澳门地区水道潮汐河段河床极限冲刷预测.pdf

CWT 中国水运 202308 115澳门水道潮汐河段河床极限冲刷预测蓝霄峰，吴门伍（珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）摘要：极端洪水条件下河道极限冲刷预测是工程设计的重要参数之一，文中通过二维潮流泥沙数学模型计算出澳门水道河床极限冲刷深度，初步探索潮汐河段河床极限冲刷，为工程及规划建设等提供科学参考依据。澳门水道浅滩多，水深较浅，是澳门附近水域泄洪、输沙和潮流的主要通道，地形资料表明，澳门水道整体表现为槽冲滩淤的态势，近些年由于河道岸线及地形改变，右岸浅滩逐渐由淤积转入冲刷态势，水沙运动复杂，是典型的潮汐河段。数值模拟结果表明，主槽整体以冲刷为主，最大冲深约 2.51m；浅滩有冲有淤，变化幅度在 0.23m 以内。关键词：澳门水道；数学模型；极限冲刷深度；预测中图分类号：U61 文献标识码：A 文章编号：10067973（2023）08-0115-03DOI 编码：10.13646/ki.42-1395/u.2023.08.0441 概述澳门附近水域位于珠江口伶仃洋的西侧，受岛屿的分隔，水域内形成东、西向的澳门水道，该水道西接洪湾水道，东连伶仃洋，南北方向有湾仔水道和十字门水道，各水道互相贯通，呈十字形交汇。其中澳门水道浅滩多，水深较浅，是澳门附近水域泄洪、输沙和潮流的主要通道。根据地形资料显示，澳门水道整体表现为槽冲滩淤的态势，但近些年由于岸线改变1-2，右侧浅滩逐渐由淤积转入冲刷态势。根据澳门城市总体规划3,澳门特区新城区建设填海项目将会实施，规划建设后（见图 1）的澳门水道河道地形及形态将会有很大改变，过流面积将会减小，对泄洪和泥沙输移有一定影响，河床的冲刷是规划工程设计应该考虑的问题。图 1 澳门总体规划图（部分）2 二维潮流泥沙数学模型2.1 潮流泥沙数值模拟按以下方程控制4：（1）连续方程（2）动量方程（3）悬沙输移扩散方程2（4）床面冲淤变化方程式中：t时间（s）；x,y原点 o 置于某一水平基面的直角坐标系坐标；u,v流速矢量 V 沿 x,y 方向的分量（m/s）；相对于xoy坐标平面的水位（m）；h相对于 xoy 坐标平面的水深（m）；Nx，Nyx,y向水流紊流粘性系数（m2/s）；f科氏参量；g重力加速度（m/s2）；c谢才系数，,n 为曼宁糙率系数；s含沙量（kg/m3）；Dx，Dyx,y向悬沙紊动扩散系数（m2/s）；Fs泥沙源汇函数或泥沙冲淤函数（kg/(（m2.s)）；冲淤厚度（m）；qxx 向底沙单宽输沙率（kg/（m.s)）；qyy 向底沙单宽输沙率（kg/(（m.s)）；泥沙干容重（kg/m3）。2.2 验证数值模型采用马骝洲和澳门水道临时水位站实测数据进行验证。水位站及验证点位置见图 2 所示。（1）潮流动力及含沙量过程验证。采用“2012.6”典型中水文组合对模型进行验证，流速及流向计算结果与实测值的对比见图 3，含沙量过程计算结果与实测值的对比见图 4，从率定和验证结果可以看出，模型计算结果与实测资料吻合较好。（2）冲淤验证。采用 2005 年与 2017 年洪湾水道与澳门水道汇流区附近实测地形资料对地形冲淤计算结果进行了验证。图 5 为实测冲淤分布，图 6 为数学模型年冲淤分布计算结果，航道平均冲刷幅度为 0.3m/a，主116 CWT 中国水运 202308槽航道附近水域冲刷幅度为 0.1 0.3m/a；右岸滩地冲淤幅度较小，冲淤变化在 0.03 m/a 以内，计算值与实测值接近，符合规范要求。图 2 验证采样点及水位站布置图图 3 “2012.6”中水水文组合水位验证图 4“2012.6”含沙量过程验证图 5 2005 年至 2017 年年均冲淤分布（单位：m/a）图 6 模型计算冲淤分布（单位：m/a）2.3 极限冲刷计算工况澳门水道洪水主要来自洪湾水道，洪湾水道为磨刀门水道分支，而磨刀门洪水主要来自西江。参考附近水域洪水遭遇分析5，由上游马口流量与下游典型洪水对应的低潮位作为水文边界。即上边界 100 年、200 年、300 年设计洪水洪峰流量遭遇“2005.6”洪水潮型。2.4 河道地质根据地质有关资料显示，澳门水道河床土层主要有沉积的淤泥、粉质黏土、残积土、全风化花岗岩。淤泥（Q4m），灰黄灰色，饱和，流塑。切面光滑，土质均匀，含有机质、腐殖物和贝壳碎屑，韧性高，干强度高，层厚一般为 7.0 12.9m；粉质黏土（Q3al+pl），灰褐黄色，饱和，可塑。切面较光滑，土质较均匀，见铁质浸染，局部含少量砂粒，韧性中等，干强度中等。厚度为4.0 11.9m。残积土（Q3el），灰白褐黄色，湿，硬塑。切面粗糙，土质不均匀，呈砂质黏性土状，局部砾质黏性土状，见大量石英颗粒，手捏易散，遇水软化。层厚为 3.7 12.8m。全风化花岗岩（52（3），褐黄色，湿，密实。原岩结构较模糊，基本风化呈砂土状，石英颗粒填充黏性土，岩芯手搓易散，遇水软化，层厚一般为 3.1 12.7m。3 计算结果3.1 澳门水道水动力基本情况（1）主槽流速明显大于滩地流速，北岸航道附近流速较大。CWT 中国水运 202308 117（2）水动力轴线位于主槽内，靠近北岸，与航道走向基本一致。（3）澳门水道整体流速不大，100 年一遇设计洪水情况下，主槽流速为 1.59 1.75m/s，滩地流速0.45 0.69m/s；200 年一遇设计洪水情况下，主槽流速为 1.63 1.83m/s，滩地流速 0.51 0.77m/s；300 年一遇设计洪水情况下，主槽流速为 1.72 1.95m/s，滩地流速 0.62 0.85m/s。图 7 设计洪水流场图图 8 200 年一遇设计洪水流场图图 9 300 年一遇洪水流场图3.2 冲刷情况100 年一遇、200 年一遇和 300 年一遇工况下工程附近冲淤变化分布如图 7 图 9 所示。从图中可以看出，不同水文工况下，河床冲淤变化规律基本一致，澳门航道主槽及北侧堤防附近河床呈冲刷趋势，冲刷变化幅度最大，最大冲深分别为 2.32m、2.43m 和 2.51m；南侧浅滩有冲有淤，变化幅度在 0.23m 以内。图 10 极限冲刷冲淤分布图（100 年一遇设计洪水）b图 11 极限冲刷冲淤分布图（200 年一遇设计洪水）图 12 极限冲刷冲淤分布图（300 年一遇设计洪水）4 结论近些年由于岸线及河道地形改变，右侧浅滩逐渐由淤积转入冲刷态势。本文通过建立二维潮流泥沙数学模型，采用实测资料进行验证，结果表明建立的数学模型符合规范要求，能够用于模拟澳门水道极端洪水下的河床水沙运动。数值模拟结果表明，主槽整体以冲刷为主，最大冲深约 2.51m；浅滩有冲有淤，变化幅度在 0.23m以内。极限冲刷深度预测一定程度上可为规划、修建隧道、航道整治等工程设计提供科学依据。参考文献：1 许祥向，余顺超,杨健新,等.珠江河口澳门水域遥感监测分析 J.人民珠江,1999(5):24-27；2 方神光，珠江河口澳门机场周边水域洪枯季潮流动力环境分析，中国农村水利水电，2019，第 5 期，56-60；3 澳门土地工务运输局，澳门特别行政区城市总体规划（2020-2040）)R；4海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程(JTS/T 231-2-2010)S，中华人民共和国交通运输部发布，2010，9，01；5 王琳，马骝洲水道过江隧道极限冲刷遭遇分析 J，广东水利电力职业技术学院学报，2015，13（3），15-17。