虑到珠江河口整体物理模型比尺的局限性,对于重要工程,通常在珠江河口整体物理模型试验的同时,新建一个局部放大的物理模型。大范围模型与小范围局部模型同时进行,并相互验证。

3.1.4 加强物理模型的基础验证试验,针对研究重点进行局部验证

所有模型试验都是现实情况的近似模拟,近似模拟的生命力在于验证试验。泥沙试验是潮流动力模拟之上的二次简化模拟,为了提高泥沙试验的精度,需要加强物理模型的基础验证试验,在此基础上再针对研究重点进行局部验证。对于珠江河口重大港口的研究,为了提高泥沙试验的精度,往往还需要开展原型试挖槽研究,旨为模型试验提供准确的泥沙验证依据。

3.2 潮流与波浪同步模拟的方法

珠江河口浅水滩涂及部分港口的泥沙运动受潮流与波浪的双重动力控制,需要对潮流与波浪进行同步模拟,这也是珠江河口泥沙试验的技术难点之一。

为在整体物理模型的不同区域实现波浪的准确模拟,试验专门设计了一套灵活、可移动的造波装置。此造波装置具备装卸和移动简单,波向、波高和波周期调整灵活的优点,而且采用高架空设计,可尽量减少对潮流运动的影响。造波装置如图5所示,该装置由不锈钢造波板、不锈钢造波骨架、带磁式限位开关的气缸、万向轴承、球头杆端关节轴承、PLC控制电柜、无线遥控、空气压缩机、DF搬运车组成。主要通过改变造波板的摆放方向来调整波向；利用限压阀改变通过气压的大小，进而改变推波板的移动速度，控制波浪频率；通过调整带磁式限位开关的气缸的限制位置来改变造波板的摆动幅度，并配合限压阀气压大小的调整来控制波高和波周期。

图5 可移动式造波装置

3.3 潮流模拟过程自动控制加沙的方法

为准确模拟悬移质泥沙过程,试验设计了一种用于潮汐河口泥沙物理模型试验的悬移质加沙装置,其主要包括在线浊度计、电磁流量计、变频器、供沙动力系统、放沙装置、供沙管等。在线浊度计实时采集来流方向水流的含沙量,并反馈给计算机系统;计算机根据每个时刻需要的加沙浓度扣除来流含沙浓度,算出加沙器的加沙量,通过改变变频器的频率来控制加沙器出流量,从而满足加沙需求,也可对多个模型断面分别进行自动加沙。同时,在加沙量较小或者不加沙时,系统将自动加入清水,防止加沙孔堵塞。自动加沙装置如图6所示。

图6 珠江河口整体物理模型自动加沙装置

模型沙先在泡沙池浸泡,待满足要求后,用污水泵抽至拌沙池;拌沙池安装搅拌器,防止泥沙沉降,待泥沙浓度达到设定要求后,用污水泵抽至加沙池;加沙池为防止泥沙沉降,同样安装搅拌器,同时用污水泵抽至分沙池;分沙池设置一溢流口,使多余的含沙水量回流至加沙池,以保证分沙池的水位恒定,便于加沙控制,同时安装搅拌器;被变频器控制的污水泵首先对分沙池水流进行抽水,水流流经电磁流量计后与清水加水管汇合，最后流向加沙管。清水池分为两个：一个是清水蓄水池,负责向清水加水池供水和回收多余清水;另一个是清水加水池,负责向加沙管供水,保证加沙孔不堵塞,加水池还设一溢流口,可使多余水量通过溢流口回流至清水蓄水池,从而保证水位的恒定。模型来流方向设置有在线浊度计,可实时监测来流含沙量,并由系统自动采集分析。

4 港珠澳大桥泥沙物理模型试验应用实例

4.1 港珠澳大桥及水域概况

港珠澳大桥工程从香港大濠岛起，至珠海拱北，再到澳门半岛,主线全长约35.525 km。港珠澳大桥总平面图如图7所示,从东向西布置有香港口岸、珠海—澳门口岸及隧道东、西人工岛、珠海接线人工岛等其他5个人工岛。

图7 港珠澳大桥总平面图

伶仃洋是珠江口东部4个口门(虎门、蕉门、洪奇门和横门)注入的河口湾,湾型呈喇叭状,走向接近NNW-SSE(北偏西北-南偏东南)方向,湾顶宽约4 km(虎门口),湾口宽约30 km(澳门至香港大濠岛之间),纵向长达72 km,水域面积约2 110 km2。伶仃洋水域的地形具有西部浅、东部深的横向分布特点和湾顶窄深、湾腰宽浅、湾口宽深的纵向分布特点,浅滩分布呈现三滩两槽的基本格局[6]。

4.2 由原型问题分析入手,确定泥沙试验重点与试验方法

港珠澳大桥是珠江河口最重要的工程之一,将对珠江河口产生一定程度的近、远期影响。原型工程中主要关心以下泥沙问题:

1)桥墩及人工岛冲刷。大桥建设后,工程增加了阻水建筑,早期主要产生桥墩及人工岛的冲刷问题,而冲刷形成的泥沙往往在人工岛及桥墩附近形成堆积性淤积。

2)西滩密集桥墩对珠江口西滩输沙通道的影响。港珠澳大桥具有一定的曲线形式,在伶仃洋西滩大桥处，轴线与水流的交角较大,会形成密集桥墩的阻水效应,需要研究密集桥墩对珠江口输沙通道的长期影响。

3)大桥建设后伶仃洋的长期演变。远期的泥沙问题以伶仃洋持续性淤积为主,需要对伶仃洋长期的淤积分布及其环境效益进行研究。

在明确原型泥沙关键问题的基础上,确定本次泥沙试验方案:①抓住工程中不同时期的重点问题,对其近、远期分别进行模拟,提高单一研究主题的试验精度;②坚持“五位一体”的综合研究技术路线,采用水槽试验进行前期基础研究,选择合适的模型沙及冲淤比尺;③先进行局部动床试验,主要模拟桥墩及人工岛附近的河床冲刷及其堆积性淤积;再将模型冲刷河床固化,开展伶仃洋片区的悬沙淤积模型试验,预测中长期的淤积演变发展。

首先,本项目的泥沙试验需进行局部动床试验,以研究大桥人工岛和桥墩可能引起的局部冲刷问题,为下一步开展大桥的长期累积影响的研究提供地形边界。为此,首先需选定合适的局部动床模型底沙。根据桥址附近底质泥沙采样和粒径组成分析,工程附近天然沙的起动流速取1.60 m/s，按照流速比尺,要求模型沙的起动流速为16.0 cm/s。经水槽试验,容重为1.4 t/m3、中值粒径为0.7 mm的株洲精煤屑,在水深为5～13 cm时,起动流速为14.5～16.2 cm/s,基本可用于本项目局部动床模型试验的底沙模拟[7]。

其次,还需开展伶仃洋片区悬沙淤积模型试验,主要是为了研究大桥工程对伶仃洋滩槽产生的影响。根据伶仃洋水域的水文测验资料,基于相似比尺,要求模型沙的沉速为0.028～0.035 cm/s,起动流速为6～7 cm/s。通过对多种不同模型沙进行试验和比较,认为木粉较为合适。本模型选用江苏靖江生产的300目的木粉,其比重为1.16 t/m3,沉速约为0.03 cm/s,起动流速约5～7 cm/s,该木粉由梧桐木制作,木质较轻,适合用于模拟细颗粒悬沙远距离的输移,基本能满足本试验的要求。

4.3 水文组合及泥沙试验实施方法

本次泥沙试验首先进行港珠澳大桥工程实施后局部动床长系列冲刷试验,将冲刷后基本稳定的地形边界进行固化处理,再进行港珠澳大桥工程实施前后悬沙淤积试验。

局部动床范围为:伶仃洋西侧、上游边界距桥轴线约2.0 km、下游边界距桥轴线约2.5 km，伶仃洋东侧、上游边界距桥轴线约5.0 km、下游边界距桥轴线约4.0 km的区域。试验时动床范围内铺设株洲精煤屑,试验水文组合采用“1999.07”中水径潮组合(含大、中、小潮)+“2001.02”枯水径潮组合(含大、中、小潮)[8]。模型试验时采用这两组水文的组合值对河床进行冲刷,直至河床基本稳定为止。

悬沙淤积试验是在局部动床长时间冲刷试验的基础上,将局部动床冲刷试验后的地形进行固化,然后再进行悬沙淤积试验。试验水文组合为“1999.07”中水径潮组合(含大、中、小潮)+“2001.02”枯水径潮组合(含大、中、小潮)。试验时先施放“1999.07”潮型,再施放“2001.02”潮型,落潮时上游加沙,涨潮时下游加沙,通过反复调试加沙量及加沙时间,最后确定含沙量比尺为0.22,冲淤时间比尺为726。

由悬沙淤积验证试验结果可知:悬沙淤积验证试验中模型验证区域平均淤积强度与多年实测地形资料分析的淤积结果较为相近。

5 结语

珠江河口泥沙运动具有明显的分区差异性；伶仃洋、黄茅海区域为潮流动力控制的河口湾区，其泥沙运动的基本形式为径流来沙与海域来沙在潮流往复运动过程中的二次(或多次)搬运淤积为主，局部浅滩及强风浪区波浪对泥沙运动的影响也较大；磨刀门区域为率先淤积延伸、直接入海的口门，其泥沙运动的基本形式为洪季径流输沙下泄、在口门外淤积形成拦门沙；枯水期，波浪与潮流共同作用下，推动泥沙上溯，形成堆丘。珠江河口整体物理模型泥沙试验，应当在把握珠江河口泥沙分区运动特征的基础上，针对研究课题中主要关心的泥沙问题，进行泥沙分区模拟试验与专题研究；波浪对局部水域泥沙运动具有十分重要的影响，需要在试验研究中给予适当模拟。

[1]陈丽棠，沈汉堃，黎开志，等.珠江河口综合治理规划报告[R].广州:珠江水利委员会珠江水利科学研究院,2010.

[2]吴小明,邓家泉,吴天胜,等.珠江河口大型潮汐整体物理模型设计与应用[J].人民珠江,2002，23(6):14-16.

[3]吴天胜.港珠澳大桥工程防洪评价报告[R].广州:珠江水利委员会珠江水利科学研究院,2007.

[4]马志鹏.磨刀门治导线规划报告[R].广州:珠江水利委员会珠江水利科学研究院,2016.

[5]张心凤.珠海港高栏港区主航道疏浚方案研究[R].广州:珠江水利委员会珠江水利科学研究院,2016.

[6]何用.珠江河口口门区滩潮演变及对泄洪的影响[R].广州:珠江水利委员会珠江水利科学研究院,2016.

[7]中华人民共和国交通运输部.海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程:JTS/T 231-2—2010[S].北京：人民交通出版社，2010.

[8]吴门伍,严黎,周家俞,等.伶仃洋泥沙淤积模型试验研究[J].人民珠江,2012,33(2):7-11.

(责任编辑：张陵)

Sediment Test Method and Application in the Whole Physical Model of the Pearl River Estuary

WU Xiaoming1,2, LU Chen1,2, WU Menwu1,2, YANG Yugui1

(1.Pearl River Hydraulic Research Institute, Pearl River Water Resources Commission, Guangzhou 510611, China; 2.Key Laboratory of Estuarine Dynamics and Environment, the Ministry of Water Resources, Guangzhou 510611, China)

For mastering the basic characteristics of sediment movement in Pear River estuary and optimizing the scheme arrangement of major engineering in the estuary,based on the characteristics of sediment movement of Lingdingyang, Modaomen and Huangmaohai in Pearl River estuary, we analyzed the key technical problems in sediment simulation of the three areas; For the sediment test of whole physical model of Pear River estuary, we mainly study the core technology, such as zoning simulation, selection of model sediment, development of key equipment, and so on; Combined with the practical experience of physical model research and application in many years, we summarize the sediment test method of whole physical model in Pear River estuary. Finally, the major project of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge is presented as an example for further explanation.

Pearl River estuary; whole physical model; sediment test; Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge

2017-01-03

国家自然科学基金资助项目(51409286)；珠江水利科学研究院开放基金项目([2013]KJ05)。

吴小明(1961—)，男，湖南衡阳人，教授级高级工程师，从事河口、水工及环境水力学方面的研究。E-mail：179941009@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.010

TV131.61;TV148

A

1002-5634(2017)03-0064-06