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2019年  第30卷  第6期

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港珠澳大桥通车一周年专刊序
张建云
2019, 30(6): 769-769.
摘要:
2018年10月24日港珠澳大桥正式通车,这是世界上最长的跨海大桥和最大规模的桥岛隧集群工程,也是中国交通史上技术最复杂、建设要求及标准最高的工程之一,被英国《卫报》誉为“新世界七大奇迹”。大桥跨越珠江口的伶仃洋水域,东接香港,西接珠海、澳门,全长55 km。大桥上游有广州港、深圳港和中山港等珠三角重要港口,与大桥交汇的重要航道有广州港出海航道、深圳港西部港区公共航道等大型深水航道以及青州水道、九洲港航道等重要航道,是中国沿海航线最密集、船舶密度最大的通航水域之一。伶仃洋河口湾呈“四口入海”和“三滩两槽”的地貌格局,潮汐和径流交互作用,水沙运动环境复杂。大桥在规划设计阶段曾面临桥位选址、主通航区设置、人工岛平面优化、桥孔合理跨距等一系列问题,工程建设期间同样面临着复杂水沙环境带来的施工难题。因此,在顺应滩槽演变趋势和减小水沙环境影响的前提下实现“桥梁与海湾和谐共处”的关键技术研究尤为重要。
南京水利科学研究院团队在珠江口地区开展了50多年相关科研工作,对伶仃洋的水沙环境和动力地貌特征有深入的认知,积累了丰富的工作经验和基础资料。在港珠澳大桥工可研阶段,研究团队开展了海床演变分析、海洋水文计算、水沙数值模拟、动床物模试验和试挖槽现场观测等多方面的研究,论述了伶仃洋的自然环境特点、总体动力架构、水沙运动特征及其相互作用关系,归纳出工程海域滩槽演变的基本特征,提供了工程所需的海洋水文设计参数,论证了大桥通航条件与相互影响关系,进行了桥隧人工岛平面形态优化,提出了桥、岛基础防护措施。在大桥主体的岛隧工程开工以来,研究团队开展了人工岛越浪控制措施、岛隧工程施工期水文分析及水动力仿真模型、东人工岛岛隧结合部沉放区掩护方案数模试验、沉管隧道E15-E33管节基槽局部突淤分析与预报、极端天气条件下西人工岛波浪要素计算及岛桥结合部局部整体模型试验等专题研究,为人工岛结构安全、沉管安放、钢圆筒施工、岛头掩护体设计等提供了重要技术支撑,解决了E15及后续管节安装期间基槽出现的泥沙异常淤积难题。
值此中华人民共和国成立70周年、港珠澳大桥通车一周年之际,本刊刊登了研究团队关于港珠澳大桥科研成果方面的论文16篇,包括伶仃洋水沙环境模拟、岛隧桥梁基础设计、考虑极端天气时港珠澳大桥人工岛设计波浪要素研究、水动力数值模拟、针对施工期间基槽异常回淤与东西人工岛结构稳定的分析与数值模拟等。伶仃洋复杂的水沙环境为港珠澳大桥的规划、设计和施工增加了一定难度,正是基于对伶仃洋复杂环境的深刻认识和尊崇自然规律才促成了港珠澳大桥宏伟蓝图的构想和最终实现。
伶仃洋茅洲河口滩槽演变水沙模拟及治导线优化
陆永军, 莫思平, 王志力, 季荣耀, 顾继一
2019, 30(6): 770-780. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.001
摘要:
为适应伶仃洋茅洲河口治理开发条件,以保证行洪顺畅为泄洪纳潮的首要原则,同时顺应水沙运动和河势发展规律,对河口进行治导线比选和优化。该河口治导线方案分单、双通道,两类通道不同扩宽率下设计有围填、围填加开挖2种方案,开展水动力泥沙数学模拟计算和物理模型试验。结果表明:河口治导线各方案对伶仃洋涨、落潮流速的影响范围主要集中在交椅湾及其附近海域;方案实施后,周边海区冲淤变化较小,未对河势造成不利影响;根据对水动力、河口泄洪、河势稳定影响的综合分析,单双通道相比较而言,对洪水位、纳潮量、高低潮位、流速、河床冲淤的影响规律具有较好的一致性,相同扩宽率下各方案的影响程度均在同量级。
伶仃洋茅洲河口动力地貌演变过程
季荣耀, 陆永军, 詹小磊, 莫思平, 顾继一, 王志力
2019, 30(6): 781-788. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.002
摘要:
利用长系列的水文泥沙、水下地形和遥感影像等数据,通过数字地形高程模型和水动力数学模型等方法,探讨了伶仃洋茅洲河口的动力地貌演变过程及主要原因。结果表明:伶仃洋中滩海区近年冲刷态势明显,拦江沙与矾石浅滩呈现逐渐分离并有发育形成"新中槽"的演变趋势;茅洲河口门深槽的形成发育以落潮流动力作用为主,交椅湾深槽具有涨潮沟的性质,交椅沙形成发育对于稳定周边海区滩槽格局具有重要作用;大规模围涂造地和海床采砂等人类开发活动显著改变了伶仃洋的地形边界条件,进而影响河口水沙输移和滩槽格局,亟需加强监控。
河口湾水动力环境对滩涂利用的累积响应——以珠江口伶仃洋为例
侯庆志, 陆永军, 王志力, 莫思平
2019, 30(6): 789-799. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.003
摘要:
为揭示河口湾水动力环境对滩涂利用的累积响应过程,以珠江口伶仃洋河口湾为例,基于潮波数学模型和潮流数学模型,研究了1981年以来湾内进出潮量、分潮振幅和潮流流速的累积变化。结果表明:相对于1981年,2018年岸线条件下伶仃洋湾口断面涨落潮量累积减少4.9%~6.0%、内伶仃断面涨落潮量累积减少9.0%~12.8%、深圳湾断面涨落潮量累积减少17.8%、南沙断面涨落潮量累积减少5.0%~6.3%;伶仃洋M2分潮振幅呈增加趋势,振幅增幅由南向北增加,潮波由南向北变形进一步加剧;伶仃洋最大可能潮差变化与M2分潮振幅变化趋势一致,潮汐性质没有发生变化;伶仃洋潮流流速总体减小,西岸流速减幅高于东岸,湾顶附近流速略有增加。
珠江三角洲网河区低水位时空变化规律
陆永军, 季荣耀, 王志力, 顾继一, 贾良文, 莫思平
2019, 30(6): 800-809. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.004
摘要:
珠江三角洲近30年的大规模无序采挖沙改变了网河区水多沙少、河势稳定的演变趋势,促使河床由缓慢淤积转变为大幅下切,低水位出现明显下降。这种人为作用已涵盖并远超同期河流自然演变的程度,对取水供水、生态保护、航运保障等产生了较大影响。在总结河口三角洲地区水位变化研究的基础上,以珠江三角洲网河区为例,按低水位变化划分为常年潮流段、季节性潮流段和常年径流段。其中,常年潮流段基本不受采砂影响;季节性潮流段依据径流、潮流比例,越靠近枯水潮流界,低水位变化越大;常年径流段还存在溯源冲刷引起的低水位下降。结合水沙变异过程,试图探讨水动力对河床急剧演变的响应机制,以期为通航低水位设计提供依据。
波流边界层水沙运动数值模拟——Ⅲ.底部高含沙层模拟
左利钦, 陆永军, 朱昊
2019, 30(6): 810-822. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.005
摘要:
为了解析底部高含沙层特征,研究了物理影响机制和时均含沙量剖面。采用波流边界层1DV泥沙数学模型,结合试验资料,通过设置不同的计算工况进行了影响因素敏感性分析;在此基础上,提出波浪相关的时均泥沙扩散系数分布,考虑主要影响机制,推导了基于边界层物理过程的波浪作用下时均含沙量剖面表达式。结果表明,底部高含沙层与波浪边界层密切相关,是受水动力和床面形态综合影响的结果。仅建立高含沙层与水动力或床面形态的单一关系是有局限性的。含沙量层化效应和制约沉速对底部高含沙层具有重要影响。提出的平底床面含沙量剖面表达式为幂函数-Rouse-指数分布,漩涡沙波床面为指数-幂函数-Rouse分布。预期可应用于二维和三维泥沙数值模拟。
港珠澳大桥沉管隧道基槽异常回淤分析与数值模拟
何杰, 辛文杰
2019, 30(6): 823-833. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.006
摘要:
港珠澳大桥沉管隧道E15管节基槽发生异常回淤,海底隧道沉管安装被迫中止。为查明E15管节基槽发生异常回淤的原因,先后开展了现场水文泥沙观测、遥感影像资料分析和数值模拟等多种技术手段。采用水沙数学模型反演了内伶仃岛上游采砂活动形成的浑水团在潮流作用下的扩散输移过程,沙源在数学模型中以面源形式模拟。模拟结果表明,采砂活动形成的浑水团在一个大潮期间的落潮过程中可输移扩散至基槽水域,其中E15—E27管节基槽日淤厚在采砂活动影响下将增加43.8%。数值模拟结果为查明E15管节基槽异常回淤的泥沙来源提供了佐证。E15管节以东基槽水域水沙环境复杂,天然淤积已经接近临界回淤允许值,基槽上游水域的采砂活动对沉管基槽回淤将带来不可控因素,采砂活动对周边水域产生的泥沙回淤影响应引起足够重视。
港珠澳大桥东西人工岛深埋式大圆筒岛壁结构稳定与变位模拟
王婷婷, 卢永昌, 彭志豪
2019, 30(6): 834-844. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.007
摘要:
深埋式大直径钢圆筒是一种新型海工结构,目前尚未有公众一致认可的结构稳定性分析方法,严重阻碍了大直径钢圆筒结构在实际工程中的推广使用。为进一步完善新型结构的理论基础,研究结合港珠澳大桥人工岛工程实例,基于PLAXIS 3D分析平台,针对深埋式大直径钢圆筒岛壁结构开展三维弹塑性建模分析。研究结果表明:当大直径钢圆筒结构深埋于软黏土地基时,圆筒顶部水平位移相对较大,但其整体稳定性可以获得较大提升。数值模型计算分析的方法与基于OCDI的平面分析理论相结合,并通过实际工程案例中测量数据的验证,最终形成一套可靠的深埋式大直径钢圆筒抗剪抗滑稳定性计算方法和判别标准,并对钢圆筒结构用于港口水工建筑物的适用性提出了原则性建议。研究成果可为类似工程的设计与优化提供理论依据和参考实例。
河口海岸桥隧工程设计流速推算
潘军宁, 辛文杰, 何杰, 王红川
2019, 30(6): 845-853. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.008
摘要:
跨海桥隧工程设计需要推算工程位置不同重现期设计流速,由于现场缺乏长期实测流速资料,设计流速推算存在很大困难。研究提出了采用不同重现期典型风暴潮过程推算河口海岸设计流速的数值模拟方法,对河口地区考虑洪水径流与风暴潮流的耦合。在依据澳门验潮站1925—2003年实测潮位资料分析珠江口海域风暴潮过程特征的基础上,结合潮位和潮差年极值频率分析结果构建了不同重现期典型风暴潮潮型。采用平面二维水动力数学模型模拟了不同重现期风暴潮和上游一般洪水组合条件下珠江口水域的流场,得出港珠澳大桥沿线各控制点处设计流速。
海域岛隧结合区水流结构和沉管沉放过程水流力试验研究
高祥宇, 高正荣, 卢中一
2019, 30(6): 854-862. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.009
摘要:
港珠澳跨海通道由东、西人工岛实现桥隧过渡,海中隧道采用沉管法,沉管段总长5 664 m,从西人工岛开始布置E1—E33管节,标准管节长180 m,宽37.95m,高11.4 m,重约8万t。岛隧结合区受到人工岛挑流和基槽开挖水深突变的影响,水流结构复杂,沉管沉放时也会引起水流变化。沉管安全沉放和精准对接安装需掌握受到的水流力大小。利用宽水槽几何比尺为100的正态模型,开展岛隧结合区水流分布和沉管沉放过程水流力试验研究。结果表明:岛头无掩护措施时,岛壁挑流影响到E1管节中部附近,表、底层流速大于中层;E1管节沉放过程中纵向水流力最大可达4 601 kN,E2管节纵向水流力平均5 149 kN;掩护E1管节后,E1管节处流速大幅减小,E2管节中部受掩护体挑流影响最大,流速最大增加40%,中层流速大于表、底层;E2管节纵向水流力平均5 240 kN。当沉管完全入水后,基槽内流速较小,沉放过程中受到的水流力逐渐减小。岛隧结合区水流垂线分布并不是指数分布,受到岛头壁挑流的影响沿管节长度方向流速分布也不均匀,管段浮运水流力公式并不适用计算沉管沉放过程受到水流力的大小。
考虑局部冲刷的跨海桥梁桩基基础波流力
孙天霆, 王树鹏, 潘军宁, 王登婷, 刘清君
2019, 30(6): 863-871. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.010
摘要:
跨海桥梁桩基基础所受的波流荷载是跨海桥梁设计中重点考虑的荷载之一,实际工程中波流力的计算多参考《港口与航道水文规范:JTS145—2015》中推荐的单桩桩基基础波流力计算方法,未合理考虑局部冲刷形状的影响。以港珠澳大桥为例,在桩基基础波流力和冲刷试验结果的基础上,通过对计算模型中流速、CDCM等参数的选取进行修正,提出了考虑局部冲刷形状的桩基基础波流力计算方法,在保证工程安全性的同时兼顾了工程的经济性,并成功应用于港珠澳大桥桥梁桩基的设计中。
波流作用下大直径淹没圆柱局部冲刷试验研究
程永舟, 吕行, 王文森, 黄筱云, 夏波
2019, 30(6): 872-881. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.011
摘要:
水下大直径淹没圆柱在波流共同作用下的冲刷特性与非淹没情况有较大差别。在波流水槽中开展局部冲刷试验,将大直径淹没圆柱模型安装在中值粒径0.22 mm的平底沙床内,改变波浪波高和周期、水流流速和方向、圆柱淹没率,测量圆柱周围流速变化,记录柱周冲深发展历时,运用激光地形仪测量冲刷坑的地形形态,分析了淹没率Sr和相对高度hc/D对准平衡冲深的影响。结果表明,相同入射波流条件下,随相对柱高hc/D降低,冲刷发展速率、冲坑半径和深度都随之减小。当相对柱高hc/D>1时,冲深随柱高增长速率较快直至达到临界值。准平衡冲刷坑呈"倒勺状",沿圆柱左右两边呈对称分布,柱前呈半环状;圆柱正后方淤积成"马鞍状"沙丘。
基于广义垂线坐标系的三维非结构数学模型及其在珠江口的应用
王志力, 耿艳芬, 陆永军, 莫思平, 季荣耀
2019, 30(6): 882-891. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.012
摘要:
基于广义垂线坐标变换,构建了非结构网格的三维水动力数学模型。模型采用半隐式有限体积法对控制方程进行数值离散,其中半隐式法用于水位梯度和垂向紊动扩散以及垂向对流项的离散,显式控制体积分法用于水平对流项等的离散。广义垂线坐标系使得模型能够灵活地对垂向网格进行布置,平面非结构网格使得模型能够适应河口海岸复杂的岸线,并可对局部进行网格加密。模型通过具有解析解的风生流和异重流对模型进行检验,应用模型模拟了珠江口的三维潮流过程,计算结果与实测水文数据的比较表明,模型能够较好地模拟珠江河口的盐水楔和三维分层水动力过程。
考虑极端天气时港珠澳大桥人工岛设计波浪要素——I.数值模拟中不利台风路径选取
杨氾, 潘军宁, 王红川
2019, 30(6): 892-901. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.013
摘要:
假想台风下的波浪数值模拟是跨海桥隧工程风险评价的重要内容。风场的生成方法与不利路径的选择对于波浪模拟结果有极大影响。研究检验了在单一假想台风风场下进行波浪模拟的合理性,分析了台风路径对于工程区不同方向波浪影响的差异。通过构建珠江口台风浪数学模型,对采用风圈半径方法筛选出的104场台风路径,按300年一遇强度进行了蒙特卡罗模拟。结果表明,对西人工岛处波浪场有重大影响的不利台风路径处于珠江口100km范围内。由此确定了体现不同特征的7条不利台风路径,为进一步研究极端天气条件下珠江口台风浪过程提供基础。研究成果为沿海河口地区易受台风影响的大型工程波浪要素分析提供方法支撑。
考虑极端天气时港珠澳大桥人工岛设计波浪要素——II.设计波要素校核方法
王红川, 杨氾, 潘军宁
2019, 30(6): 902-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.014
摘要:
近年来珠江口海域航道治理、桥梁工程、港口建设等大型水上工程建设项目越来越多,水工建筑物安全的重要性和对台风浪灾害破坏的敏感性是大型工程重点关注的要素之一,采用台风浪数学模型分析计算极端天气条件对港珠澳大桥岛桥结合部人工岛设计波浪要素的影响。分析统计1949—2014年影响广东省沿海地区的登陆台风资料,采用随机模型分析珠江口地区300年一遇的台风气压降和登陆最大风速参数;建立珠江口水域的台风浪数学模型;选取不利台风登陆路径,采用300年一遇台风参数组合计算极端天气条件下珠江口内东西人工岛的设计波浪要素,对原设计波要素进行复核。可为其他海洋工程项目设计提供新的思路和研究方法。
港珠澳大桥人工岛越浪量试验
周益人, 潘军宁, 左其华
2019, 30(6): 908-914. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.015
摘要:
港珠澳大桥人工岛位于伶仃洋海域,台风期较大的越浪量可能危及人工岛和隧道的运营安全,越浪量是人工岛护岸设计的重要参数。通过波浪断面物理模型,研究人工岛护岸护面块体型式、消浪平台尺度、挡浪墙前护肩宽度等结构参数对越浪量的影响,试验结果表明,坡肩宽度对越浪量的影响非常大,并且越浪量较小时,试验值明显小于当前广泛采用的van der Meer公式计算值,由此针对人工岛护岸结构特点,提出考虑了坡肩折减系数Kc的越浪量计算方法。计算结果与试验数据吻合良好,为人工岛越浪控制措施的采用及后期越浪量预警提供技术支撑。
巨型人工采砂坑对伶仃洋自然演变的影响
应强, 何杰, 辛文杰
2019, 30(6): 915-922. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.06.016
摘要:
伶仃洋内建有华南最大的两个主枢纽港及相连的深水航道,长期保持"三滩两槽"稳定格局是广州港选择西槽开发深水航道并取得成功的关键基础。2008年以后,由于在中滩上人工采砂,现已形成了容积达7×108m3的巨型采砂坑,直接影响了伶仃洋的滩槽演变。采用现场调查和数值模拟等方法,分析了采砂活动过程中对周围水体及地形的影响,指出采砂区域水体含沙量为1.5~2.8kg/m3,最大可达5kg/m3以上,远大于采砂前0.2kg/m3,可引起附近海床淤积,对港珠澳大桥桥区的海床稳定也会产生影响。同时,采砂坑形成后潮位、潮流、潮量出现较大改变的区域主要在采砂坑及其附近水域,表现为潮位下降(小于1cm),潮流减小,采砂坑内以泥沙回淤为主(33cm/a),坑周围海床呈侵蚀冲刷状态,南侧冲刷较大。此外,现状条件下采砂坑以回淤为主,回淤时间预计20年,但在2#、3#采砂坑或2#、4#采砂坑连通等不利状况下,有可能形成新的潮流通道,改变现有"三滩二槽"的格局,对目前已有航道维护和港口生产造成不利影响。