二维潮流数学模型在潮汐河口圈围工程大型龙口合龙过程中的应用

俞相成 赵庚润

（上海市水利工程设计研究院 上海 200061）

1 引言

近年来，圈围造地已逐渐成为缓解沿海城市用地矛盾的有效途径。随着河口促淤圈围工程低滩化、规模化的发展，工程实施难度越来越高，工程投资也越来越大。

龙口合龙作为圈围工程施工过程中重要环节，对圈围工程的工期和投资有重大的影响。目前龙口合龙施工主要有三种工艺［1］：第一种为抛石合龙，主要用在龙口规模大、合龙过程中龙口水流流速大的工程，如青草沙水源地工程，龙口宽800m；第二种为抛石合龙与水力充填合龙相结合的方式，主要用在龙口规模较大、合龙过程中龙口水流流速较大的工程，一般先在龙口外侧抛石减缓水流流速，再在龙口处采用水力充填的方式进行合龙，如浦东国际机场围海造地工程等，通常口宽200～300m；第三种为水力充填合龙，主要用在龙口规模较小、合龙过程中龙口水流流速较小的工程，如上海临港新城芦潮港西侧滩涂圈围工程等，通常口宽100m左右 （中高滩位置圈围采用该工艺，合龙口宽一般可达200m左右）。

抛石合龙虽然合龙成功率较高，但成本较高，尤其对于上海等建筑石料主要采用外来石料的地区。水力充填合龙成本较低，但对合龙过程中水力条件要求较高，龙口处水流流速过大、水位较高时均不适用［2］。因此，随着促淤圈围工程规模化的发展，大中型促淤圈围工程主要采用抛石合龙与水力充填合龙相结合的方式，既保证龙口合龙的成功率，又节约了工程成本。

随着当前数值模拟技术的迅猛发展，数学模型广泛应用于工程规划、设计过程中的各个环节［3］。针对水力充填对合龙过程中水力条件要求较高的特点，如果能准确计算出合龙过程中龙口处水力条件，则可根据计算结果合理安排合拢过程中各个施工步骤，将水力充填合龙运用在大型促淤圈围工程中，最大程度发挥水力充填合龙的优势。这样既能保证龙口合龙的成功率，又可以节约工程成本，对大型促淤圈围工程有重要的指导意义。在此将以横沙东滩促淤圈围六期工程1＃围区龙口为例，具体说明二维潮流数学模型如何指导大型龙口合龙的施工。

2 项目简况及初拟龙口合龙方案

横沙东滩位于横沙岛尾的东端，长江口深水航道北导堤以北，北港以南，是长江口发育比较好的浅滩之一，经过一期、二期和四期促淤工程多年的促淤，已具备圈围成陆的条件。横沙东滩圈围六期工程圈围成陆面积约4．85万亩，属中潮滩圈围，其中1＃围区位于工程最西段，面积1．4万亩，龙口宽度600m，底高程为1．6m （吴淞高程，下同）。

虽然六期工程各围区及龙口规模均较大，但从工程位置及地形上看，1＃围区外高程较高，平均滩面高程低于平均潮位，略高于平均低潮位，抛石船进出极为困难，且可作业时间很短。如果采用传统的抛石合龙与水力充填合龙相结合的方式，施工难度大，且合龙成本较高。因此，初步考虑只采用水力充填的方式进行龙口合龙。

结合水力充填作业特点，初步拟定1＃龙口合龙的步骤为：首先采用平堵的方式将龙口底高程由原来的1．6m抬高至2．1m；其次采用立堵将龙口两侧抬高至3．6m，龙口中央缩窄至100m；然后将龙口平堵至3．6m，最后平堵完成整个龙口合龙。具体实施步骤见表1。

表1 1＃龙口初拟收缩步骤

3 二维潮流数学模型及计算水文条件

采用丹麦水力学研究所（DHI）最新研发的MIKE21 Flow Model（FM）模块进行计算。该模块可以模拟各种流场问题（如港口、河流、湖泊、河口海岸和海洋等），具有网格剖分灵活、计算速度快、数值收敛迅速等优点，目前在长江口杭州湾应用比较成熟，在河口中低滩促淤圈围工程中积累了相当的工程经验。

3．1 基本方程及主要参数［4］

基本方程为水流连续方程和水流运动方程。

糙率系数：通过模型的率定与验证来确定，并参照相关工程经验，取值范围为0．011～0．018。涡粘系数：根据Smagorinsky公式确定。

3．2 模型率定验证

模型范围上边界取至江阴，东边界至外海123°30′，北边界至32°15′，南边界至29°33′。利用2009年8月20日～9月5日水文测量结果对模型多处水位流速进行率定验证结果表明：模型所采用的参数合理，结果可靠，符合《水利工程水利计算规范》［5］中感潮河段水力学计算的要求。工程附近测点水位、流速及流向验证结果见图1。

图1 工程附近测点水位、流速、流向验证结果

3．3 龙口合龙过程计算水文条件

结合工期要求，并真实反应龙口在合龙期阶段的水力条件，合龙期计算潮型选用工程地点2011年11月10日～2012年1月20日期间连续3日最小潮型中最大潮差的潮型，如图2所示。该潮型下，工程区低潮位为0．75m，高潮位为 3．25m，最大潮差为2．5m。涨潮过程中单小时最大涨幅为0．62m，落潮过程中单小时最大落幅为0．48m。

图2 工程区外侧潮位过程线

4 模拟计算结果分析

4．1 合龙阶段龙口处典型水深流速过程

由模拟计算结果可知，合龙阶段龙口处典型水深流速过程如下：

（1）当龙口处水深较浅时，即落潮末期，龙口处水流流速较低，当龙口处潮位由落转涨时，水流流速为0；

（2）在涨潮初期，龙口处水深逐渐增加，流速则迅速增大，当龙口水位抬高到一定程度时，水流流速达到最大；

（3）龙口处水位持续抬升，但流速逐渐减小，涨潮末期，龙口内外水位相同时，龙口处流速为0；

（4）落潮初始时，龙口处水位逐渐下降，流速逐渐增大，当龙口水深下降到一定程度时，水流流速达到最大；

（5）之后龙口水深继续下降，流速也逐渐减小为0。

根据上述分析，龙口处涨潮初期虽然水深较浅，但水深和流速提升过快；涨潮末期和落潮初期则水深较深，这些时段均不适合龙口水下部分收缩作业。最适合龙口收缩作业的阶段应为龙口处落潮中段至落潮末期，这一时段中龙口水深逐渐下降，水流流速逐渐较小，且持续时间较长。

同时根据多年工程经验，在采取必要辅助措施配合下，一般在龙口水深小于0．4m，流速不超过1．0～1．2m／s时为水力充填最佳作业时段；龙口水深小于0．7m，流速不超过1．5m／s时为水力充填可作业时段；龙口水深超过0．7m，流速超过1．5m／s时为水力充填不可作业时段。因此，明确各合龙步骤中水力充填可作业时段的持续时间，可为施工单位具体计划合龙方案、筹备合龙作业提供重要依据，也是数学模型计算的重点工作内容。

4．2 收缩合龙过程中各步骤龙口处水力特性

结合表1龙口收缩各步骤，利用数学模型计算出1＃龙口各收缩步骤后龙口处水深流速过程线，各收缩步骤水力充填最佳作业时段和可作业时段历时。由龙口各收缩步骤后龙口处水深流速过程线可知，在计算潮型下，合龙步骤1（平堵抬高0．5m）中水力充填最佳作业时段历时3．6～6．3h，可作业时段历时6．8～8h，合龙过程中龙口上最小水深为0．1～0．15m，最大流速为2．5m／s。合龙步骤2（龙口两侧立堵收窄）中水力充填最佳作业时段历时3．6～5h，可作业时段历时8．5～11．1h，合龙过程中龙口上最小水深为0．1～0．25m，最大流速为2．3m／s。合龙步骤2（龙口中央平堵断流）中水力充填最佳作业时段历时4～8．1h，可作业时段历时8．7～10．1h，合龙过程中龙口上最小水深为0．25m，最大流速为2．4m／s。

4．3 龙口合龙施工计划安排

根据数模计算结果，结合合龙期预计潮位过程，编制出1＃龙口合龙过程工作安排表，详见表2～表3。横沙东滩促淤圈围六期工程1＃龙口于2012年1月1日开始合龙施工，当月3日成功合龙断流，完成了国内罕见的单纯采用水力充填方式合龙大型龙口的高难度施工。1＃龙口的顺利合龙 成功也证明了在准确数学模型指导 下，单纯采用水力充填方式合龙大型龙口的可行性。

表2 1＃龙口平堵抬高工作安排

表3 1＃龙口立堵抬高工作安排

5 结语

水力充填方式合龙虽然成本较低，但对合龙期水力条件要求较高，一般只运用在规模较小的龙口或外海侧有抛石坝减缓龙口水流的大中型龙口。上述以横沙东滩促淤圈围六期工程为例，利用数学模型，结合龙口合龙施工中具体收缩步骤，分析了合龙期龙口处典型水深流速过程，并计算出各收缩步骤中水力充填合龙的最佳作业时段和可作业时段，为施工单位具体安排施工强度、配套设备等提供了重要支撑。1＃龙口的顺利合龙成功也证明了在准确数学模型指导下，单纯采用水力充填方式也可运用于中潮滩大型龙口的合龙，为类似条件的大型促淤圈围工程龙口合龙施工提供了参考。

1 茅志昌，李九发，吴华林 ．上海市滩涂促淤圈围研究［J］．泥沙研究，2003，（2）．

2 王文杰，余祈文 ．土工编织袋抛坝促淤施工及经济效益分析［J］．浙江水利科技，2002，（1）．

3 刘新成，卢永金，杜小弢，潘丽红 ．长江口青草沙水库与河势关联的若干工程问题的数学模型分析［J］．人类活动与河口，2008．

4 MIKE 21 ＆MIKE 3 Flow Model FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation．DHI，2008，3－5．

5 SL104－95，水利工程水利计算规范［S］．