珠江三角洲水资源配置工程A6标段临时码头对河道影响分析

任洪强

(广州市杏韵工程咨询有限公司，广州 510080)

0 引 言

水利工程修建对河道现状会造成一定影响，大型水利工程建设有助于改善水资源现状，提高水质、防洪能力等。在水利工程修建过程中，通常需要修建临时设施，提高工程建设速度。研究临时设施对现状河道的影响是非常必要的[1-4]。以珠江三角洲水资源配置工程A6标段临时码头为例，研究工程修建对河道的影响。

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程，输水线路总长113.2 km，其中输水主干线总长90.3 km。目前，A6标段已进入输水隧洞建设高峰期，工期紧，进场材料量大。为了满足A6标输水隧洞施工强度，解决输水钢管运输与进场问题，故在GZ11#(LG10#)工作井处建设临时码头。

临时码头停泊能力按1 000 t设计，泊位总长65.9 m；码头作业平台为C40钢筋砼墩台，长度为20 m，宽度为12.5 m；下部采用φ800 mm钢管桩基础。工程位于李家沙水道番顺联围K36+200桩号旁，李家沙水道上承顺德水道，下接洪奇沥水道，全长9.2 km。工程附近河岸顺直，河面宽阔，河道浅平，附近河道宽度约为200 m，河底标高-0.20～-7.0 m，河床深槽高程达-6.0～-7.0 m，砌石河岸现状完好，近岸处已做抛石防护处理。

2 防洪评价计算

2.1 水文组合条件

拟建临时码头所在堤防现状防洪标准50年一遇，水文边界条件见表1。

表1 工程河段计算水文边界条件

根据表1的计算条件，本次防洪计算选取P=1%、P=2%、P=5%和P=10%共4种洪水频率，对临时码头工程前后进行一维、二维水流数学模型模拟计算、分析。

2.2 数学模型计算

2.2.1 一维水流数学模型

1) 基本控制方程。控制方程采用一维非恒定流公式推算，基本方程式为：

(1)

(2)

式中：Z为水位；A为过水面积；B为水面宽；t为时间；Q为流量；R为水力半径；n为糙率系数；x为沿河距离；g为重力加速度；q为单位河长侧向入流量。

以G代表流域Q和水位Z，则G在河段Δx和时段Δt内的加权平均量及相应偏导数见式(3)-式(5)，一维离散格式示意图见图1。

图1 一维离散格式示意图

(3)

(4)

(5)

(6)

整理得代数方程组：

(7)

(8)

略去为未知数的上标n+1，就上述二方程组求解变量Zi与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) 模型率定与验证。根据率定、验证结果，数学模型中选取的糙率值反映的是各河道在设计水文条件下的综合水流阻力。李家沙水道各断面的糙率值大致介于0.020 3～0.026 7之间。

2.2.2 二维水流数学模型

1) 基本方程。平面二维浅水方程的分量形式可表达为：

(15)

(16)

(17)

式中：h=η+d为总水深；η为水位；d为水深；u为X向流速；v为Y向流速；g为重力加速度；Sox、Soy为河道的倾斜效应项，x、y下标为求导的意思；Sfx、Sfy为X、Y方向摩阻底坡。

2) 数值计算方法。对二维浅水方程的求解采用有限体积法(FVM)见图2。结果变量u、v和η位于单位中心(图1的C0、C1点)，跨边界通量垂直于单元边。

图2 二维非结构三角网格

本次计算主要以临时码头工程上游500 m作为模型进口，临时装卸点工程下游500 m作为模型出口，计算长度为1 000 m；计算范围包括临时码头工程所在河道行洪影响所及的范围，并采用不同大小的三角形网格划分，建立的模型能较真实地反映河道地形的实际情况。

2.3 壅水分析

在设计的水文组合条件下，计算各断面的水位，获取河道断面平均行洪水位影响的数值。工程采用一维网河数值进行计算，工程前后临时码头局部河段各断面的水位及其差值的计算结果见表2。

表2 工程后所在河段水位变化最大值统计

根据上述计算结果可知，李家沙水道水位最大壅高值为0.009 m。临时码头工程兴建后，在较为不利的洪水水文组合条件下，河道行洪水位未出现明显变化。因此，工程的建设不会对李家沙水道的设计防洪水位造成不利影响。

2.4 河势影响分析

河势影响计算采用二维水流数学模型模拟，分析各频率水文组合条件下，工程实施前后河道水流条件及河势变化情况。采用实测河道地形，建立计算模型，并对整个计算区域进行三角形网格划分，使得网格地形能较真实地反映河道地形的实际情况。

通过二维水流模型的模拟分析计算，工程前后河道水流的流速、流向变化不大，整体流态平顺，整个河段主槽水流动力轴线基本没有变化。因此，从整体上临时码头工程不会改变工程河段的流态，也不会对工程河段的水动力变化产生明显影响。

2.5 工程对堤防抗滑稳定计算分析

2.5.1 计算参数

临时码头工程所在堤防等级为2级，位于现状堤防迎水坡外侧，为保证堤坡安全运行，需对设计堤防进行稳定复核。本次选取临时码头所在的堤防断面进行复核，计算参数见表3。

表3 岩土物理力学参数建议值

2.5.2 计算工况

堤防稳定分析采用Autobank7.07版软件提供的边坡稳定分析计算，结合堤防实际运行中可能出现的不利情况，拟定下列3种工况进行稳定分析：

正常运用条件：

工况一：设计洪水位下的稳定渗流期的背水侧堤坡

工况二：设计洪水位骤降期的临水侧堤坡

非常运用条件Ⅱ：

工况三：施工作业荷载20 kPa+设计洪水位下临水侧、背水侧堤坡

根据规范要求，在采用毕肖普法计算时，边坡抗滑稳定安全系数应不小于表4规定的数值。

表4 土堤抗滑稳定安全系数

2.5.3 计算结果

在临时码头运行期，由于车辆荷载作用于堤身背水坡，为此本次抗滑稳定复核是将车辆轮压集中荷载分散成均布荷载作用于堤后斜坡计算分析。

表5 土堤抗滑稳定计算安全系数成果汇总表

根据计算结果可知，抗滑稳定计算得出的安全系数满足规范要求。

3 防洪综合评价

3.1 与现有规划的关系与影响分析

工程接岸处后侧番顺联围堤段现状防洪标准为50年一遇，规划将其提标至200年一遇。根据广东省河道行洪控制线划定成果，临时码头超出河道行洪控制线1 m，但是码头平台梁底标高为4.70 m，河道50年一遇的防洪潮水位4.51 m，码头梁底标高高于50年一遇防洪潮水位。虽然码头超出了河道行洪控制线，但由于其对河道雍水较小，流速流态变化较小，因此临时码头工程不会影响河道行洪以及现有水利规划的实施。

3.2 与现有防洪标准、有关技术和管理要求的适应性分析

经计算分析，临时码头工程实施后，50年一遇洪水条件下工程附近河道水位最大壅高幅度均不超过0.006 m，临时工程对河道水位产生的壅高很小，不会降低现有堤防的防洪标准。临时码头采用高桩疏水结构，梁底高于所在河段防洪潮水位；工程阻水比按实体计算，最大阻水比为3.40%，不超过4%，基本满足河道管理要求；工程的主体桩墩不占用堤身断面，未降低堤防的强度、稳定性、抗渗性，未影响堤防管理运用，是符合技术规范要求。

综上所述，临时码头工程与现有防洪标准、有关技术和管理要求是相适应的。

3.3 对行洪安全的影响分析

根据计算结果，临时码头工程兴建后，所造成的李家沙水道水位最大壅高值为0.009 m。可见，临时工程实施后，工程所在水道的水位壅高值较小，故临时码头工程对所在李家沙水道的防洪水位影响不大。

3.4 对河势稳定的影响分析

根据研究成果分析可知，临时码头工程建成后，工程不会改变工程河段的流态，也不致对工程河段的水动力变化产生明显影响。由此可见，临时码头工程对李家沙水道的河势稳定影响较小。

4 结 论

采用水动力模型方法，对珠江三角洲水资源配置工程土建施工A6标段建设临时码头进行防洪影响分析计算。根据计算结果可知，临时码头工程与现有防洪标准、有关技术和管理要求相适应；工程实施后对防洪水位、现有堤防、河势稳定影响较小，不会影响现有水利规划的实施。