一種海上大型沉管基床回淤多因素複合型預警預報方法與流程
2023-10-09 16:42:59
本發明涉及大型海工構造物深基槽基床泥沙回淤高精度預警預報技術，特別涉及一種海上大型沉管基床回淤多因素複合型預警預報方法。
背景技術：
在開敞海域中，海底隧道施工一般沉管水下對接工法，對沉管對接處的地形平整度提出了極高要求，在對應淤泥容重1.26t/m3的條件下，泥沙回淤厚度不得超過4cm。精確測量與評估基槽基床泥沙回淤的數值成為控制沉管施放的重要閾值。
目前國內外在對挖槽淤積的預報，一般多採用經驗公式、數值模擬、物理模型等研究手段，在港口航道的泥沙回淤發揮了重要作用，取得了大量經驗與成果。然而，沉管基槽基床與普通的航道、港池回淤相比具有獨有的特徵，體現在開挖深度較大(超過40m)，遠超過一般的港池航道水深，且開挖邊坡十分陡峭，可達到1:5以內，因此基槽內部的水動力泥沙結構複雜性超過港池航道。因此，基於航道回淤的預測方法不能直接搬用到對深基槽基床淤積的預報中。
在數值模擬預報方面，由於基槽挖深極大，形成的灘槽挖深比遠超過航道港池，因此在槽內存在更加顯著的垂向回流、次生渦旋、槽內螺旋流系等細部動力過程，其水沙運動機理遠較航道更加複雜。在國內外關於水沙三維模擬的技術中，由於一般航道工程的水深與灘面差異相對較小，垂向分層模擬的解析度較易實現。然而，深基槽內與兩側灘面的最大高差可超過30m，且邊坡極為陡峭，基槽底寬亦僅為40m，這種「特異」的地形格局對三維數值模擬提出了更為嚴苛的要求，目前國內外未見針對此類地形條件下的三維精細化模擬案例。
在以往對港池航道挖槽回淤的研究中，採用常規手段一般僅適用於長時間尺度的模擬，預報周期以年計算。對基於過程的數值模擬而言，一般亦採用代表潮、浪的方式對年際淤積進行模擬，至多模擬一場風暴過程條件下的泥沙驟淤，在有大量實測資料驗證的基礎上，預報精度一般在分米量級。
然而，對沉管施放而言，其晾曬時間在10～15天左右，淤積閾值僅在4cm左右，也就是說對泥沙淤積的時、空預報精度必須達到逐日、釐米級。目前，國內外尚未達到這一水平，是對泥沙回淤預報理論的重大考驗。
此外，海底隧道施工工期一般極為緊張，沉管預製、窗口晾曬、最終沉放必須保證「一氣呵成」。在對沉管基槽基床泥沙回淤的預報中，必須做到高時效性，甚至需做到「提供數據的當天便要給出7日內的預報結果」這一響應速度。目前，國內外回淤常規預報技術均無法達到這一需求。
基於以上背景，亟待開發一種海上大型沉管基床回淤多因素複合型預警預報方法，能夠同時滿足預報精度和預報時效性。
技術實現要素：
本發明為解決公知技術中存在的技術問題，而提供一種海上大型沉管基床回淤多因素複合型預警預報方法。
本發明提供了海上大型沉管基床回淤多因素複合型預警預報方法，共分為8個步驟，如下：
步驟1)收集工程所在海域(包括河口)海洋潮汐預報與實測潮汐、風況、波浪、徑流、含沙量等資料；
步驟2)在基槽基床上安放回淤盒觀測的泥沙淤積速率；
步驟3)應用波浪數學模型計算擬預報區域的波高、波周期、波浪底流速等特徵參數，應用三維潮流數學模型計算潮汐及徑流在工程區域引起的底流速等參數；
步驟4)建立等效潮差計算式並計算獲得等效潮差re；
其中，re為等效潮差，rt天然潮汐潮差，vb為潮汐作用下的近底流速，vdb為徑流引起的底部流速，vwb為波浪底部質點平均流速；
步驟5)建立含沙量的計算式：
其中：t為半潮周期；ρs為泥沙密度；re為等效潮差；h為平均水深；g為重力加速度；t半潮周期、ρs泥沙密度、h平均水深，根據預報區域的現場實測採集獲得；k、β分別為經驗係數，根據現場實測數據推求；
步驟6)建立基槽回淤厚度的計算式：dep＝λreθ；
其中，dep為基槽淤積厚度；λ、θ分別為經驗係數，根據現場實測數據推求；
步驟7)根據含沙量和基槽回淤厚度的計算式，預報擬預報區域的含沙量s和基槽淤積厚度dep。
步驟8)設定含沙量和基槽淤積厚度的預警值以及預報時間，若當實測的含沙量或基槽淤積厚度等於或大於所述預警值時，則進行反饋預警。
優選地，步驟8)中，進一步包括以下步驟，通過前期預報、中期跟蹤預警和臨近預報，提高淤積厚度的精確度；
步驟81)前期預報：根據步驟1～7中數據計算未來10～15天窗口期每天泥沙淤積厚度和累計淤積厚度，作為碎石基床鋪設決策的依據；
步驟82)中期跟蹤預警：基於沉管施工窗口期徑流、波浪、含沙量、回淤盒等實測資料，與預報值進行比較並進行預警；
步驟83)臨近預報：在沉管安放施工前2天，根據最新氣象、徑流等實測資料，需要時，實時修正步驟4中公式參數，給出最終預報，作為沉管出塢浮運及安裝決策的依據。
優選地，進一步包括步驟9)若當實測的含沙量或基槽淤積厚度等於或大於所述預警值時，則啟動減淤減沙措施。
優選地，所述經驗係數：λ值的取值範圍在0.0011-0.0020之間，θ值的取值範圍在1.95-2.02之間。所述經驗係數：k＝0.0145、β＝2.0。
其中，在步驟6)中，通過放置於基床上的若干個回淤盒分時採集獲得不同位置和不同時間的淤積厚度，通過實測的淤積厚度推求等效潮差與淤積厚度的關係。
在步驟3)中進一步包括步驟31)，建立波浪數學模型，根據步驟1)所測的各項數據，計算出擬預報區域波高、波周期等波浪特徵參數；
步驟32)，採用海岸動力學公式，根據步驟1)所測的各項數據和步驟31)所獲得的波高和波周期，計算出擬預報區域的波浪底部流速特徵參數；
步驟33)，建立三維潮流數學模型，根據步驟1)所測的各項數據，計算出擬預報區域的潮流底部流速特徵參數。
與現有技術相比，本發明海上大型沉管基床回淤多因素複合型預警預報方法具有以下突出的改進點：
(1)基於「等效潮差」的新理論，推導了基槽基床泥沙淤積高精度計算公式
首次自主推導了適用於深基槽基床泥沙回淤預報的計算理論公式。提出了回淤計算中「等效潮差」的概念，建立了含沙量、波浪動力、徑流量等關鍵參數與等效潮差的關係，並建立了等效潮差與基槽基床回淤的關係表達式。該公式形式簡易、計算效率高、計算精度可達釐米級。
等效潮差表達式如下：
re＝rt+rw+rd或re＝rt+αwrt+αdrt
其中，re為總等效潮差，rt天然潮汐潮差；rw為波浪等效潮差；rd為徑流等效潮差；
以底流速表達的等效潮差的數理表達式：
其中，vb為潮汐作用下的近底流速；vdb為徑流引起的底部流速；可由三維水動力數學模型計算結果給出；vwb為波浪底部質點平均流速，可由海岸動力學公式計算。
等效潮差與含沙量關係表達式：
其中：t為半潮周期；ρs為泥沙密度；h為平均水深；g為重力加速度；k、β分別為經驗係數，應根據現場實測資料推求。
等效潮差與基槽基床回淤的關係表達式：
dep＝λreθ
其中：dep為基槽基床淤積厚度；λ、θ分別為經驗係數，應根據現場實測資料推求。
(2)發展了數值模擬——公式預報相聯合的多因素複合型預報系統
充分發揮數值模擬計算信息豐富、可覆蓋全域的優點，以及經驗公式計算針對性強、響應迅速的優點，發展了「複合型預報」的預報手段。這一研究手段在國內外未見報導。
(3)首次將預報時間精確到「逐天」，預報精度精確到釐米級，創新性提升了回淤預報的精確度和時效性
在以往對航道港池的回淤預報中，一般著重於年回淤和考慮一場典型風暴潮形成的回淤，回淤預報精度一般在分米級。通過本項目研究，將回淤預報時間尺度提高到「以天計」，即逐天進行預報，同時將預報精度提升至釐米級，這一精確度為國際首次。並做到了「現場及時響應」，極大提升了預報響應速度，保障了沉管施放窗口期「無縫銜接」。
附圖說明
圖1是本發明的預警預報整體流程圖；
圖2是港珠澳大橋總平面圖；
圖3是波浪數學模型試驗範圍；
圖4是三維潮流數學模型試驗範圍；
圖5是含沙量～等效潮差關係曲線；
圖6是基槽基床淤積～等效潮差關係曲線；
圖7是e24管節基槽淤積跟蹤曲線
圖8是e24管節基槽累積淤積厚度預報結果
圖9是e24管節基槽淤積預警表
具體實施方式
下面將結合附圖和具體的實施例，對本發明的技術方案進行詳細說明。茲以港珠澳大橋沉管基槽泥沙回淤預警預報為例，並配合附圖詳細說明如下：
港珠澳大橋東接香港特別行政區，西接珠海市和澳門特別行政區，是國家高速公路網規劃中珠江三角洲地區環線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程(見圖1)，將形成連接珠江東西兩岸的新的公路運輸通道。大橋設計採用橋、島、隧相結合的形式，其中海底隧道總長5664m，採用沉管法進行施工，基槽開挖水深30～40m，設計基槽寬度為41.9m，基槽邊坡自下而上分別為1:2.5和1:5。沉管基槽自西向東共有e1～e33等33個管節。
在設計和施工建造港珠澳大橋時，在外海的海底隧道施工，由於基槽挖深極大，形成的灘槽挖深比遠超過航道港池，施工現場受到多種因素幹擾，大量的沉沙回淤對基槽下沉造成極大的幹擾，為了配合施工進程，申請人研製了一種海上大型沉管基床回淤多因素複合型預警預報方法，以精確預報預警監測施工海域的沉管基床的泥沙回淤狀況。
參照圖1，以e24管節基槽為例，以下詳細介紹所述預警報方法，包括以下步驟：
步驟1)收集監測區域的外海海洋預報、上遊河口的潮汐、波浪、徑流、流速流向、含沙量、基槽內淤泥厚度、天然潮汐潮差rt等資料；
步驟2)在基槽基床上安放回淤盒觀測的泥沙淤積速率；
步驟3)應用波浪數學模型計算擬預報區域的波高、波周期、波浪底流速等特徵參數，應用三維潮流數學模型計算潮汐及徑流在工程區域引起的底流速等參數；
步驟4)建立等效潮差計算式並計算獲得等效潮差re；
其中，re為等效潮差，rt天然潮汐潮差，vb為潮汐作用下的近底流速，vdb為徑流引起的底部流速，vwb為波浪底部質點平均流速；
步驟5)建立含沙量的計算式：
其中：t為半潮周期；ρs為泥沙密度；re為等效潮差；h為平均水深；g為重力加速度；t半潮周期、ρs泥沙密度、h平均水深，根據預報區域的現場實測採集獲得；k、β分別為經驗係數，根據現場實測數據推求；
步驟6)建立基槽回淤厚度的計算式：dep＝λreθ；
其中，dep為基槽淤積厚度；λ、θ分別為經驗係數，根據現場實測數據推求；
步驟7)根據含沙量和基槽回淤厚度的計算式，預報擬預報區域的含沙量s和基槽淤積厚度dep。
在本實施例中，收集珠江口、伶仃洋海域的河口、外海海洋預報與實測資料，包括潮汐、波浪、徑流、流速、含沙量、基槽內淤泥厚度、天然潮汐潮差rt等資料，通過上述預報和實測資料，通過大量的數據，建立數學模型進行推測運算。所建立的珠江口波浪數學模型和三維潮流數學模型驗證精度必須滿足《波浪模型試驗規程》、《海岸河口潮流泥沙模型技術規程》的精度要求。
在步驟3)中，計算各波浪特徵參數：
步驟31)，利用建立波浪數學模型，計算出擬預報區域的波浪特徵參數和波浪底部質點平均流速；
步驟32)，利用三維潮流數學模型，計算出潮汐及徑流在工程區域引起的底流速等參數；
步驟4)建立等效潮差表達式，並計算獲得等效潮差re，re＝rt+rw+rd或re＝rt+αwrt+αdrt，其中，re為總等效潮差，rt天然潮汐潮差；rw為波浪等效潮差；rd為徑流等效潮差；建立以底流速表達的等效潮差的數理表達式
步驟5)建立含沙量的表達式：
其中：s為含沙量；t為半潮周期；ρs為泥沙密度；re為等效潮差；h為平均水深；g為重力加速度；t半潮周期、ρs泥沙密度、h平均水深，根據預報區域的現場實測採集獲得；k、β分別為經驗係數，根據現場實測數據推求。
參照圖5所示，根據現場實測e15節管節基槽附近的含沙量，通過相關分析法建立含沙量的數學表達式，將實測的含沙量分時呈現在直角坐標系中，根據已有的一組等效潮差數據和相應的一組含沙量數據，組成一個數據帶，擬合成一條曲線，就可求得經驗係數k和β。在圖5中，記錄了2015年5月20日—2015年11月30日時間內的含沙量和等效潮差的擬合線性曲線，其中，y＝0.013x2.00，y為含沙量，x為等效潮差，係數指數(β)＝2.00，r2＝0.90。所述經驗係數：k＝0.0145、β＝2.0。
步驟6)建立基槽淤積厚度的數學表達式：dep＝λreθ；其中，dep為基槽淤積厚度；λ、θ分別為經驗係數，根據現場實測數據推求；
參照圖6所示，根據現場實測e24節沉管基槽內的淤積厚度數值，通過相關分析法建立淤積厚度的相關表達式，所述基槽淤積厚度dep由若干個下沉的淤積盒分時採集獲得不同位置和不同時間的淤積厚度，通過實測的淤積厚度推求等效潮差與淤積厚度的關係。將實測的淤積厚度分時呈現在直角坐標系中，根據已有的一組等效潮差數據和相應的一組淤積厚度數據，組成一個數據帶，擬合成一條曲線，就可求得經驗係數λ和θ。在圖6中，分別記錄了e15-e33中各管節的淤積厚度和等效潮差的擬合線性曲線，不同區域擬合成二組曲線。
在本實施例中，在不同管節區間所擬合的二組曲線中，第一條曲線為e21-24管節，y＝0.0020x1.95；第二條曲線為e15-e16管節，y＝0.0011x2.02。所述經驗係數：λ值的取值範圍在0.0011-0.0020之間，θ值的取值範圍在1.95-2.02之間。
步驟7)根據含沙量的表達式和基槽回淤厚度的表達式，預算擬預報區域的含沙量s和基槽淤積厚度dep。
將推求獲得的k和β套入含沙量的表達式，以計算獲得相應等效潮差條件下的含沙量，對待預報區域的基槽位置的含沙量進行預測。
將推求獲得的λ和θ值套入基槽淤積厚度的表達式，以計算獲得相應等效潮差條件下的淤積厚度，對待預報區域的基槽位置的淤積厚度進行預測，以精確定位預報獲取各區域管節的淤積厚度，顯著提高預報的精密度。e24管節基槽淤積厚度預報結果見圖8。
步驟8)設定含沙量和基槽淤積厚度的預警值以及預報時間，若當實測的含沙量或基槽淤積厚度等於或大於所述預警值時，則進行反饋預警。
參照圖9中，針對徑流、風浪、含沙量、基槽淤積的厚度的變化，定為多個預警級別，通過每日的監控預報，實時監控管節基槽的含沙量和淤積厚度變化，並進行及時定性定量進行預警反饋。
參照圖7，步驟9)若當實測的含沙量或基槽淤積厚度等於或大於所述預警值時，則啟動減淤減沙措施。
當某節沉管沉放前一天的累計泥沙淤積厚度超過允許限度(密度為1.26kg/m3的泥沙淤積厚度為4cm)，則啟動下述減淤措施：第一，潛水員到基槽上擾動水流使落淤的泥沙沉到碎石基槽的縫隙內或趕出基槽；若泥沙落淤量更大，就採取定點吸泥的辦法將沉積的泥沙吸走。對於e33管節來說，由於基槽裸露時間超過40天，泥沙落淤量將非常大，此時，除採取上述措施外，在基槽周圍設置防淤屏，減少進入基槽的泥沙量，使其達到進入基槽的泥沙量小於允許值。針對含沙量和泥沙淤積厚度狀況不同，採用不同的減淤措施，以及時並有效保證基槽回淤狀況在可控範圍內，以保證大型沉管下沉施工的正常進行。
步驟8)中，進一步包括以下步驟，採用本發明進行預警預報時，為了提高預警預報的精確度，進行多期預報，分為前期預報、中期跟蹤預警和臨近預警。
步驟81)前期預報：根據步驟1～7中數據計算未來10～15天窗口期每天泥沙淤積厚度和累計淤積厚度，見圖8，作為碎石基床鋪設決策的依據；
步驟82)中期跟蹤預警：基於沉管施工窗口期徑流、波浪、含沙量、回淤盒等實測資料，與預報值進行比較並進行預警，見圖9；
步驟83)臨近預報：在沉管安放施工前2天，根據最新氣象、徑流等實測資料，需要時，實時修正步驟6)中公式參數，給出最終預報，作為沉管出塢浮運及安裝決策的依據。
以下通過e24管節實例介紹前期預報結果：
在內伶仃島北側採沙區處於關閉狀態的前提條件下，從2015年12月10日0:00時到12月20日00:00時，氣象條件基本處於正常情況，e24管節碎石基床平均累積淤積厚度前期預報值為：
①多波束法
容重按1.05t/m3以下計，淤積厚度為0.232m；
容重按1.15t/m3以下計，淤積厚度為0.150m；
容重按1.26t/m3以下計，淤積厚度為0.081m。
②回淤盒法
容重按1.15t/m3計，淤積厚度為0.143m；
容重按1.26t/m3計，淤積厚度為0.076m。
按照上述的預報情況，根據e22、e23安裝經驗，在目前各項減淤措施得以保障和有力執行的情況下，從基槽回淤的角度，攻關組認為e24管節基床具備碎石鋪設條件。
建議：
①加強基床回淤監測；
②加大潛水擾動等減淤措施；
③做好使用整平船清淤設備的準備。
接著，進行中期跟蹤預警：基於沉管施工窗口期徑流、波浪、含沙量、回淤盒等實測資料，與預報值進行比較並進行預警，見圖9；根據項目進度調整預報的時間，安排臨近預報：在沉管安放施工前2天，根據最新氣象、徑流等實測資料，需要時，實時修正步驟6中公式參數，給出最終預報，作為沉管出塢浮運及安裝決策的依據。根據氣象和徑流量的變化，結合含沙量和回淤盒實測結果進行修正，一般在10％以內。通過多次實測結果的修改，調整經驗係數，提高預告的準確性和精確度。
進行臨近預報，e24管節碎石基槽2015年12月10日0時至12月20日23時平均累計淤積厚度為：容重按1.26t/m3計，0.080m～0.086m；容重按1.15t/m3計，0.148m～0.158m。根據五工區12月10～15日多波束及回淤盒逐日測量結果，e24碎石基槽淤積基本正常。但近日徑流及風浪較大，建議根據基槽回淤監測情況，加大潛水擾動減淤措施，必要時動用整平船清淤，以保證e24碎石基槽淤積厚度控制在設計要求範圍以內。根據現場回淤盒納淤情況及底部顆粒組成，碎石基槽上可存在2～3cm厚的密實層。
在港珠澳大橋的施工過程中，在e15～e33管節中，只有e25、e28兩個管節在臨近預報時進行了基槽淤積厚度的調整。其中在e25管節碎石基槽鋪設期間遭遇了大洪水，最大徑流量為22660m3/s，平均為14625m3/s，超出前期預報採用值6744m3/s一倍以上，基槽泥沙淤積13天累計厚度前期預報為0.063cm，臨近預報調整為0.075cm。e28管節碎石基槽鋪設期間，最大徑流量為24875m3/s，比前期預報採用值22000m3/s有所超出，基槽泥沙淤積11天累計厚度前期預報為0.072cm，臨近預報調整為0.078cm。這兩個管節的臨近預報，只調整了等效潮差參數(徑流參數)，並未調整公式經驗係數。
本發明的優點在於推導了基槽基床泥沙淤積高精度計算公式，發展了數值模擬與公式預報相聯合的泥沙回淤預警預報系統，首次將預報時間精確到逐天，預報精度精確到釐米級，極大地提升了回淤預報的精確度和時效性。