港珠澳大橋?qū)ι?51洋河口潮流動力環(huán)境的影響

港珠澳大橋?qū)ι?51洋河口潮流動力環(huán)境的影響

香港珠澳大橋是中國第一座與“一國兩制”三座城市相連的全球大型海上橋梁。海上距離為35.6公里，全長為近50公里，成本為730億元。港珠澳大橋的結(jié)構(gòu)復雜。采用橋梁、島嶼和隧道的結(jié)合結(jié)構(gòu)。全長648m的“水下管道隧道”和460m的主跨走廊和傾斜橋的“雙鋼箱梁橋”已成為整個橋梁的特點。大橋計劃建388個橋墩,共設(shè)伶仃航道、銅鼓航道、青洲航道、江海直達航道、九洲港航道和香港航道等6處通航孔.中東部水深最大的伶仃航道和銅鼓航道處為海底隧道形式,兩側(cè)為橋梁結(jié)構(gòu).跨海大橋橋墩建成后,增加了橋位水域阻力并減小過水斷面,從而對周圍海區(qū)的潮流動力環(huán)境產(chǎn)生一定影響.因此,“水文環(huán)境問題”成為大橋建設(shè)的關(guān)鍵性問題之一.本文通過伶仃洋河口潮流物理模型(水平比尺1000,垂直比尺120)對大橋設(shè)計方案進行模擬試驗,探明了大橋建設(shè)后周圍海區(qū)的流速、流向、潮量及水位變化特征.1灣底、潮差、徑流、流動力條件伶仃洋是珠江口東四口門(虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門)注入的河口灣,灣型呈喇叭狀,走向接近NNW-SSE方向,灣頂寬約4km(虎門口),灣口寬約30km(澳門至香港大濠島之間),縱向長達72km,水域面積2110km2,伶仃洋水下地形具有西部淺、東部深的橫向分布趨勢和灣頂窄深、灣腰寬淺、灣口寬深的縱向分布特點,水下地形呈“三灘兩槽”的基本格局(見圖1).伶仃洋為弱潮河口,潮差較小,平均潮差為0.86～1.69m,最大潮差為2.29～3.36m.潮差特點是由東向西逐漸遞減,由灣口向灣頂逐漸遞增.伶仃洋水域總體為落潮流大于漲潮流,東、西槽漲潮平均流速大致相近,落潮流速則一般是西槽大于東槽.伶仃洋潮汐動力遠遠強于徑流動力,潮流是塑造和控制灘槽格局的主要動力因素.潮汐動力作用控制虎門以下的河口灣東半部.經(jīng)東四口門注入到伶仃洋的徑流量約為1742億m3/a,占珠江年總徑流量的55%,年輸沙量約為3664萬t,占珠江河口總輸沙量的42%.其中洪季輸入到伶仃洋的徑流量約占全年的80%,輸沙量約占全年的90%以上.河流輸水輸沙量的大小決定著伶仃洋西北部河床地貌的變化,徑流動力主要控制伶仃洋西北部區(qū)域.2港珠澳大橋建設(shè)前后潮位變化伶仃洋河口潮差特征是穩(wěn)定該河口形態(tài)和地形演變的源動力指標之一,港珠澳大橋橫跨伶仃洋河口口門處,距萬山群島15km左右,由于橋墩阻水作用,使得橋軸線上下游潮位過程發(fā)生變形,潮差也將發(fā)生改變,其變幅是潮流動力環(huán)境中關(guān)鍵問題之一.沿橋軸線上下游布置臨時水位儀,以便研究港珠澳大橋建設(shè)前后大橋所引起的工程水位變化(見圖2).以3和4號測點在建橋前后潮位過程為例(見圖3),其他測點見文獻.試驗結(jié)果表明,港珠澳大橋建設(shè)后測點潮位變化呈現(xiàn)如下特征:(1)港珠澳大橋建設(shè)后,對潮位的影響表現(xiàn)為距離橋軸線越近,阻水建筑物越大,對潮位影響越大,距離橋軸線1000m以內(nèi)潮位受大橋影響較為敏感,3000m以外區(qū)域影響較小.(2)港珠澳大橋建設(shè)后,漲潮時,大橋阻水建筑物下游近區(qū)測站的潮位有所壅高,大橋阻水建筑物上游近區(qū)測站的潮位有所降低;落潮時,阻水建筑物上游近區(qū)測站的低潮位有所壅高,大橋阻水建筑物下游近區(qū)測站的低潮位有所降低.潮位受大橋影響壅高或降低值最大在0.04m左右.3結(jié)構(gòu)流場變化研究港珠澳大橋東西人工島及橋墩等水工建筑物的阻水作用,使原本緩變的流場隨之發(fā)生改變,研究表明,阻水最大的建筑物(主要是東、西人工島)周邊流態(tài)和流速的變化對工程水環(huán)境影響,相對于橋墩產(chǎn)生的影響無論是范圍或是強度均要大得多,本文以此為主要對象進行論述.3.1建設(shè)橋梁的評價3.1.1人工島內(nèi)的紊動回流東、西人工島附近水域局部流態(tài)改變比較明顯,受大尺度人工島阻水影響,漲、落潮期分別會在其背水一側(cè)形成紊動變化的回流區(qū),回流區(qū)的寬度約為1500m,長度約3000～4000m.在回流區(qū)內(nèi),開始往往形成1～3個強紊動的小尺度回流,在漲、落潮連續(xù)水流作用下,回流從人工島兩端中的一端形成一小紊動回流,逐步發(fā)育成形,同時,在人工島另一端也形成一小紊動回流,并與前一回流耦合運動,此長彼消,同時還會形成若干個次生回流,紊動回流從產(chǎn)生、發(fā)育、發(fā)展到消失成周期運動.由于東、西人工島所處的位置不同,兩島產(chǎn)生的回流形態(tài)上略有差異,東人工島的回流運動軌跡較西人工島更扭曲,見圖4.3.1.2局部流態(tài)調(diào)整文獻研究表明,青洲、江海和九洲通航孔主橋墩的尺度相對不大,漲、落潮流在通過通航孔時,局部流態(tài)有所調(diào)整,向主橋墩兩側(cè)擠壓,而穿過橋孔到了橋上、下游約500m處,則又恢復到工程前流態(tài).3.2橋梁建設(shè)對當?shù)亓髁康挠绊?.2.1東、西部流動場人工島的建設(shè)導致過水斷面束窄,使島區(qū)水流分布發(fā)生較大變化,從而促使人工島迎水面形成壅水,流速減緩;人工島兩側(cè)形成繞流,流速增強.東、西人工島兩端島橋結(jié)合部和島隧結(jié)合部為漲、落潮流速增加區(qū)域.人工島周邊流速變化敏感區(qū)在橋軸線上、下2500m和人工島東、西兩端以外1000m的范圍內(nèi).流場變化敏感區(qū)域內(nèi),人工島東西兩端流速呈增加趨勢,平均流速最大增幅為14%,人工島上下游兩側(cè)區(qū)域流速呈減小態(tài)勢,平均流速最大減幅為27%(見圖5).東、西人工島之間,伶仃航道漲、落潮平均流速呈增加態(tài)勢,漲潮平均流速從建橋前的0.6m/s增加到建橋后0.64m/s,平均增幅約6%,落潮平均流速從建橋前的0.97m/s增加到1.00m/s,平均增幅約3%.3.2.2橋身流態(tài)與流速的局部調(diào)整青洲航道水深約6m,橋位上下區(qū)域流速均勻,漲落潮平均流速在0.60～0.85m/s之間,水流主流流向與橋梁軸線到法線方向有6°～8°的偏角.試驗結(jié)果表明,大橋建成后,橋梁軸線上游500m至下游500m范圍內(nèi)流態(tài)、流速發(fā)生局部調(diào)整現(xiàn)象較為明顯,橋址處除橋墩局部產(chǎn)生繞流現(xiàn)象外,其他區(qū)域無不良流態(tài)產(chǎn)生,整體流態(tài)平順,橋墩附近因局部繞流作用流向有5°～7°變化外,通航孔流向基本沒有改變,橋孔流速增大,增幅在5%～10%之間,由于受橋墩挑流、繞流作用,橋墩上下斷面流速有增有減.研究表明,大橋建成后,江海直達船、九洲港及香港航道附近流場的變化規(guī)律與青洲航道相似.3.3港珠澳大橋建橋前后漲落潮流場港珠澳大橋橋墩布置東、西部呈不對稱性,東部以隧道為主,西部以橋墩為主,這一橋墩結(jié)構(gòu)布置形式對伶仃洋河口段主流影響是潮流動力環(huán)境中關(guān)鍵問題之二.建橋前后漲、落潮流場見圖6.試驗表明:港珠澳大橋建設(shè)后,東、西人工島局部流場有些改變,分別以東、西人工島為阻水中軸向兩邊偏轉(zhuǎn),兩人工島之間漲、落潮流有加強趨勢.其他區(qū)域橫斷面漲落潮流場沒有明顯改變.前文已述,伶仃洋是潮優(yōu)型河口,虎門以下的河口灣東半部分主要受潮汐動力作用的控制,而從伶仃洋河口的西北部匯入的珠江東四口門徑流主要控制伶仃洋西北部區(qū)域.由此可見,港珠澳大橋西橋東隧的結(jié)構(gòu)形式對伶仃洋現(xiàn)有的潮流環(huán)境擾動相對最小.3.4全潮漲潮量和全潮落潮量的測定分別距港珠澳大橋橋軸線14000m內(nèi)伶仃與琪澳島一線和1000m處布置斷面1和2,計算大橋建設(shè)前后的潮量.經(jīng)計算,斷面1的全潮漲潮量和全潮落潮量在建橋前后均為34億m3;斷面2的全潮漲潮量在建橋前后分別為47億m3和46億m3,全潮落潮量與全潮漲潮量一致.可見,內(nèi)伶仃與琪澳島一線(1號斷面)以上區(qū)域,漲、落潮流量在建橋前后沒有明顯改變.受大橋橋墩局部影響,在橋軸線上1000m范圍內(nèi),漲、落潮流量呈減小態(tài)勢,最大減