港珠澳大桥对珊351洋河口潮流动力环境的影响

港珠澳大桥对珊351洋河口潮流动力环境的影响

香港珠澳大桥是中国第一座与“一国两制”三座城市相连的全球大型海上桥梁。海上距离为35.6公里，全长为近50公里，成本为730亿元。港珠澳大桥的结构复杂。采用桥梁、岛屿和隧道的结合结构。全长648m的“水下管道隧道”和460m的主跨走廊和倾斜桥的“双钢箱梁桥”已成为整个桥梁的特点。大桥计划建388个桥墩,共设伶仃航道、铜鼓航道、青洲航道、江海直达航道、九洲港航道和香港航道等6处通航孔.中东部水深最大的伶仃航道和铜鼓航道处为海底隧道形式,两侧为桥梁结构.跨海大桥桥墩建成后,增加了桥位水域阻力并减小过水断面,从而对周围海区的潮流动力环境产生一定影响.因此,“水文环境问题”成为大桥建设的关键性问题之一.本文通过伶仃洋河口潮流物理模型(水平比尺1000,垂直比尺120)对大桥设计方案进行模拟试验,探明了大桥建设后周围海区的流速、流向、潮量及水位变化特征.1湾底、潮差、径流、流动力条件伶仃洋是珠江口东四口门(虎门、蕉门、洪奇沥和横门)注入的河口湾,湾型呈喇叭状,走向接近NNW-SSE方向,湾顶宽约4km(虎门口),湾口宽约30km(澳门至香港大濠岛之间),纵向长达72km,水域面积2110km2,伶仃洋水下地形具有西部浅、东部深的横向分布趋势和湾顶窄深、湾腰宽浅、湾口宽深的纵向分布特点,水下地形呈“三滩两槽”的基本格局(见图1).伶仃洋为弱潮河口,潮差较小,平均潮差为0.86～1.69m,最大潮差为2.29～3.36m.潮差特点是由东向西逐渐递减,由湾口向湾顶逐渐递增.伶仃洋水域总体为落潮流大于涨潮流,东、西槽涨潮平均流速大致相近,落潮流速则一般是西槽大于东槽.伶仃洋潮汐动力远远强于径流动力,潮流是塑造和控制滩槽格局的主要动力因素.潮汐动力作用控制虎门以下的河口湾东半部.经东四口门注入到伶仃洋的径流量约为1742亿m3/a,占珠江年总径流量的55%,年输沙量约为3664万t,占珠江河口总输沙量的42%.其中洪季输入到伶仃洋的径流量约占全年的80%,输沙量约占全年的90%以上.河流输水输沙量的大小决定着伶仃洋西北部河床地貌的变化,径流动力主要控制伶仃洋西北部区域.2港珠澳大桥建设前后潮位变化伶仃洋河口潮差特征是稳定该河口形态和地形演变的源动力指标之一,港珠澳大桥横跨伶仃洋河口口门处,距万山群岛15km左右,由于桥墩阻水作用,使得桥轴线上下游潮位过程发生变形,潮差也将发生改变,其变幅是潮流动力环境中关键问题之一.沿桥轴线上下游布置临时水位仪,以便研究港珠澳大桥建设前后大桥所引起的工程水位变化(见图2).以3和4号测点在建桥前后潮位过程为例(见图3),其他测点见文献.试验结果表明,港珠澳大桥建设后测点潮位变化呈现如下特征:(1)港珠澳大桥建设后,对潮位的影响表现为距离桥轴线越近,阻水建筑物越大,对潮位影响越大,距离桥轴线1000m以内潮位受大桥影响较为敏感,3000m以外区域影响较小.(2)港珠澳大桥建设后,涨潮时,大桥阻水建筑物下游近区测站的潮位有所壅高,大桥阻水建筑物上游近区测站的潮位有所降低;落潮时,阻水建筑物上游近区测站的低潮位有所壅高,大桥阻水建筑物下游近区测站的低潮位有所降低.潮位受大桥影响壅高或降低值最大在0.04m左右.3结构流场变化研究港珠澳大桥东西人工岛及桥墩等水工建筑物的阻水作用,使原本缓变的流场随之发生改变,研究表明,阻水最大的建筑物(主要是东、西人工岛)周边流态和流速的变化对工程水环境影响,相对于桥墩产生的影响无论是范围或是强度均要大得多,本文以此为主要对象进行论述.3.1建设桥梁的评价3.1.1人工岛内的紊动回流东、西人工岛附近水域局部流态改变比较明显,受大尺度人工岛阻水影响,涨、落潮期分别会在其背水一侧形成紊动变化的回流区,回流区的宽度约为1500m,长度约3000～4000m.在回流区内,开始往往形成1～3个强紊动的小尺度回流,在涨、落潮连续水流作用下,回流从人工岛两端中的一端形成一小紊动回流,逐步发育成形,同时,在人工岛另一端也形成一小紊动回流,并与前一回流耦合运动,此长彼消,同时还会形成若干个次生回流,紊动回流从产生、发育、发展到消失成周期运动.由于东、西人工岛所处的位置不同,两岛产生的回流形态上略有差异,东人工岛的回流运动轨迹较西人工岛更扭曲,见图4.3.1.2局部流态调整文献研究表明,青洲、江海和九洲通航孔主桥墩的尺度相对不大,涨、落潮流在通过通航孔时,局部流态有所调整,向主桥墩两侧挤压,而穿过桥孔到了桥上、下游约500m处,则又恢复到工程前流态.3.2桥梁建设对当地流量的影响3.2.1东、西部流动场人工岛的建设导致过水断面束窄,使岛区水流分布发生较大变化,从而促使人工岛迎水面形成壅水,流速减缓;人工岛两侧形成绕流,流速增强.东、西人工岛两端岛桥结合部和岛隧结合部为涨、落潮流速增加区域.人工岛周边流速变化敏感区在桥轴线上、下2500m和人工岛东、西两端以外1000m的范围内.流场变化敏感区域内,人工岛东西两端流速呈增加趋势,平均流速最大增幅为14%,人工岛上下游两侧区域流速呈减小态势,平均流速最大减幅为27%(见图5).东、西人工岛之间,伶仃航道涨、落潮平均流速呈增加态势,涨潮平均流速从建桥前的0.6m/s增加到建桥后0.64m/s,平均增幅约6%,落潮平均流速从建桥前的0.97m/s增加到1.00m/s,平均增幅约3%.3.2.2桥身流态与流速的局部调整青洲航道水深约6m,桥位上下区域流速均匀,涨落潮平均流速在0.60～0.85m/s之间,水流主流流向与桥梁轴线到法线方向有6°～8°的偏角.试验结果表明,大桥建成后,桥梁轴线上游500m至下游500m范围内流态、流速发生局部调整现象较为明显,桥址处除桥墩局部产生绕流现象外,其他区域无不良流态产生,整体流态平顺,桥墩附近因局部绕流作用流向有5°～7°变化外,通航孔流向基本没有改变,桥孔流速增大,增幅在5%～10%之间,由于受桥墩挑流、绕流作用,桥墩上下断面流速有增有减.研究表明,大桥建成后,江海直达船、九洲港及香港航道附近流场的变化规律与青洲航道相似.3.3港珠澳大桥建桥前后涨落潮流场港珠澳大桥桥墩布置东、西部呈不对称性,东部以隧道为主,西部以桥墩为主,这一桥墩结构布置形式对伶仃洋河口段主流影响是潮流动力环境中关键问题之二.建桥前后涨、落潮流场见图6.试验表明:港珠澳大桥建设后,东、西人工岛局部流场有些改变,分别以东、西人工岛为阻水中轴向两边偏转,两人工岛之间涨、落潮流有加强趋势.其他区域横断面涨落潮流场没有明显改变.前文已述,伶仃洋是潮优型河口,虎门以下的河口湾东半部分主要受潮汐动力作用的控制,而从伶仃洋河口的西北部汇入的珠江东四口门径流主要控制伶仃洋西北部区域.由此可见,港珠澳大桥西桥东隧的结构形式对伶仃洋现有的潮流环境扰动相对最小.3.4全潮涨潮量和全潮落潮量的测定分别距港珠澳大桥桥轴线14000m内伶仃与琪澳岛一线和1000m处布置断面1和2,计算大桥建设前后的潮量.经计算,断面1的全潮涨潮量和全潮落潮量在建桥前后均为34亿m3;断面2的全潮涨潮量在建桥前后分别为47亿m3和46亿m3,全潮落潮量与全潮涨潮量一致.可见,内伶仃与琪澳岛一线(1号断面)以上区域,涨、落潮流量在建桥前后没有明显改变.受大桥桥墩局部影响,在桥轴线上1000m范围内,涨、落潮流量呈减小态势,最大减