長江下游過江隧道河段最大沖深數(shù)值模擬

魏　帥，李國祿，陳　述

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京　210029； 2. 中交一航局第三工程有限公司遼寧大連　116083； 3. 中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司湖北武漢　430050)

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長江下游過江隧道河段最大沖深數(shù)值模擬

魏帥1，李國祿2，陳述3

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029； 2. 中交一航局第三工程有限公司遼寧大連116083； 3. 中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司湖北武漢430050)

摘要：隧道工程所在位置河床的最大沖刷深度是過江隧道方案設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一，合理確定最大沖刷深度能為保證工程安全和減少投資提供重要設(shè)計依據(jù)。在分析近年來河道演變特點和前人所做研究的基礎(chǔ)上，以長江下游儀征水道世業(yè)洲河段擬建過江隧道為例，分析工程河段的來水來沙特點，采用二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型對不同水文年條件下河段河床最大沖刷深度進行了研究。在驗證模型水流和泥沙沖淤相似的前提下，確定了動床模擬的不利水沙系列為2007—2010年+1998年+300年一遇洪水流量過程，并結(jié)合地質(zhì)勘測資料對模擬結(jié)果進行了合理預(yù)測。最終確定過江隧道斷面河床左汊最大沖深為10.85 m，右汊最大沖深為8.87 m，該結(jié)果對擬建過江隧道工程而言偏于安全。

關(guān)鍵詞：過江隧道； 河道演變； 水沙條件； 最大沖深

長江下游順直(微彎)分汊河段眾多，河段內(nèi)洲灘沖淤及左右汊興衰變化劇烈，規(guī)劃設(shè)計過江通道方案時常采用跨河橋梁或穿江隧道。相比橋梁，過江隧道是一種比較隱蔽的工程，隧道交通不會受天氣干擾，工程建設(shè)不受通航凈空高度的限制，可靠性也較高。當(dāng)采用隧道過江時，工程所在位置的河床最大沖刷深度是規(guī)劃設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一，它直接關(guān)系到工程運營的安全性和投資經(jīng)費。因此合理確定最大沖深能為保證工程安全和減少投資提供關(guān)鍵的設(shè)計依據(jù)。

河床最大沖刷深度一般包括工程引起的局部沖刷和河流自然沖刷兩種類型。對于第一類沖刷，B. M. Summer等[1]對此作過系統(tǒng)的總結(jié), 倪志輝等[2]通過建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型對復(fù)合橋墩附近水域可能發(fā)生的最大局部沖深位置進行了研究。但隧道埋設(shè)在河床下，并未干擾河流的水沙運動，因此主要是第二類沖刷。相比而言，對河床自然沖刷問題國內(nèi)外研究較少，史英標(biāo)等[3]對錢塘江河口過江隧道河段極端洪水條件下的沖刷深度開展了研究，但對特大洪水對應(yīng)水沙過程的確定是基于錢塘江河口段水沙特點，對來沙過程的確定描述較為簡單；岳紅艷等[4]結(jié)合武漢市軌道交通三號線穿越漢江隧道，驗證了河工模型試驗和數(shù)學(xué)模型在模擬隧址斷面河床最深點高程上的一致性，但漢江河段水沙過程主要受上游丹江口水庫控制和下游武漢河段水流頂托作用影響；何用等[5]對珠江三角洲擬建過江隧道工程所在的復(fù)雜網(wǎng)河區(qū)河道進行了極限沖刷的模擬計算，認識到河道最大沖深受河道水動力特點影響較大，與三角洲地區(qū)徑流潮流運動特點相對應(yīng)，網(wǎng)河河道的泥沙既有上游徑流挾帶泥沙, 也有下游上溯潮流挾帶泥沙,故其泥沙來源和沖淤變化特性有所不同。張為等[6]以長江南京河段擬建緯三路過江隧道為例，對三峽水庫運行以來河段來水來沙特點變化進行過一定探索性研究，但對河床地質(zhì)情況考慮較少。

水沙過程選擇的正確與否直接關(guān)系到預(yù)測結(jié)果的合理性，而三峽水庫蓄水?dāng)r沙作用改變了天然下泄的水沙過程，給特大洪水的水沙過程，尤其是沙量過程的確定增加了難度。在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，本文以擬建的長江世業(yè)洲隧道方案為背景，采用河演分析、水沙數(shù)學(xué)模型、地質(zhì)勘探資料相結(jié)合的方法對隧址河床最大沖刷深度進行研究。重點考慮三峽水庫蓄水?dāng)r沙作用對長江下游水沙過程的影響，對確定不利水沙系列進行討論，并利用地質(zhì)勘探資料，結(jié)合不同地質(zhì)層抗沖性能，對復(fù)雜地質(zhì)情況影響下隧址河段最大沖深范圍作出合理預(yù)測和分析，為隧道埋深和過江通道比選提供參考和依據(jù)。

1河段工程概況

世業(yè)洲隧道位于長江儀征水道中下段。儀征水道上起三江口，下至瓜州，全長約31 km，為微彎分汊河型，世業(yè)洲將水道分為左右兩汊。其中，世業(yè)洲汊道自泗源溝至瓜洲渡口，長約20 km，左汊為支汊，呈順直型，平均河寬約880 m；右汊為主汊，是曲率比較小的彎曲河道，平均河寬約1 450 m。擬建世業(yè)洲隧道位于世業(yè)洲中下部，隧道斷面左側(cè)位于世業(yè)洲左汊土橋附近，隧道斷面右側(cè)位于世業(yè)洲右汊七擺渡附近，隧道所在河段河勢和工程平面位置見圖1。

圖1　儀征水道河勢Fig.1　 Sketch of Yizheng waterway

2河段近期演變特點

2.1汊道分流比變化

近年來，世業(yè)洲汊道處于左汊緩慢發(fā)展、右汊相對萎縮階段，左汊分流比緩慢增加。20世紀70年代以前，左右汊的分流一般維持在1∶4.4左右，即左汊的分流比為18.5%，兩汊處于相對穩(wěn)定階段。20世紀70年代中期至90年代初期，左汊分流比開始緩慢增加，年均增大約0.1%；1995年后連續(xù)大洪水作用期間，左汊分流比增加速度明顯加大，1997—1999年年均增大達2.8%；2000年以后增速又趨緩，但增長幅度相對1998年大洪水前有所增大，至2012年12月左汊分流比增加至38.8%。

2.2隧址處橫斷面變化

目前世業(yè)洲總體沖淤變化大致表現(xiàn)為左汊整體沖深，局部位置沖刷幅度比較大，而右汊表現(xiàn)為“沖灘淤槽”，中下段世業(yè)洲右緣邊灘淤長，深槽沖刷[7]。隧址附近斷面沖淤變化特點如下。

隧址左汊斷面在1964—1994年沖淤變化較大(見圖2)，左岸沖刷崩退，河道展寬；隨著護岸工程及加固工程的實施，河道左右岸邊界趨于穩(wěn)定，但河床仍有所變化，主要表現(xiàn)為深槽沖刷發(fā)展，這與世業(yè)洲左汊分流比增加是相對應(yīng)的。右汊斷面在1987年以前，七擺渡以下隨著右岸自上而下的崩退，深槽右移，1987年以后隨崩退減緩而漸趨穩(wěn)定。近年來，右汊斷面表現(xiàn)為世業(yè)洲右緣淤積，深槽有沖有淤，但幅度較小。左右汊斷面總體形態(tài)比較穩(wěn)定。

圖2　世業(yè)洲隧道左右汊河床斷面形態(tài)變化Fig.2　 Section morphologic variation of left and right branch channels at Shiyezhou tunnel

Tab.1Bed elevation of left and right branch channels at Shiyezhou tunnel

日期左汊右汊起點距/m最深點高程/m起點距/m最深點高程/m1964-10633-41545-221987-09550-101530-241997-03565-131592-241999-01460-131580-242004-01416-111645-242008-09426-12.51679-242010-03468-15.31616-24.82011-01466-15.51573-23.62012-12443-15.71662-22

從表1的斷面統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，2004年1月至2012年12月左汊最深點處有所沖刷，沖深為4.7 m；右汊最深點處有所淤積，淤高約2.0 m。從最深點的位置來看，基本上左汊均位于左側(cè)，右汊均位于右側(cè)，橫向擺動幅度均在100 m以內(nèi)，擺動幅度較小。

3數(shù)學(xué)模型的建立與驗證

3.1模型建立

數(shù)學(xué)模型的基本方程包括水流連續(xù)方程、運動方程和不平衡泥沙輸移及河床變形方程，限于篇幅，在此主要介紹泥沙輸移及河床變形方程：

(1)懸移質(zhì)不平衡輸移方程：

(1)

(2)非均勻推移質(zhì)按其粒徑大小可分成nb組，竇國仁[8]推移質(zhì)不平衡輸移方程為：

(2)

(3)

基于Fortran語言編制了平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型計算程序，在正交貼體曲線坐標(biāo)系下采用控制體積法離散方程，并利用S. V. Partaker等[9]提出的SIMPLE計算式[10-11]求解耦合方程，計算采用不等距網(wǎng)格，網(wǎng)格線基本保持正交。數(shù)值計算定解條件為進口給定流量及含沙量，出口給定水位。

3.2模型驗證

為檢驗數(shù)學(xué)模型及有關(guān)參數(shù)選取的合理性，利用收集的地形、水文測驗資料對模型進行了水流和泥沙沖淤驗證，模型計算范圍上迄三江口，下至六圩河口，模擬河段全長約40 km。由2014年7月實測水文測驗資料對模型水位、汊道分流比及流速進行了驗證。儀征水道內(nèi)水文測量斷面和水位測站沿程布置如圖1。圖3為沿程水位和典型斷面流速的驗證結(jié)果，可見驗證計算與實測值較為一致。

圖3　模型水位與流速驗證Fig.3　 Results of computed and observed water levels and velocities at project location

模型沖淤驗證采用2010年3月測圖地形作為初始地形，2012年12月測圖地形作為驗證地形。進口流量和含沙量控制值均由大通站實測流量和含沙量過程概化求得(5～6 d概化成一級流量)，出口水位由鎮(zhèn)江站多年水位-流量關(guān)系插補得到，驗證河段漲水期、落水期以及整個水文年的沖淤變化。河段河床沖淤分布驗證如圖4所示，計算與實測沖淤部位和沖淤分布符合較好，符合《內(nèi)河航道與港口水流泥沙、模型技術(shù)規(guī)程》(JTJ 232—1998)的要求。以上結(jié)果表明模型的計算方法和參數(shù)選取基本合理，其水流泥沙運動基本反映了天然河道的情況，可用于最大沖刷深度的預(yù)測。

圖4　工程河段實測與計算沖淤分布對比(2010-03—2012-12)Fig.4　 Comparison between calculated and measured scouring-silting distributions from Mar. 2010 to Dec. 2012

4過江隧道河段最大沖深預(yù)測

圖5　世業(yè)洲隧道所在斷面流速分布Fig.5　 Velocity distribution of cross section at Shiyezhou 　tunnel

4.1河段水流條件分析

世業(yè)洲隧道位于世業(yè)洲中下部。世業(yè)洲左汊主流居中，右汊主流靠右岸，表現(xiàn)為彎道水流運動特性。在300年一遇、100年一遇和多年平均流量級條件下，隧道左汊斷面水位為2.55～7.38 m，右汊為2.55～7.45 m；圖5為各流量級條件下隧址斷面流速分布，當(dāng)流量為300年一遇洪水時，斷面左汊最大流速為2.69 m/s，右汊最大流速為2.91 m/s。

4.2水沙系列的選擇

水沙系列代表性選擇的正確與否，關(guān)系到工程的設(shè)計、造價及二維數(shù)值模擬成果的正確性[12]。針對研究河段來水來沙特點，考慮三峽水庫蓄水以來進口水沙條件變化的影響，從工程安全角度出發(fā)，提出水沙條件的確定方法，并確定不利水沙條件。

圖6　1950—2011年大通站年徑流量、年輸沙量分布Fig.6　 Annual runoff and sediment load at Datong 　station from 1950 to 2011

4.2.1水文年的選擇

(1)系列年的選擇。一般水沙系列是選擇一典型系列年加上特大洪水年(如100年一遇、300年一遇大洪水)作為計算條件進行模擬。對于系列年，主要是模擬估算年內(nèi)、年際的沖刷幅度及趨勢性變化。分析三峽蓄水前后大通站1950—2011年水沙資料，盡管蓄水以來上游來流量不大，多為中小水年，但沙量變化反映了三峽水庫蓄水?dāng)r沙作用，輸沙量明顯小于蓄水前[13]。三峽水庫蓄水前，大通站多年輸沙量為4.27億t，蓄水后，2004—2011年年均輸沙量為1.43億t，較蓄水前減少了66%。圖6給出了1951—2011年大通站逐年徑流量和輸沙量，由圖可見，選擇2007—2010年連續(xù)4年的系列組合能較好地代表三峽建庫后水沙變化的特點。考慮到1998年大洪水的特殊作用影響，有必要增加對其水沙流量過程的模擬，最終確定系列年為2007—2010年+1998年(300年一遇放大)。

(2)特大洪水年的確定。根據(jù)隧道的設(shè)計標(biāo)準(100年一遇洪水設(shè)計、300年一遇洪水校核)，從工程安全角度出發(fā)，選擇300年一遇洪水作為特大洪水過程。對于300年一遇洪水過程的確定可沿用以往的研究成果[14]，具體為采用1998年作為典型年，按照300年一遇的洪峰流量過程進行放大。

圖7　大通站流量與輸沙率相關(guān)關(guān)系Fig.7　 Relationship between discharge and sediment 　transport rate at Datong station

4.2.2特大洪水年沙量確定考慮三峽水庫運行后的蓄水?dāng)r沙作用，需結(jié)合水庫運行后實測資料確定特大洪水年的沙量過程。三峽水庫蓄水前，長江中游以下各河段泥沙主要依靠上游和沿程河床補給，而三峽水庫蓄水運行以后，將上游的絕大部分來沙攔蓄在水庫內(nèi)，使得水庫下游泥沙的來源和組成發(fā)生了較大變化，下游各河段泥沙只能依靠沿程河床的補給。從大通站輸沙量歷史統(tǒng)計資料中可以看出三峽工程運行后，運用模型計算的河段總輸沙量比實測值都要大一些，因此不能單純運用某一年份的輸沙量過程進行放大得到特大洪水年的沙量過程。在已有三峽水庫運行實測資料的情況下，通過擬合流量和輸沙率的相關(guān)關(guān)系，確定特大洪水年的沙量過程。這里采用三峽蓄水后(2004—2011年)大通站流量輸沙率資料，點繪流量與輸沙量的相關(guān)關(guān)系圖(見圖7)，并繪制泥沙下包線。從圖7中可以看出，隨著流量的增大，輸沙量也逐漸增大，且兩者能有較好的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，因此可以利用流量輸沙率關(guān)系推求特大洪水對應(yīng)的沙量過程。基于工程安全考慮，采用流量輸沙率關(guān)系下包線推求特大洪水年對應(yīng)的沙量過程。

4.3最大沖深預(yù)測

利用建立的二維數(shù)學(xué)模型和選取的水沙系列條件，對工程位置最大沖深進行計算分析。世業(yè)州隧道所在斷面左汊現(xiàn)狀河床最低點高程為-15.39 m，右汊河床最低點高程為-26.62 m。從隧址斷面地質(zhì)勘探鉆孔資料可知：左汊河床組成可分為覆蓋層和基巖，上層為粉細砂，厚度34 m左右，層底高程為-50.10 m；中間層為含礫中粗砂，厚度9 m左右，層底高程為-59.50 m；最底層為砂巖。右汊中部深槽河床組成為含礫中粗砂和基巖，深槽最低點高程距基巖僅0.9 m；右汊兩側(cè)河床覆蓋層為粉細砂和基巖，其中粉細砂厚度約4～6 m。

表2給出了沖刷平衡后隧址斷面的沖深統(tǒng)計數(shù)據(jù)，沖刷后現(xiàn)狀河床左汊深泓點高程為-25.23 m，對應(yīng)的沖刷深度10.73 m；右汊河床深泓點高程為-27.12 m，對應(yīng)的沖刷深度1.51 m。根據(jù)隧道所在斷面各點沖深最大值，得到各點沖刷深度的包絡(luò)線如圖8所示，與原始地形相比，左汊斷面最大沖深10.85 m，右汊斷面最大沖深為8.87 m。圖9為隧道斷面最深點出現(xiàn)時河床沖淤變化分布，總的來說，在2007—2010年+1998年系列水沙年和300年一遇特大洪水來流過程作用下，世業(yè)洲左汊以沖刷為主，且沖刷主要發(fā)生在深槽部位；右汊進口段“沖灘淤槽”，中下段以沖刷為主，沖刷主要在右岸主槽部分。

表2　世業(yè)洲隧址斷面沖刷統(tǒng)計

圖8　河床最大沖刷包絡(luò)線Fig.8　 Envelope curves of maximum riverbed erosion depth

圖9　隧道斷面最深點出現(xiàn)時河床沖淤變化Fig.9　Riverbed changes of tunnel section at 　maximum erosion depth

從以上結(jié)果可以看出河床地質(zhì)情況對沖刷深度有很大影響，左汊河床和右汊兩側(cè)河床暴露在表層的均為粉細砂，其抗沖性差，易被沖刷，所以這些位置處沖刷深度范圍比較大；而右汊中部深槽表層為含礫中粗砂，抗沖刷能力較強，能有效限制沖刷范圍的擴大，沖深僅1.51 m。最終在保證工程安全的基礎(chǔ)上，可以確定隧址斷面左汊最大沖深為10.85 m，右汊最大沖深為8.87 m，沖刷后斷面最深點高程左汊-25.23 m，右汊-27.12 m，預(yù)測結(jié)果比較合理，可作為隧道合理埋設(shè)的參考依據(jù)。

5結(jié)語

以儀征水道世業(yè)洲河段擬建過江通道為例，采用河演分析、水沙數(shù)學(xué)模型、地質(zhì)勘探資料相結(jié)合的手段對隧址河床最大沖刷深度進行了研究，討論了三峽水庫蓄水?dāng)r沙作用影響下不利水沙系列的確定，并利用地質(zhì)勘探資料，對復(fù)雜地質(zhì)情況影響下隧址河段最大沖深范圍作出合理分析和預(yù)測，得出以下結(jié)論：

(1)分析了工程河段來水來沙特點，建立世業(yè)洲隧道二維水沙數(shù)學(xué)模型，利用收集的地形、水文測驗資料對模型進行水流和泥沙驗證，驗證結(jié)果符合較好。

(2)在驗證相似基礎(chǔ)上，合理確定了動床模擬的計算水沙系列條件。分析得出2007—2010年連續(xù)4年的系列組合能較好地代表三峽建庫后水沙變化的特點，最終確定水沙系列為2007—2010年+1998年+300年一遇洪水流量過程。

(3)利用數(shù)模預(yù)測了在不同水文年條件下工程引起的河床沖淤變化，總體上左汊河床和右汊兩側(cè)表層粉細砂河床沖刷深度范圍比較大；而右汊中部深槽含礫中粗砂表層，抗沖刷能力較強，沖深僅1.51 m，結(jié)果充分說明河床地質(zhì)條件對沖刷深度的重要影響。最終預(yù)測的隧址斷面最大沖刷深度可為過江隧道的合理埋設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻：

[1]SUMER B M, WITHEHOUSE R J S, TORUM A. Scour around coastal structures: a summary of recent research[J]. Coastal Engineering, 2001, 44(2): 153- 190.

[2]倪志輝, 王明會, 張緒進. 潮流作用下復(fù)合橋墩局部沖刷研究[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2013(2): 45- 50. (NI Zhi-hui, WANG Ming-hui, ZHANG Xu-jin. Local scour of composite piers under action of tidal current[J]. Hydro-Science and Engineering, 2013(2): 45- 50. (in Chinese))

[3]史英標(biāo), 魯海燕, 楊元平, 等. 錢塘江河口過江隧道河段極端洪水沖刷深度的預(yù)測[J]. 水科學(xué)進展, 2008, 19(5): 685- 692. (SHI Ying-biao, LU Hai-yan, YANG Yuan-ping, et al. Prediction of erosion depth under the action of the exceptional flood in the river reaches of a tunnel across the Qiantang estuary[J]. Advance in Water Science, 2008, 19(5): 685- 692. (in Chinese))

[4]岳紅艷, 谷利華, 張杰. 武漢漢江過江隧道河床演變及最大沖深預(yù)測[J]. 人民長江, 2010, 41(6): 35- 39. (YUE Hong-yan, GU Li-hua, ZHANG Jie. Fluvial process and prediction of maximum erosion depth of riverbed in tunnel location across Hanjiang River[J]. Yangtze River, 2010, 41(6): 35- 39. (in Chinese))

[5]何用, 徐峰俊. 珠江洲頭咀河段過江隧道工程極限沖刷模擬研究[J]. 人民珠江, 2007(5): 32- 35. (HE Yong, XU Feng-jun. Pearl River Zhoutouzui section river-crossing tunnel construction limit scour modeling study[J]. Pearl River, 2007(5): 32- 35. (in Chinese))

[6]張為, 李義天, 袁晶. 長江下游過江隧道河段最大沖刷深度預(yù)測研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 2011, 30(4): 90- 97. (ZHANG Wei, LI Yi-tian, YUAN Jing. Prediction of maximum bed erosion depth near a crossing tunnel located at lower reach Yangtze River[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2011, 30(4): 90- 97. (in Chinese))

[7]伍文俊, 李青云, 李國斌. 長江儀征水道航道條件分析及整治方案研究[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2012(6): 75- 81. (WU Wen-jun, LI Qing-yun, LI Guo-bin. Navigable conditions and regulation schemes of Yizheng waterway in lower reaches of Yangtze River[J]. Hydro-Science and Engineering, 2012(6): 75- 81. (in Chinese))

[8]竇國仁. 再論泥沙起動流速[J]. 泥沙研究, 1999(6): 1- 9. (DOU Guo-ren.Incipient motion of coarse and fine sediment[J]. Journal of Sediment Research, 1999(6): 1- 9. (in Chinese))

[9]PATANKAR S V, SPALDING D B. A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1972, 15(10): 1787- 1806.

[10]許慧. 丁壩水流數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京: 南京水利科學(xué)研究院, 2009. (XU Hui. Research on key technique of numerical simulation in flow movement around dike-spur[D]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2009. (in Chinese))

[11]許慧, 李國斌, 尚倩倩, 等. 淹沒丁壩群二維水流數(shù)值模擬新方法[J]. 水科學(xué)進展, 2014, 25(3): 407- 413. (XU Hui, LI Guo-bin, SHANG Qian-qian, et al.A new numerical simulation approach for 2-D flow with submerged spur-dikes[J]. Advance in Water Science, 2014, 25(3): 407- 413. (in Chinese))

[12]李義天, 趙明登, 曹志芳. 河道平面二維水沙數(shù)學(xué)模型[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2001. (LI Yi-tian, ZHAO Ming-deng, CAO Zhi-fang. 2-D flow and sediment mathematical model in channels[M]. Beijing: China Water Power Press, 2001. (in Chinese))

[13]蔡國正, 李國斌. 新建連鎮(zhèn)鐵路過江通道比選二維水沙數(shù)學(xué)模型研究[R]. 南京: 南京水利科學(xué)研究院, 2014. (CAI Guo-zheng, LI Guo-bin. 2-D flow and sediment mathematical model research on choosing river-crossing passage of the new Lian-Zhen railway project[R]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2014. (in Chinese))

[14]李國斌, 許慧. 長江南京以下深水航道二期工程儀征水道航道整治工程數(shù)學(xué)模型研究[R]. 南京: 南京水利科學(xué)研究院, 2014. (LI Guo-bin, XU Hui.Waterway regulation mathematical model study on Yizheng waterway of deepwater channel phase II project along Yangtze River downstream Nanjing[R]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2014. (in Chinese))

Mathematical model studies on maximum bed erosion depth near Shiyezhou river-crossing tunnel

WEI Shuai1， LI Guo-lu2， CHEN Shu3

(1.NanjingHydraulicReaserachInstitute,Nanjing210029,China； 2.No.3EngineeringCo.ofCCCCFirstHarborEngineeringCo.,Ltd.,Dalian116083,China； 3.ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430050,China)

Abstract：The maximum riverbed erosion depth near the crossing tunnel is a key parameter for the tunnel design. And its reasonable determination can provide a critical design basis for project safety and reduction of investment. Based on the analysis of previous studies, a two-dimensional flow and sediment mathematical model was developed to predict the bed erosion depth at the tunnel location, based on a case study of the Shiyezhou river-crossing tunnel that would be constructed in the Yizheng waterway. The Yizheng waterway is a critical river section of the lower reaches of the Yangtze River, and the river-bed evolution in the past century is as follows: the head of Shiyezhou sandbar collapsed continually, the left branch developed slowly with the mainstream moving towards the right after the confluence, and the right inlet still played a dominant role. So it is very necessary to study the maximum bed erosion depth near the location of the river-crossing tunnel. After analyzing the incoming water and sediment conditions in the project reach, we verified the mathematical model based on the existing data of the river processes, the features of river flow movement and the law of sediment erosion and deposition. The calculated values agreed well with the actual measured values. After model calibration using hydrographic field data and data of the historical morphological changes in the Yizheng waterway, the discharge processes in 2007—2010, 1998, and of the three-hundred-year return period were determined as the adverse flow and sediment conditions with consideration of the incoming flow and sediment conditions. The simulated results are predicted with the survey data of river bed drilling, and eventually the predicted maximum erosion depths of the branch channel in the left and right are 10.85 m and 8.87 m respectively during different flow and sediment series. The results are sufficiently safe for the construction of the river-crossing tunnel project and will be a scientific basis for the engineering design.

Key words：tunnel across river; channel evolution; flow and sediment series; maximum erosion depth

中圖分類號：TV147

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)01-0001-08

作者簡介：魏帥(1990—)，男，山東萊蕪人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方面研究。

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB417002)；“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAB04B00)

收稿日期：2015-03-10

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.001

魏帥， 李國祿， 陳述. 長江下游過江隧道河段最大沖深數(shù)值模擬[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2016(1): 1-8. (WEI Shuai, LI Guo-lu, CHEN Shu. Mathematical model studies on maximum bed erosion depth near Shiyezhou river-crossing tunnel[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 1-8.)

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