内河中游沉管隧道管节浮运沉放水文窗口选择研究

韩建坤

(中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河　065201)



内河中游沉管隧道管节浮运沉放水文窗口选择研究

韩建坤

(中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河065201)

沉管隧道工程管节浮运沉放对浮运水位和流速的要求高。南昌红谷隧道为国内首座内河中游沉管隧道，受季节降水影响，水位和流速变化幅度大，满足浮运条件的水文窗口较少。通过对管节受到的水流力和拖轮拖力计算，确定水文边界条件。采用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对浮运航道内关键点和控制断面流速、水位进行监测作为水文预报的基础。采用相应水位(流量)法和合成流量法相结合的方法预测隧址位置水位、流量，将预测的水位、流量结果导入数值计算模型计算浮运航道内的流场分布。现场实测表明，水位和流速预测误差为±30 cm、±0.15 m/s，满足管节浮运水文预报精度的要求，并有效指导浮运沉放水文窗口的选择，保障红谷隧道管节浮运沉放施工的安全。

内河沉管隧道； 管节浮运沉放； 水文窗口； 水文预报

0　引言

沉管隧道具有断面利用率高、地质适应性强、施工方法简单、工期短等诸多优点，近年来被广泛应用。2000—2016年，我国共修建8座沉管隧道，其中6座已建成，在建的有港珠澳大桥岛隧工程和南昌红谷隧道2座大型沉管隧道。由于沉管隧道管节浮运、沉放对水文条件要求较高，国内已建成的内河沉管隧道均选择在河道下游入海口流速和水位变化幅度较小的位置修建。南昌红谷隧道作为国内首座江河中游沉管隧道，施工中需克服高水差、大流速和浮运沉放窗口少等难题。

国内学者在水文预报方面进行了大量的研究。莫海鸿等[1]运用计算流体力学方法对不同流速、水位等工况下管节沉放的全过程进行数值模拟分析，研究大流速工况对管节沉放的不利影响； 吕卫清等[2]通过对港珠澳大桥沉管隧道长大管节水动力性能试验研究，分析水文条件对管节浮运沉放的影响； 李莉等[3]对两栖装甲车辆兴波阻力的计算方法和流场进行分析，可以作为管节浮运兴波阻力计算的参考； 林金雄等[4]采用CFD 软件STAR-CCM+建立管节浮运的数值模型，分析管节浮运时的运动及阻力状态，研究横向迎流和大流速条件对管节浮运的不利影响； 王晶[5]总结分析了现有水文预报模型； 陈文爱[6]总结分析中长期水文预报的方法，指出原有统计分析预报方法的不足，建议采用人工神经网络、模糊、灰色、混沌等方法综合分析，提高水文预报精度； 王婷婷等[7]根据最小二乘法和信息熵理论建立水文预报模型进行研究； 王有恒等[8]研究HBV水文预报模型在白龙江流域的应用； 周文斌等[9]研究多元线性回归分析法在水文预报中的应用； 黄岩等[10]研究流域规模对水文预报的影响； 陈森林等[11]分析影响河流或渠道断面流速分布的因素，建立反映水流特点和河渠断面形状的指数型流速经验分布函数，根据断面平均流速得出断面中个点流速分布； 王朝辉等[12]结合天津海河沉管隧道，对内河沉管隧道施工方法进行了研究。

目前，针对沉管隧道管节浮运过程中水流作用不利影响的研究较多，而关于沉管隧道工程水文预报方法的研究较少； 水利系统对水文预报的方法进行了广泛研究，现有预报方法对水位、流量预报结果基本上能够满足水利工程和防洪的需要，但适用于沉管隧道工程水文预报的研究较少。内河沉管隧道管节浮运沉放过程中，管节横向迎流时阻水断面大，对河流流速要求高。研究内河沉管隧道工程水文预报方法，选择合适的水文浮运窗口，对工程安全施工至关重要。本文结合南昌红谷隧道工程，研究了适用于内河沉管隧道管节浮运沉放水文预报和窗口选择的方法。

1　工程概况

1.1管节概况

南昌红谷隧道为内河中游异地干坞双向6车道公路隧道，穿越赣江，过江段采用沉管法施工。沉管段起讫里程为NK1+325～NK2+654，共12节管节，分4个批次在干坞内预制，每个批次预制3节管节。管节长度分别为115、107.5、96.5、90 m。管节质量根据管节长度变化，为2.2万～2.8万 t。管节标准横断面如图1所示。

1.2浮运航道概况

隧址位置既有航道通航标准为二级，为保证管节安全浮运，设置浮运航道。浮运航道由干坞至隧址总长8 510 m，宽度70 m，疏浚底标高+3.6 m。管节绞拖出坞后沿浮运航道浮运，依次穿越生米大桥、朝阳大桥和南昌大桥(航道处两侧桥墩净距仅68 m)，到达隧址回旋区管节掉头，最后浮运至隧址沉放安装。其中，管节出坞、回旋区掉头和沿隧址浮运期间管节横向迎流。浮运航道平面布置如图2所示。

图1　管节标准横断面(单位： m)

图2　浮运航道平面图

1.3水文气象条件

南昌市地处北半球亚热带，受东亚季风影响，具有显著的亚热带湿润季风气候特征。降水年际变化较大，年内分配不均匀。2012—2014年赣江水位、流速变化曲线如图3所示。

(a) 2012—2014年流速变化曲线

(b) 2012—2014年水位变化曲线

Fig. 3Variation of water level and flow velocity of Ganjiang River from 2012 to 2014

赣江流域汛期水位及流速变化幅度较大： 4—6月为主汛期，涨水较为频繁； 7—9月为降雨季节，河段易出现洪水，洪峰时段水位变化大。水位及流速受季节影响大，枯水期为11月至次年2月。为减少航道疏浚开挖量，节省工程造价，管节浮运、沉放选择在4—10月丰水期施工。

1.4隧址位置和上游测站分布

隧址上游赣江主河道依次设有赣州、吉安、新干、樟树、外州5个水位流量观测站，隧址下游设有南昌水位观测站。各水位观测站平面布置如图4所示。

图4　赣江水文测站布置平面图

Fig. 4Plan of layout of hydrological forecasting stations at Ganjiang River

各主要水文观测站与隧址位置关系如表1所示。外州站和南昌站位于隧址附近。

表1主要测站距隧址距离

Table 1Distances from major hydrological forecasting stations to tunnel site

测站名称距隧址距离/m赣州344吉安254新干179樟树105外州5南昌-4

2　水文边界条件

2.1管节受到的水流力计算

不同流速条件下管节浮运过程中的水流力

Fw= 0.5CwρAv2。

(1)

式中： Cw为水流力阻力系数； ρ为水密度，kg/m3； A为计算构件与流向垂直平面上的投影面积，m2； v为水流设计速度，m/s。

管节按照矩形梁考虑，水流力阻力系数Cw取2.32，内河航道水密度ρ取 1 000kg/m3，管节干舷取0.15m，则管节水下的横截面面积A1为 243.46m2，纵截面面积A2为937.25m2。因此，可以计算出不同流速条件下管节受到的水流力，如表2所示。

表2　不同流速条件下管节受到的水流力

2.2拖轮拖力计算

受内河航道等级限制，本工程采用3艘4 200 HP拖轮及2艘3 600 HP拖轮进行管节的拖航浮运工作，4 200 HP拖轮系柱拖力标准值为500 kN，3 600 HP拖轮系柱拖力标准值为470 kN。考虑拖轮的实际情况，4 200 HP拖轮的拖力取系柱拖力的0.8，3 600 HP拖轮的拖力取系柱拖力的0.7，并考虑拖轮在拖航时所受的摩擦阻力和剩余阻力计算拖轮拖力。拖轮拖力的计算参考《海上拖航指南》[13]中海上拖航阻力的估算方法。

拖航时的总阻力

Rt=1.15(Rf+RB)。

(2)

式中：Rf为拖轮的摩擦阻力，kN；RB为拖轮的剩余阻力，kN。

拖轮的摩擦阻力和剩余阻力

(3)

式中： A3为拖轮的水下湿表面积，m2； v1为水流速度，m/s； Cb为船舶剖面系数，拖轮取0.955； A4为拖轮浸水部分的横剖面积，m2。

由式(2)、(3)计算拖轮的有效拖力，如表3所示。

2.3拖轮拖力分析

管节浮运过程中的极端状态为纵断面横向迎流，此时拖轮的布置如图5所示，4艘旁拖拖轮A(3 600HP)、B(4 200HP)、C(4 200HP)、D(3 600HP)皆须全力抵抗水流力，由拖轮E(4 200HP)提供管节前进的动力。

表3　拖轮有效拖力

图5　拖轮布置

管节纵断面横向迎流工况时，不同流速条件下管节受到的水流力与拖轮拖力如表4所示。

表4　拖力分析

从表4中可以看出： 水流流速为1.2 m/s时，拖轮拖力与水流力对比安全系数为1.09； 水流流速为1.4 m/s时，拖轮拖力小于水流力。因此，管节浮运过程中最大水流流速取1.2 m/s。

2.4水文边界条件确定

管节浮运沉放安装的过程是连续的，出坞浮运需要1 d，二次舾装及拆拖轮工装件需要3 d，沉放安装需要1 d。依据拖轮拖力、航道特性和管节浮运、沉放各工况的水文要求，最终选定的水文窗口如表5所示。

表5浮运水文条件

Table 5Selection of hydrological conditions for tunnel segment floating transportation

关键点水流流速/(m/s)水位/m出坞≤0.6>13.5过南昌大桥≤0.8>13.5回旋区≤1.2>13.5隧址≤0.6>13.5沉放≤0.6>13.5

3　水文监测

选用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对坞口、航道、回旋区、隧址断面流速、流向和水深进行监测[14]。

3.1测点布置

在浮运航道范围内关键区域布设水文监测点，主要包括坞口、生米大桥、朝阳大桥、南昌大桥、回旋区、隧址各管节位置和外州水文站。隧址位置水文监测断面如图6所示。

图6　隧址位置水文监测断面细部图

3.2测试方法

将测量仪器固定在测量船旁，仪器调试完毕后开始测量。现场测试过程如图8所示。

断面流速采用走航式测试方法测试，利用GNSS-RTK定位，测量船按照测试断面航行，仪器自动采集航道范围内水文数据，通过专业软件处理得到测试断面内最大流速、平均流速和水深数据。

关键点流速、流向采用定点式流量测试方法测试，利用GNSS-RTK定位，测量船固定在测点位置，仪器自动采集测点水文数据，待满足测试时间后测试下一点，通过专业软件处理得到测试关键点内流速、流向和水深数据。

图7　水文监测

3.2监测频率

管节浮运沉放期间水文监测频率如表6所示。

表6　水文监测频率

4　水文预报

采用相应水位(流量)法和合成流量法预测隧址位置水位、流量[14-16]。将预测到的水位、流量结果导入流场模型，计算航道范围内流场的分布情况，然后进行流速预测。

4.1相应水位(流量)法

相应水位(流量)是指在河段同次洪水过程线上，处于同一位相点上、下站的水位(流量)。统计历史水文数据得出上游测站和下游测站相应水位(流量)的传播关系，根据上游测站水位(流量)，可预报下游测站水位(流量)。相应水位(流量)基本方程

Q下,t+τ=Q上,t-ΔQL+q。

(4)

式中： Q下,t+τ为下游测站的相应流量； Q上,t为上游测站流量； τ为传播时间；ΔQL为洪水波展开量； q为河段区间入流量。

4.2合成流量法

下游测站流量

(5)

式中： Q上,i,t-τi为上游干、支流各站相应流量； τi为上游干、支流各站到下游测站的洪水传播时间； n为上游干、支流的测站数目。

按照上游干、支流各站的传播时间，把各站同时刻到达下游站的流量叠加起来得合成流量，建立合成流量与下游站相应流量的关系曲线，根据式(5)计算得出下游测站水位(流量)。

合成流量法的预见期取决于上游各站中传播时间最短的一个。一般情况下，从预报的精度要求出发，常常用它的传播时间作为预报的预见期。

4.3水文预报期

根据相应水位(流量)原理查找历史水文数据，得出上游各测站水位(流量)与隧址位置测站水位(流量)传播时间关系。外州站大流量(Q>6 000m3/s)、中等流量(3 000m3/s

表7上游测站到外州站水位(流量)传播时间关系

Table7Propagationtimeofwaterlevel(flow)fromupstreamstationstoWaizhouStationh

测站名称大流量中等流量小流量赣州485466吉安404552新干283440樟树152024外州000

通过表7上游测站与隧址位置测站水位(流量)传播时间关系，按照合成流量预报方法，结合工程需要，选取 24 h作为精确水文预报期，72 h作为参考水文预报期。

4.4流场计算模型

天然航道内不同区域的流场分布差异较大，沉管浮运过程中对浮运航道范围内不同区域流速的要求不同，建立数值计算模型计算浮运航道范围内关键断面的流场分布。

4.4.1 模型建立

选用MIKE软件和二次开发程序导入河床地形线，对航道范围内流场建立三维模型，输入水位、流量数据，计算航道范围内的流场分布。隧址位置流场计算结果如图8所示。

图8　流场计算结果

4.4.2模型率定

选取不同水位级别实测流场数据对模型参数进行率定，确定模型参数。模型计算结果和实测数据如图9所示(图中蓝色标记为计算结果，黄色标记为实测结果，标记长度表示流速大小)。从图9可以看出，模型计算结果与实测结果吻合较好。

图9　流场数值计算结果和实测结果对比

Fig. 9Comparison between numerical calculation results and monitoring results of flow field

4.5水文预报内容

管节浮运前3 d，结合上游测站水文数据和实测水文数据进行水文预报，预报隧址位置水位、流量和关键断面流速。管节浮运前1 d再次预报隧址水位、流量和关键断面流速。

4.6预报结果分析

南昌红谷隧道工程E8管节于2016年4月27日顺利完成浮运，现以E8管节为例，分析水文预报和实测结果。水位预报和实测结果如表8所示，流速预报和实测结果如表9所示。

表8水位预报和实测对比

Table 8Comparison between predicted water level and monitoring resulstsm

24日实测预报25日预报26日预报27日26日实测预报27日27日实测17.617.317.016.816.816.516.7

表9　流速预报和实测对比

从表8和表9可知： 水位预测误差为±30 cm，流速预测误差为±0.15 m/s，水文预报结果与实测结果接近，水文预报结果满足管节浮运水文预报精度的要求。

5　水文窗口选择

5.1水文窗口选择方法

管节具备出坞浮运条件后开始选择水文窗口。根据隧址和赣江上游气象、水文条件初步选定浮运窗口。在初选窗口前3 d进行水文实测，根据实测结果对未来3 d水文条件进行预报，判别是否满足浮运条件，初步选定浮运窗口； 浮运前1 d再次实测，预报未来3 d水文条件，判别是否满足浮运条件，确定浮运窗口。管节浮运当天实时监测航道范围内水文信息，若发生较大差异须采取应急措施。水文窗口选择流程如图10所示。

5.2水文窗口选择效果

截至2016年6月13日，南昌红谷隧道工程E1—E9管节顺利完成浮运，其中E1—E8管节沉放完毕。

管节浮运水文窗口预测和实测结果对比如图11所示。

从图11可以看出： 浮运前3 d预报结果与浮运当天实测结果有少量差异，浮运前1 d预报结果与浮运当天实测结果基本一致。因此，本文选用的水文预报方法可以较好地满足工程施工的需要。

图10　水文窗口选择流程

(a) 水位预测和实测对比

(b) 流速预测和实测对比

Fig. 11Comparison between predicted hydrological conditions and monitoring results during tunnel segment floating transportation

6　结论与建议

采用相应水位(流量)法和合成流量法预测内河沉管隧道工程隧址水位、流量，并将流量结果导入数值计算模型，计算浮运航道内流场分布。现场实测表明，水位和流速预测误差为±30 cm、±0.15 m/s，满足管节浮运沉放水文预报精度的要求。

相应水位(流量)法和合成流量法的预报精度虽然能够满足工程需求，但此方法为短期水文预报方法，精准预报期为1 d，一般预报期为3 d，预见期较短，不利于施工组织。建议进一步研究内河沉管隧道工程中长期水文预报精度能够满足管节浮运沉放要求的水文预报方法和技术。

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Study of Selection of Hydrological Conditions of Floating Transportation and Sinking of Honggu Immersed Tunnel in Nanchang

HAN Jiankun

(ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

The requirements of water level and flow velocity of segment floating transportation and sinking of immersed tunnel are high. Due to seasonal rain, the water level and flow velocity in Ganjiang River vary greatly and there are few hydrological conditions suited to tunnel segment floating transportation and sinking. The boundary conditions of hydrology are obtained by calculating water resistance and towing force. The water level and flow velocity of key points and control cross-sections are monitored by using acoustic Doppler Current Profilers (ADCP), and they are taken as the basis of hydrological forecasting. The water level and flow velocity are predicted by relevant water level method and compound flow rate method; and flow field distribution is calculated by numerical model based on predicted results. The field measured results show that the error of predicted water level and flow velocity are ±30 cm and ±0.15 m/s respectively; the hydrological prediction technologies can meet the accuracy requirements, and can guarantee the safety of segment floating transportation and sinking of Honggu Tunnel.

inland river immersed tunnel; segment floating transportation and sinking; hydrological window; hydrological forecast

2016-06-16;

2016-08-23

韩建坤(1971—)，男，河北乐亭人，1995年毕业于长沙铁道学院，铁道工程专业，本科，高级工程师，主要从事隧道与地下工程施工技术与管理工作。E-mail： 3105268176@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.003

U 455

B

1672-741X(2016)09-1037-08