（环境工程专业论文）京沪高铁跨阳澄湖特大桥施工对水质ss影响模拟研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国进入高速铁路快速发展阶段，越来越多的高速铁路将在全国范围内兴建 并投入使用，而京沪高铁作为高速铁路技术全国甚至是全世界高速铁路领域的里程 碑，其代表性不仅仅体现在运行速度的突破上，更应该体现在施工阶段对生态环境的 友好上。京沪高铁跨阳澄湖特大桥的建设跨越了阳澄湖水体，而对被跨越水体进行“浓 度场”的研究探讨，对其他有类似施工环境的高铁建设项目的施工方案环保技术的拟 定及效果分析方面有一定的指导作用。 本文在参考国内外部分学者在湖泊水质模拟领域的研究成果后，确定采用 d e l f t 3 d 水力水质模拟进行悬浮物浓度模拟。模拟时以该工程的施工方案及跨湖施工 区域的水质、湖底地形、气象等资料为基础，对比阳澄湖西湖段在原始情况、围堰施 工各阶段及栈桥施工各阶段湖泊水体中悬浮物浓度，最后结果显示围堰施工方案相比 栈桥施工方案在施工的各个阶段对水域中的悬浮物浓度影响都较小，特别是其在围堰 筑坝完成后的陆上施工阶段几乎对水体悬浮物浓度无影响，因此，提出围堰施工方案 应在涉水施工项目中得到推广。 本文在模型的数学原理、参数选择等方面有大量可参考资料，为本课题的实施打 下了良好的理论基础；本文对施工水域在施工完成时进行了水质监测，该监测数据不 仅反映了施工涉水区域的水质背景值，同时能使模拟结果有较好的可比性。 关键词：阳澄湖，d e l 丘3 d ，悬浮物浓度，数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i mc 【l i n a i se m r yi n t oa1 1 i 曲s p e e dr a i l 、w l yr a 枷dd e v e l o p i n e n tp h a s e ，a 訇的w i i l g n u m b e ro fl l i 曲- s p e e dr a i l w 乏l y 谢ub eb u i na n dp mh n ou s e t h eb e i j i l l g s h a l l g h a i h i g h - s p e e dr a i l 、v a yi s a sam i l e s t o n ei nc 1 1 i i l ao re v e nt h ew o r l d sl l i g h - s p e e dr a i l w a yf i e l d ， i t sn o t0 1 1 l yt h eb r e a k t h r o u g ho ft h en m i l i n gs p e e d ，b u ta l s os h o u l db ee c o - f h e n d l y t h e 咖d yo fy 趾g c h e n gl a k ea b o m ”c o n c e n t r a t i o nf l e ld f c a i l 西v es o m eg u i d a i l c ef o ro t h e r s i m i l a rc o n s t m c t i o nt of i l l dae c o 一缸e n d l yw a yo fc o n s t r u c t i o ns c h e m e r e f e r e n c i i l gt l l er e s e a r c h e sa _ b o u tw a _ t e rq u a l 时s i m u l a t i o n ，d e c i d et ou s ed e l 丘一3 d s i m u l a t i o nm o d e l t h e nc o m p a r i n gc o 虢r d a mm o d e 锄d 订e s t l em o d ea b o u tt h es e d i m e n t c o n c e n t 】a t i o no ne v e r yc o i l s t r l l c t i o ns t a g e 诵t 1 1t h eo r i g i i l a lc o n d i t i o nb yd e l f t - 3 d ，t 山i n g t l l ew a t e rq u a l i 吼1 a k et e 向no fy - 觚g c h e n gl a k ea i l dt h em e t e o r o l o g i c a l i n f o m a t i o na st t l e f o u l l d a t i o n f i i l 2 l l l y ，也er e s l l l ts h o w sc 0 丘i e r d 锄m o d ec a u s e 让地s m a l l e re n v i r o i m l e n t a l i m p a c tm a l lt 1 1 e 仃e s t l em o d e ，e s p e c i a l l yt 1 1 eo n s h o r ec o n s 仇l c t i o ns t a g e ，i ti sa l m o s ti l o i 1 u e n c eo ns e d i i l l e mc o n c e n l 脚i o n s o ，t h j sa n i c l ep mf o r w a r dt l l ec o 彘r d 锄c o 搬沲u c t i o n s c h e m es h o u l db ep o p u l a r i z e dt 0t l l es i m i l a rp r o je c t r e f e r e n c i n gt h er e s e a r c hr e s u l t sa b o u tm a t h e m a t i c sp f i n c i p l ea n dp a r 锄e t e rs e l e c t i o n o ft h ep r e d e c e s s o r sa th o m e 锄da b r o a dl a l i dag o o dm e o r e t i c a lf o u n d a t i o n t h ew 缸e r q u a l i t ym o n j t o r i n gi sn o to n l yr e n e c tm eb a c k 伊o u l l dv a l u eo ft l l i sf i e l d ，b u ta l s om a l 【et h e s i m u l a t i o nr e s u l t s1 1 a v eb e t t e rc o m p 嘲b i l i 吼 k e yw o r d s ：y 髓g c h e n gl a k e ，； d e l r - 3 d ； s u s p e n d e ds o l i d sc o n c e n 缸嘶o n ；n u m 嘶c a l s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 项目研究对象及背景 第1 章绪论 京沪高速铁路是世界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路。丹阳至昆山特 大桥穿越了阳澄湖东、西、中湖区，分7 次跨越，湖中总长度约5 9 k m 。 阳澄湖作为苏州市重要饮用水源地之一，具有饮用水源保护区、半封闭型的增殖 放流区、河蟹生态养殖区和亲本培育基地、沿湖湿地保护区、敞水型增殖资源保护和 增殖放流区等五大功能。阳澄湖中生物种类丰富，特别是出产驰名中外的阳澄湖大闸 蟹，其余的各种水产品的生产力也都较高，水产养殖是当地重要经济支柱。鉴于阳澄 湖在保护当地生物多样性和生态平衡方面的作用，因此，在湖区内进行工程施工，不 但要保证水域的畅通，还要采取有效的措施有效保护水阳澄湖水质不受污染，避免施 工污染湖内生态环境，维持和保护水生生态系统平衡和水生生物多样性不受影响；并 减轻或防止破坏、影响水文条件。 在实际的施工方案讨论阶段各方面的专家经过讨论，最后提出了采用整体围堰施 工方案替代栈桥施工方案，从而有效地实现了施工活动与湖区水域分隔的目标，较好 地实践建设环境友好工程、社会和谐工程的要求。 本文就是以跨湖施工里程最长的西湖为研究对象，在相同出入流水文水质、湖底 地形、气象条件下，利用模拟软件d e l r 3 d ，对比栈桥施工方案和整体围堰施工方案 下对湖水中悬浮物浓度的影响，来验证本次施工方案选择的正确性。 1 2 国内外湖泊水动力及水质模拟研究现状 迄今为止，国内外学者采用数值模拟的方法在水动力和水质模拟方面进行了大量 的研究，并且在他们各自的领域内都取得了许多有意义的结果。国际上，通常把湖泊 水动力数学模型分为二维模式、多层模式和三维模式三大类，而二维模式是在三维水 流运动方程的基础上进过垂向积分后得到的，因此，二维模式又称积分式或全流模式。 浅水湖泊由于在垂向方向上水流运动尺度较小，因此常采用二维数学模型进行数学模 拟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 国外水动力研究现状 从1 9 7 1 年s i m o l l s 的安大略湖冬季环流的二维数值模式【5 】开始到2 0 0 5 年，外国 的研究人员在水动力数值模拟研究方面的成果先后有：o 姐i s h 和h a s a t 0 【6 1 、e n d o n 【7 】 使用水动力模式和验证手段对日本琵琶湖( l a k e b i 、张) 进行各种水动力过程的特征及 形成机制的研究；b a u e e r 和g 豫f 建立了欧洲日内瓦( g e n e v a ) 湖的模式【8 】；h q 柚m i n g 为研究湖体内部各要素的相互关系，建立的北美艾利( e r i e ) 湖和安大略( o n t 撕o ) 湖的水 动力模式【9 l ；d a v i s 开发的计算分层流的三维模式；s i m o n s 开发的大湖风生环流的 三维模式；妣s i m i tz i e 【1 0 】使用湖中某一点的风资料建立的日本琵琶湖三维斜压水动力 数值模式，详细模拟了湖泊环流结构及内波；k a z u o n a d a o k a 【1 1 】为研究水平扩散运动 剧烈的湖流而建立的浅水湖泊的紊流模型：t c l a c k e y 【1 2 】提出浅水方程数值计算的水 位修正方法放宽了对离散时间步长的限制。 1 2 2 国内水动力学研究现状 国内水动力数值模拟首先进行的是二维水动力模式研究，随着模拟计算手段的进 步，考虑到垂直方向上的切边和混合作用，为能更准确的模拟水动力特征，逐步开发 出了三维水动力模型。 国内二维水动力数值模拟主要以太湖为研究对象，其研究成果主要有：吴坚设计 的能确切地拟合太湖湖岸、河口、湖底地形及岛屿，采用不规则网格有限差分法，进 行整层积分的二维浅水湖泊水动力模式1 1 3 j ；王谦谦在定常风作用下对太湖风生流的各 种特征进行的模拟，之后其与同伴建立了太湖和太浦河口风成流、风涌水的二维水动 力模型【1 4 】；刘启峻采用t a b a t a 的迎风有限元法，以守恒形式的二维水动力学方程组 为基础建立太湖模拟模型，以验证太湖稳定流场分为3 种类型【1 5 】。此外，马生伟等将 流线加权函数与选择性集中系数矩阵方法结合到在浅水湖泊风生流的迎风有限元数 值模型中，推导出一套二维迎风有限元数值模型l l6 j ；张萍风等在模拟滇池二维风生流 的工程中对模型参数、初始条件和边界条件如何确定，数值计算方法如何选择进行了 讨论【1 7 】：龚春生等应用浅水湖泊二维有限元数学模型证实了玄武湖具有三种不同的风 生流流态【1 8 1 。 三维水动力研究成果主要有：逢勇等在三维水动力学模式的基础上考虑地形因子 对太湖环流的影响，指出产生太湖大范围环流的原因是洞庭湖西山和洞庭湖东山间的 过道很狭长【1 9 1 ；胡维平等利用太湖三维风生流模式，探讨了马山围垦对湖泊流场的影 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 酬2 0 1 。罗潋葱在不同定常风作用下，分别对太湖的整层平均流场和分层流场特征作了 三维浅水动力模拟，结果表明有旋流场的产生部分原因是是湖底地形的变化【2 1 】；张利 民等为了对日本琵琶湖的环流形成机制进行分析，在考虑了非均匀局地风场作用影响 下，建立了针对深水湖泊的三维水动力模型【2 2 】；黄平采用交错网格的差分方法求解， 建立了武汉市墨水湖的风生流的三维数学模型【2 3 】；姜加虎等为研究洪泽湖在不同出入 流情况及风情下的混合流特征，建立了针对该湖的三维混合流数值模式【2 4 】。 随着河流、河口和湖泊等的二维、三维模型的发展，科学研究工作者也越来越重 视水力学和水质问的偶合。 1 2 3 国内水质模拟研究现状 水质数值模拟是指同时结合水质数学模型和水动力数值模拟的结果，主要考虑物 理的对流扩散作用，利用计算机强大的数值运算能力，对水质进行模拟研究。而水质 数学模型是一系列用数学的语言和方法在物质守恒原理的基础上，对水体中参加水循 环的水质组分所发生的物理、化学、生物化学和生态学等方面的变化、内在规律和相 互关系进行描述的数学模型。 国内学者多针对影响富营养化的变量进行水质数值模拟，例如：陈毓龄等为对玄 武湖的富营养程度进行判别，将t p 、叶绿素、透明度和溶解氧作为主要考虑因素， 建立了玄武湖的水动力生态模型【2 5 j ；又如：马生伟等建立的二维迎风有限元数值模式 包括了平流、水平扩散、沉降和底泥释放的t p 浓度，该利用模式，他们研究了太湖 水体中t p 分布特征及湖流对其影响【2 6 】。其余研究有：杨立文等在计算广东核电站海 区流场、温度场和浓度场，预测附近海域水质变化的规律的课题中，利用了应用隐显 方向交替法建立的二维数学模型等f 2 7 1 。 目前，三维的和二维的水质模型仍处于发展阶段，科学研究者正在对将更多变量 考虑其中的更综合的水质模型进行研究。 1 2 4 国外悬浮物运动研究现状 现有的研究多为针对河口、海岸地区在风浪影响下的泥沙输移情况的模拟，用以 为避免引发岸滩演变、港口航道淤积等现象提供依据。数学模型的研究，最早也是从 一维模型，考虑单因素开始，一直发展到考虑多因素的二维甚至是三维数学模型。 二维数学模型是从上世纪七十年代开始得到的广泛的应用和迅速发展，直到上世 纪九十年代，o c o i l i l o 和n i c h o l s o 【2 8 1 用特征线的方法来处理泥沙输运方程中的平流 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 项而建立出了一个三维粘模型，后模型经过实验数据验证，才标志着三维数学模型取 得了新的进展。其后，c 锄c i n o 和n e v e s 【2 9 】经过现场实测，最后确定了细颗粒泥沙侵 蚀、沉积和絮凝的相关参数，建立了一个考虑斜压效应的全三维的水动力和泥沙数值 模型。 1 。2 5 国内悬浮物运动研究现状 国内研究人员在国外研究成果的基础上，根据国内各种水体的具体情况，建立了 更有针对性的模型，例如：李大鸣和陈虹曾为了对渤海湾的潮流与泥沙运动进行了模 拟，考虑当地环境条件建立一个三维模型 3 0 】；再如李蓓和唐士芳【3 l 】、江文胜和孙文心 【3 2 】【3 3 1 、李瑞杰等人【3 4 。6 】、丁平兴等人【3 7 】分别先后进行的研究有：对伶仃洋航道利用 三维潮流盐度泥沙数值模型进行的研究；以黄河口排放的细颗粒物质浓度为基础，在 德国汉堡大学的三维粒子追踪悬浮物输运模式中，利用粒子追踪方法，对颗粒物的分 布和输运的情况进行模拟；应用适用于河口海岸的海岸工程水动力及物质输运数学模 型来研究太平水道和崖门水沙问题；建立了适合于河口海岸地区、能正确反映波浪影 响的悬沙输运的三维数学模型。 1 3 主要研究工作 1 3 1 研究内容 1 、模拟阳澄湖西湖未进行施工时，在一定的输入输出浓度和流场影响条件下， 湖区悬浮物浓度分布情况。 2 、阳澄湖西湖进行围堰施工时，按照时间的先后将施工期分成8 个时间段，在 每个时间段内用d e i n 3 d 对湖区的悬浮物浓度变化情况进行模拟。 3 、假设阳澄湖西湖采用栈桥施工方式施工，将栈桥施工方式的施工期同等的分 成8 个时间段，在每个时间段内用d e l r 3 d 对湖区的悬浮物浓度变化情况进行模拟。 4 、对比围堰、栈桥施工方式在同一时间段内的悬浮物浓度情况，总结出更适合 在修建跨湖大桥时采用的施工方法。 1 3 2 研究的技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 自然环境概况 2 1 1 地理位置及概况 第2 章工程项目概况 阳澄湖又名阳城湖，属阳澄淀泖水网，位于苏州古城东北1 0 公里处，湖跨苏州 市相城区( 原吴县) 和昆山市。阳澄湖作为太湖平原上的第三大淡水湖，其湖区由两 个东北一西南走向的狭长半岛，将整个阳澄湖天然的分为东湖、中湖、西湖三个部分， 三个湖之间又有众多支流相通。其中东湖面积5 1 7 0 k m 2 ，中湖面积3 4 2 0k m 2 ，西湖 面积3 2 3 0k m 2 。 一 3 i 一二 蠲埔? a 南毒：。 - 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9 月降水量大，水位 升为3 0 卜3 4 0 m ；1 2 月、1 月、2 月降水量少，水位将为2 o 卜2 6 0 m 。区内河流为 平原河流，河道流速一般在o 5 “s 以内。由于河道流速小，对河岸冲刷小，加上太湖 来水基本是清水，故各河港的含沙量较小。 阳澄湖为吞吐性湖泊，由于太湖出水收长江潮位、引排水和暴雨时空分布的影响， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 河流流向有顺、逆、滞流三中流态。太湖是主要补给水源，水流向一般自西向东，自 北向南( 从太湖往长江、东海方向) ，这是顺流。干旱时期，太湖上游来水减少，湖 水位下降，湖水不能补充下游河流，引长江水入太湖此时河水倒流。 阳澄湖湖底的地形略有起伏，西湖湖底倾斜较大，实测水深在5 米左右，平局水 蒸在2 6 5 m ；中湖次之，水深1 3 3 m ，平均水深1 8 m ；东湖较平坦，水深1 3 2 。5 m ， 平均水深1 7 m 。正常水位2 9 m 。阳澄湖蓄水容量大，湖床底质硬，水体十分清澈， 且透明度高。 2 1 4 生物多样性 阳澄湖有十分丰富的水产资源，其中最为有名的要数有”蟹中之王”美称的阳澄湖 清水大闸蟹，此外阳澄湖还盛产甲鱼、桂鱼、白鱼、清水虾、鳗鱼、等七十种淡水产 品【4 0 】。 2 1 5 地形、地质 阳澄湖地区地势平缓，自西向东缓慢倾斜，地貌以平原地貌为主，平均海拔高度 在3 - 4 米，阳澄湖一带仅两米左右。按照地貌成因及区域形态特征将阳澄湖地区的 地貌归为太湖水网平原区和长江冲积平原区两个大区，这两个大区中又包含了石质山 地、三角洲平原、古湖平原等6 种地貌类型【4 。 2 2 施工工程概况 2 2 1 京沪高速铁路与阳澄湖的位置关系 京沪高速铁路阳澄湖桥段主要位于苏州市，阳澄湖特大桥自西向东经苏州市自来 水公司湾里取水口穿越阳澄西湖至东阳华浜阳澄湖码头、经双阳路、阳澄路、阳澄东 湖、阳澄东湖渔家灯火处继续向东至上海。京沪高速铁路m t j 6 标段在苏州境内多 次跨越阳澄湖区，详见京沪高速铁路通过阳澄湖水源保护区示意图。各施工段具 体情况如下： ( 1 ) d k l 2 3 3 + 2 0 0 d k l 2 3 5 + 8 0 0 桥段( 线路长2 6 0 0 m ) ，起讫墩号为9 3 群1 7 2 # ， 共8 0 个墩位： ( 2 ) d k l 2 3 6 + 2 0 0 d k l 2 3 6 + 6 0 0 桥段( 线路长4 0 0 m ) ，起讫墩号为1 8 4 撑1 9 5 撑， 共1 2 个墩位： ( 3 ) d k l 2 3 7 + 2 5 0 d k l 2 3 7 + 5 0 0 桥段( 线路长2 5 0 m ) ，起讫墩号为2 1 8 撑2 2 4 存， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 共7 个墩位； ( 4 ) d k l 2 3 7 + 7 5 0 d k l 2 3 7 + 9 0 0 桥段( 线路长15 0 m ) ，起讫墩号为2 3 3 f 2 3 酣， 共4 个墩位； ( 5 ) d k l 2 4 0 + 6 8 0 d k l 2 4 1 + 5 5 0 桥段( 线路长8 7 0 m ) ，起讫墩号为3 2 2 ! j 3 4 8 | ， 共2 7 个墩位； ( 6 ) d k l 2 4 1 + 8 0 0 d k l 2 4 l + 9 0 0 桥段( 线路长1o o m ) ，起讫墩号为3 5 2 群3 5 5 ， 共4 个墩位； ( 7 ) d k l 2 4 5 + 3 5 0 d k l 2 4 6 + 8 8 0 桥段( 线路长1 5 3 0 m ) ，起讫墩号为4 6 2 稃5 0 8 撑， 共4 7 个墩位。 图2 2 京沪高铁跨阳澄湖水域示意图 线路经过湖区总长5 9 0 0 m ，共1 8 1 个墩台，基础采用1 0 m 、1 2 5 m 和1 5 m 钻孔灌注桩，桩基1 8 5 8 根，合计9 7 1 8 0 m ，出渣量合计8 5 2 8 3 m 3 ，单根桩长最大8 0 米，最小桩长4 5 m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 2 围堰施工方式概况 1 、分段筑坝围堰施工方案设计说明 双排桩筑坝围堰采用的方法是：将粘性土填筑在打入水中的两排木桩( 或钢板桩、 钢管桩) 中间，形成两道坝体来隔断水流最终合拢形成围堰【4 2 1 。在围堰合拢后，抽用 抽水机抽掉围堰内的水，变水上作业为陆地上作业。( 见图2 3 双排桩筑坝围堰立面 示意图) 一般来说，围堰双排桩之间的间距( 围堰顶宽度) 要大于或至少等于水深，围堰 顶的高度相对于施工期间的最高水位要有1 0 m 的差。围堰的双排桩打入土层中的深 度根据湖底土层的不同而不同，一般应保证入土深度最小不低于1 5 0 c m ( 不包括淤泥 层厚度) ，纵向净距0 5 米，纵向与水平向之间采用2 根巾4 8 衄钢管或1 0 槽钢进行连 接，并用巾1 0 m m 钢筋横向对拉，内壁采用防水土工布和竹帘片进行隔离，中间用粘 性土壤进行填筑。本次施工水中墩主要工程数量：钻孔桩1 7 4 9 根，承台1 8 1 个，墩 柱1 8 1 个。为确保围堰施工的安全，围堰的坝体必须有足够的强度和稳定性。根据不 同的水深分段对打入桩的材质有不同的要求： ( 1 ) 水深小于2 米段，采用由1 6 c m 2 0 c m 的圆木桩( 或2 0 a 型槽钢) ； ( 2 ) 水深在2 至3 米段，围堰外侧采用巾1 6 c m 2 0 c m 的圆木桩( 或2 0 a 型槽钢) 、 内侧则采用2 0 a 型槽钢； ( 3 ) 水深在3 到4 米段，围堰的外侧采用巾3 0 c m 钢管桩( 或双排均采用钢管桩) 、 内侧则采用2 0 a 型槽钢； ( 4 ) 水深大于4 米段，则采用巾6 0 c m 钢管桩； l 2 登j l a ，：户! 蛳 媸， t - 1 ，一 缓 、 缓惑 瑚默 秣期 多 豫腮么 ) 钐 二v 膊翮i 骀l 厂盎 徐 、 膊瓣 雕 蝴臻啊皓脚 幡嘲 喇l1 9 ：恤 f 一 争、4 1 0 8 0 一一 1 8 5 1 0咖3 、哇 。j 劬! 卜m 5 图2 3 双排桩筑坝围堰里面示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 、施工工艺流程 3 、施工进度安排 京沪高铁在阳澄湖三个湖区都有跨湖施工段，但是在阳澄湖西湖处跨越的水体面 积较大，影响范围相比中湖和东湖来说更大，因此本次课题选择京沪高铁跨越阳澄湖 西湖段为研究对象进行研究。 该桥段起讫墩号为9 3 撑1 7 2 # ，共8 0 个墩位，全长2 6 0 0 m 。水深在2 o 4 0 m ， 淤泥层0 0 5 m 。考虑渔船通航、洪水期排洪等因素，该段分三段进行筑坝围堰施工， 先施工两端段，后施工中间段。等小里程方向段墩身施工完成后，拆除该段围堰，将 中间段进行筑坝围堰，并与大里程段围堰相互连通，形成一整体，便于施工机械、材 料等的运输。各区段施工计划安排如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 1 ) 第一段( 小里程段) ： 围堰：2 0 0 8 4 2 0 2 0 0 8 5 2 0 钻孔桩：2 0 0 8 5 2 l 2 0 0 8 6 3 0 承台：2 0 0 8 6 2 0 2 0 0 8 7 3 0 墩身：2 0 0 8 7 0 1 2 0 0 8 8 1 5 围堰拆除：2 0 0 8 8 1 6 2 0 0 8 8 3 1 ( 2 ) 第二段( 大里程段) ： 围堰：2 0 0 8 5 2 1 2 0 0 8 6 2 1 钻孔桩：2 0 0 8 6 2 2 2 0 0 8 7 31 承台：2 0 0 8 7 2 0 2 0 0 8 8 3l 墩身：2 0 0 8 8 0 l 2 0 0 8 9 1 5 围堰拆除：2 0 0 9 1 1 6 2 0 0 9 1 3 1 ( 3 ) 第三段( 中间里程段) ： 围 堰：2 0 0 8 0 9 0 1 2 0 0 8 0 9 3 0 钻孔桩：2 0 0 8 1 0 0 1 2 0 0 8 1 1 1 0 承台：2 0 0 8 1 1 0 l 2 0 0 8 1 2 1 0 墩 身：2 0 0 8 1 1 1 1 2 0 0 8 1 2 3 l 围堰拆除：2 0 0 9 0 1 0 l 2 0 0 9 0 1 1 5 2 2 3 栈桥施工方式概况 根据以往传统的施工经验，长距离的水中施工一般采用搭设临时钢栈桥作为施工 通道。若按单向行车道对原方案的栈桥进行设计，则栈桥宽4 5 米，净宽为4 o 米。 每1 5 0 m 在栈桥右侧设一长2 0 m 、宽3 m 的会车道。通过在水中搭设钻孔平台，在每 个桩位处埋设钢护筒，进行桩基施工。水中钻孔平台及钢栈桥均采用钢管桩基础，双 排单层贝雷片桁架结构。采用钢板桩围堰法对承台基坑进行施工，采用拉森钢板桩打 入支护法对基坑进行支护。 l 、施工工艺流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 i照明、防护i i _ j 2 、施工进度安排 由于栈桥施工方式不是最终采用的施工方式，为了便于比较其与围堰施工方式在 统一时间段内对湖区悬浮物浓度的影响，因此，比照围堰施工的施工流程和进度，模 拟制定出栈桥施工流程和进度。 参照围堰施工方式的施工安排，将京沪高铁跨阳澄湖西湖段分三段进行施工，先 施工两端段，后施工中间段。各区段施工计划安排如下： ( 1 ) 第一段( 小里程段) ： 栈桥施工：2 0 0 8 4 2 0 2 0 0 8 8 15 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 栈桥拆除：2 0 0 8 8 1 6 2 0 0 8 8 3 1 ( 2 ) 第二段( 大里程段) ： 栈桥施工：2 0 0 8 5 2 1 2 0 0 8 9 15 栈桥拆除：2 0 0 9 1 1 6 2 0 0 9 1 3 1 ( 3 ) 第三段( 中间里程段) ： 栈桥施工：2 0 0 8 0 9 0 1 2 0 0 8 1 2 3l 栈桥拆除：2 0 0 9 0 1 0 1 2 0 0 9 0 1 1 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 1 阳澄湖水质概况 第3 章环境现状调查 伴随着苏州市及周边地区的经济高速发展，自上个世纪8 0 年代起，阳澄湖水体 水质的水质逐渐从优良转为不断恶化。对苏州市1 9 7 4 与1 9 8 8 年对阳澄湖水质的监测 结果进行比较：可以看出水质从i i 类降为了i i i 类1 4 3 1 。阳澄湖的富营养化问题及有机污 染问题十分严重，湖体及主要入湖河道水质的水质指标中t n 超标严重，基本上为劣 v 类，其余水质指标也为i i i 类或类，究其原因主要有：入湖河道水质较差；没有 好水对阳澄湖水体进行补给：汛期时娄江的水倒灌入阳澄湖，加重其污染。 苏州市从九十年代中期开始治理和保护阳澄湖，其水质逐步好转。2 0 0 5 2 0 0 6 年 t n 值基本在2 m g l 以下，t p 值在o 1 m g l 以下；2 0 0 6 年，高锰酸盐指数控制在 5 0 6 o m g l 之间。由2 0 0 7 年度的苏州市环境状况公报可以看出，阳澄湖水质已 基本达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中的i i i 类标准，但是t n 、t p 仍 未达到i i i 类水质。 本次课题需具体了解当地目前的水质情况，因此本课题组委托有资质的单位进行 了水质监测。 3 2 西湖监测方案 本次监测由深圳市华测检测技术股份有限公司上海分公司进行监测，并按照监测 方案要求出具监测报告。 3 2 1 、监测布点图 本次课题的监测布点情况见图3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 _ 图3 1 监测布点示意图 3 2 2 、监测指标 水质监测指标：s s ；采样点位于纵断面中层。 流场监测指标：每个点位流速、流向、水深；每个监测点纵断面的表层、中层、 底层均要采样。 3 2 3 监测时间 本次监测定于2 0 1 0 年2 月连续监测3 天。 3 2 4 取样方法 本次监测悬浮物的测定采用重量法( g b t 1 1 9 0 1 - 1 9 8 9 ) ；流速测定采用流速仪法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 3 监测结果及分析 3 3 1 监测结果 本次监测的结果见表3 1 表3 1 阳澄湖西湖水质监测汇总 监测点位号 第一天( m g l ) 第二天( m g l ) 第三天( m g l )平均值( m g l ) 12 010 1 1 13 7 卵：2 粥h h m们挖”躬挖b屹”b m b 他b mn们”粥 l，_上_，-_i，_，_，ll，l，l t l 5 4 2 1 0 4 2 1 2 5 3 2 2 1 o 2 2 1 1 0 0 l 2 ) o 1 0 l o 1 o o ) ，王，l 1l，l，l l 1l，王 1，l，王，l，l 1l，l，王 1，l 1 l 1上，ll l 1 l 1 l 1l，l，l，l，l 1 2 2 l 3 3 4 l 2 7 5 4 3 l 2 o 2 ) 0 2 0 o l 1 0 o 4 l o 1 3 u 屹坦n b b h u 坦竹垮b n j m 屹9 m 9 坦m m 9 n n m m h n m n b 8 9 6 o 9 1 8 4 7 4 8 5 2 3 4 7 2 7 6 o 0 9 7 8 8 o 5 2 2 2 l 9 8 1 1 1，、l 1，、l 1 1 1 1 1 1 1 1 l 1 1 1 1，i，厶 1 1 1 1，、l 1 二 1，、l，、l 1 、i l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 他b h蛉m掩侈加扒丝拐m筋撕勰凹如孔勉驺舛 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 3 2 监测结果分析 本次监测进行期间围堰已基本拆除，流场基本贯通，因此本次监测的结果可以看 作是未进行施工时阳澄湖的水质情况。 根据检测报告可以看出，各个检测点位处的s s 浓度平均值基本保持在1 1m g l 到1 6 m g l 之间，以此作为阳澄湖西湖湖区s s 浓度的背景值。 3 4 环湖主要支流现场调研 根据现场踏勘的结果，概化出湖区的2 9 处进出水口，其中进水口1 4 个，出水口 1 6 个。由于缺少湖区支流流量的监测数据，因此，为更直接的反映湖区在施工过程中 的影响，将各个进出水口得进出水流量在施工期的各个阶段定为一样，各进出水口流 量见表3 2 ，具体的各个进出水口位置见图3 2 。 表3 2 湖区主要进出水口水流量情况一览表 i n l i n 2 i l l 3 1 1 ：1 4 i n 5 i n 6 i i l 7 i n 8 i n 9 i i l l 0 i n l l i n l 2 i n l 3 i l l l 4 o u t3 0 u t4 o u t5 o u t6 o u t7 o u t8 o m9 o u t1 0 o m1 1 2 3 4 5 石7 8 9 m n也b出彤埘：缁伽锨碱观 。2 3 4 巧6 7 8 9 m小他彤m聊；昙娜埘嬲他似蝴 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图3 1 阳澄湖西湖进出水支流分布情况示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第4 章数值模拟软件及数学方法介绍 数值模拟指的是在时空坐标中，用有限的一系列离散点( 称为节点，n o d e ) 上的值 的集合来代替原来连续的物理量的场，如：速度场，温度场，浓度场等。再将这些离 散点上变量值之间的关系，应用一定的原则，建立代数方程，该方程被称为离散方程， ( d i s c r e t eq u a t i o n ) ，通过求解该代数方程来获得所求变量的近似值。 4 1 d e l f t3 d 软件介绍 d e l r 3 d ，主要适用于模拟自由地表水环境，其采用a d i 算法，对流场进行数值 模拟时，能保证动量、能量和质量守恒；其能提供用户选择类似t e l e m a c 的有限单元 法的计算格式：在系统自带的丰富的生态与水质过程库的帮助下，用户可以快速的建 立起需要的模块；除此此外，水质和生态模块以守恒为前提，再结合网格，能在很大 程度上降低运算成本而与g i s 无缝衔接【删；该软件强大的前后处理功能，使之能与 m a t l a b 相结合，并且能输入输出的图形、图像、动画仿真能以多种格式显示；能与 s 砌b a s i c 友好的结合。该软件公开了既适合于普通工程用户，也适合于专业研究 人员的全面详实的系统操作手册、在线帮助和理论说明等。d e l n3 d 支持所有主要的 操作系统，如w i n d o w s ，u i l i x ，l i r n ，m a c 等。 d e l r 3 d 的框架灵活，可以针对水流、水质、生态、波浪、泥沙输移及床底地貌 以及过程之间的相互关系，进行二维( 水平面或竖直面) 或三维的模拟( 见图4 1 ) 。 为了满足用户二次开发和系统集成的需求，系统进行了完全的开放。 图4 1d e l r 3 d 软件模型结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 质点跟踪模块p a r t 运行的原理为：通过质点跟踪及时的对动态的浓度分布过程 进行评估，针对油、盐度、温度或其他极易衰减物质，对他们的瞬时或连续释放过程 采用浓度等值线来进行描述 4 5 】。 d e l r3 d 系统在在众多国家如：荷兰、波兰、俄罗斯、德国、美国、澳大利亚、 英国、西班牙、新加坡、新西兰、马来西亚等有着十分广泛的应用，尤其是在美国应 用历史己经很长了。目前，中国香港地区已经将d e l r3 d 系统列为香港环境署的标 准产品，而其再香港的应用始于2 0 世纪7 0 年代。直到2 0 世纪8 0 年代中期，该系统 在内地才逐步被广泛使用。除此之外，国际上很多著名的水及环境咨询公司已经将 d e l 矗3 d 作为他们开展工作的有力工具。 由此可见，采用d e l 危3 d 软件，能为研究区域悬浮物浓度的二维数值模拟提供 很强的计算稳定性和区域适应性，计算后同样能为数值分析提供比较齐全的图型处理 功能。 4 2 阳澄湖水质数学模型 4 2 1 湖泊水体流动的控制方程 流体力学的基本原理表明：n a v i e r s t o k e s 方程能很好的表达宏观上一切不可压 缩的牛顿型流体的流动。人们根据不同问题的不同物理特征，对复杂的非线性偏微 分n s 方程组提出一系列的近似与假定，来简化对n s 方程的数值求解。 4 2 2 湖泊水体二维流动浅水方程 因为浅水湖泊在水平方向上的尺度远大于垂直方向上的尺度，所以垂向上水力参 数的变化比水平向的变化要小得多。为了近似描述湖泊水体的流动，于是将三维的浅 水方程沿水深方向进行积分后得到二维方程。考虑柯氏力，则该二维的基本形式如下： 笪+ 盟盟+ 型= o a融 堪 抛知知一。篮。五，。f 。 百夏i 2 g 畜+ 少一赢+ 茄 a l呶珊勰 o ho h 生仙堡+ 、，堡：一2 箜+ 向一生+ 量 百州i 面一g 葛十舟一荔+ 高 _ i 。l a x 卿触o h 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 上式：h = l l o + 表示总水深，其中1 1 0 表示静水时的水深；t 。，、r 。，分别表示风对 自由水面的剪切应力在x 与y 方向的分量；表示自由水面在竖直方向的位移；f = 2 s i