廣佛過江隧道工程沖刷試驗研究

吳 娟 邊紅娟 陳 思

（珠江水利科學研究院，廣州 510611）

廣佛過江隧道工程沖刷試驗研究

吳 娟 邊紅娟 陳 思

（珠江水利科學研究院，廣州 510611）

介紹了一項沉管式隧道的最大沖深物理模型試驗。沉管式隧道修筑過程中需要先開挖后回填，隧道覆蓋層與原河道之間存在軟硬交界面，在河道發生沖刷時可能形成攔河潛壩，導致局部沖刷加強，影響堤防及隧道本身的安全，開展物理模型試驗是論證隧道工程合理性的有效技術手段。針對位于珠江三角洲東平水道上的廣佛過江隧道工程實例，根據抗沖性的要求選用不同模型沙以模擬河道分層地質和隧道覆蓋層，開展隧道河段在極端洪水作用下沖刷試驗，根據試驗成果優化埋深和覆蓋層沖刷防護措施，為過江隧道方案設計和施工提供合理依據。

隧道；沖刷試驗；物理模型

1 前 言

沖刷始終是河流動力學研究的關鍵問題，一般地，河床沖刷分為下面兩大類。

(1)河道沖刷：在較長河段,具有相同水沙條件的河槽內發生河床連續沖刷的現象。這種沖刷是由于水流挾沙力不飽和所致,其沖刷深度主要決定于河床沖刷率和沖刷歷時。

(2)局部沖刷：由于河道局部縮窄、橋墩、閘、堰造成水流速度和湍流強度局部強化,造成沖刷坑，如果水流保持恒定,局部沖刷有確定的最大沖深。關于橋墩、閘、堰等局部沖刷的研究成果很多，一般根據水流、泥沙等條件可估算出沖刷深度。

在河道內設置工程時，即使不改變河道邊界，也需要考慮到河道可能達到的最大沖刷深度，在工程安全計算時考慮到沖坑導致的穩定影響。但是在天然河道中，由于存在如導流墻、礁石等不易沖刷的河勢控制節點，河道局部產生較深的沖刷坑，在河勢控制節點的形式多種多樣的條件下，預測其局部最大沖坑深度則困難得多。在河道地質條件不變的情況下，河道的最大沖坑深度主要取決于洪水等級。一般，根據與工程設計等級相匹配的洪水條件下估算河道可能出現的最大沖深為工程設計提供依據。

由于河口地區較為發達，存在大量的聯系河道兩岸的交通設施建設需求。河口地區地質沉積層較深，出于施工方便和節省投資的需要，沉管式隧道在河口地區愈來愈多。沉管隧道建設需要經歷開挖沉管基槽，沉管沉放，基槽回填等工序，形成了沉管段和上下游產生了不同性質的河床。由于沉管覆蓋層一般不易發生沖刷，成為影響附近河床演變的節點。在某些情況下，上下游河床出現了沖刷，則沉管及其覆蓋層高出上下游河床成為水下潛壩，附近產生螺旋流，進一步促進與沉管臨近的河床出現局部沖刷。

沖刷深度可由經驗公式計算，常借用縮窄斷面沖刷或橋墩沖刷的經驗公式估計可能的最大沖深。但是經驗公式一般適用于特定狀況，其計算結果一般較實際情況大，而沖刷深度取值過大，增加工程量和投資。在水流條件復雜時，往往采用物模的方法確認埋深及防護方案，以節省投資和增加項目的安全性。

筆者介紹了珠江三角洲的一條沉管隧道設計埋深的試驗情況，此隧道為公路、鐵路合建隧道，設計寬度大，又位于人口稠密地帶，為了兩側交通連接方便，埋深不能太大。同時，工程位于一個彎道，由于彎道及局部沖刷節點的影響，水流條件比較復雜，在此主要介紹動床模型設計方法及試驗成果。

2 模型設計及驗證

2.1 模型設計

隧址河段呈微彎型河道，基本呈東西走向。河段寬度沿程變化不大，河寬大致在200～300m，有零星礁石分布，見圖 1。工程處于珠江三角洲網河區承泄珠江流域積水面積45萬km2的徑流，經過網河區河道分流后，進入隧址河段300年一遇洪水流量為7411m3/s。

與河床局部沖淤密切相關的主要是床沙中的推移質部分，模型設計時主要考慮水流運動相似條件、底沙運動相似條件。物理模型范圍為：工程上游為 1.3km，下游為 1.8km，上、下游另設延伸過渡段，見圖 2。選取物理模型平面比尺為 100、垂直比尺為50，模型長約36m、寬約10m。模型流速比尺為7.07，流量比尺為35355，糙率比尺為1.36。

模型控制系統采用分布式工業控制系統，中央監控機主要存儲模型試驗的各種參數、發布命令、顯示實時監控圖表等。模型的上、下邊界采用變頻器和電磁流量計控制。模型上采用變頻調速器直接調節水泵提供給模型的供水量，系統根據給定的流量控制曲線調控每個變頻器的輸出頻率，從而滿足流量控制的需要。模型潮位的量測采用GS-3B光柵式跟蹤水位儀，精度可達到 0.1mm。流速的量測采用Acoustic Dopp1er Ve1ocimeter (ADV)。

2.2 模型沙的選擇

在極限沖刷試驗中根據河床組成及沉管覆蓋層材料的抗沖性選擇合適的模型沙。首先需要進行地質勘探，根據工程地質勘察成果（圖3），隧址處地質分層自下而上分別為弱風化巖、強風化巖和細沙，其中我們需要模擬強風化巖和細沙，弱風化巖一般認為不可沖刷。圖4為沉管覆蓋層回填典型剖面圖，沉管管段底部采用“灌砂法”進行基礎處理；兩側采用具有良好排水性能的10～20mm砂石回填，碎石回填采用 2～3cm級配碎石，片石回填層中每塊片石的重量為50～100kg，具有一定的級配，使拋填防護層具有較高的密實度，對于隧道覆蓋層來說，表層片石回填層厚度大，抗蟲性強，在模型中主要模擬片石覆蓋層。因此，模型中需要選配模型沙的組成為：床沙、強（全）風化巖、片石覆蓋層。

對于細沙及沉管覆蓋層等散粒體來說，起動流速的計算已較為成熟，但模型沙較細，一般要求采用水槽試驗的方法確定。一般原型散粒體泥沙起動流速可用下列經驗公式計算：

式中，Uc為泥沙起動流速，h為水深，d為等效粒徑，γs為泥沙容重，γ為水體容重。g為重力加速度，系數k與d有關，一般可取1.146。

河床表層為細沙，中值粒徑約為 0.3mm，在10～16m模型沙水深下起動流速約為 0.46～0.77m/s。按起動相似要求，模型沙的起動流速為7～11cm/s。選用容重1.6g/cm3、中值粒徑為0.2mm的煤沙作床沙，粒徑比尺為1.45，經水槽試驗，該模型沙的起動流速為 8～12cm/s，能滿足床沙起動相似的要求。

強風化巖埋深較淺，在河道左側直接出露水下。強風化巖的沖刷歷時較長，觀測條件復雜，對其抗沖性目前未得到充分的研究。根據地質特性分析，強風化巖的抗剪應力（40kPa）略大于粘土的抗剪應力（35kPa），根據粘土的抗沖流速可取為0.75～1m/s，在本文中采用強風化巖抗沖流速為1m/s，而下層的弱風化巖抗沖性較好，埋深較大，所以在模型中作為不可沖層考慮。按起動相似要求，模擬強風化巖的模型沙的抗沖流速為0.15cm/s。經水槽試驗，容重1.56g/cm3、粒徑0.4mm的煤沙抗沖流速為 0.14～0.17m/s，基本能滿足強風化巖的抗沖性能要求。

沉管覆蓋層回填中片石回填層中每塊片石的重量為 50～100kg，等效粒徑約為 200mm，起動流速約為4.5m/s，按起動相似要求，模擬強風化巖的模型沙的抗沖流速為 0.63cm/s，選用中值粒徑為0.6cm的小塊石模擬頂層的拋填塊石。

2.3 模型驗證

模型驗證的內容包括水流運動和底沙運動相似性驗證。在根據工程附近實測水文條件進行水流相似性驗證，模型中測量沿程水位，流速的變化。根據河道形狀計算出模型實際糙率比尺為1.18，如計算值基本接近。由于模型范圍較短，河道水位試驗值與計算值相差在模型1mm、原型5cm以內，流速值相對誤差在10%以內。

底沙相似性驗證選擇1998年2月至1999年2月之間的地形變化作為驗證依據，在這一年的時間，珠江流域發生了50年一遇的洪水。將1998年2月至1999年2月的天然來水過程概化成洪中枯水文組合進行沖淤驗證，但洪水對局部河道的塑造作用明顯，枯水時段長，但作用不明顯，因此驗證時主要考慮洪水和中水的作用，洪水組合隧址流量5332 m3/s，中水組合隧址流量 3231 m3/s。初始地形為1998年2月地形，通過反復調整輸沙率比尺及河床沖淤時間比尺，最后確定輸沙率比尺為219，沖淤時間比尺為57，模型得到1999年2月地形與實測基本相似，-10m等高線位置接近，見圖5。

3 試驗成果及分析

3.1 埋深試驗

現狀河床極限沖刷試驗目的為求得河道現狀地形下在遭遇300年一遇洪水時，工程附近可能出現的最大沖深，主要為沉管隧道的埋深提供參考。現狀落潮水流在經過約 800m縮窄段河道的調整后進入第一彎道，主流位于彎道凹岸，凸岸則形成弱流區。由于隧址左側水下礁石的存在，其頭部底流速較大。水流經過縮窄河段時，水流與上屈龍礁石以及其西側護岸交角近似正交。水流越過上屈龍礁石后，在礁石下游的深坑內形成旋轉流。

工程前沖刷形態見圖 6。由于隧址左側礁石抗沖能力較強，位于彎道凹岸水流主流區，對水流的影響相當于淹沒丁壩，水流對壩頭和壩后均造成嚴重沖刷。沖坑最深點位于壩頭下游，300年一遇洪水時最低沖刷高程為-20.4m，較現狀地形局部最深高程低約3.4m。研究河道形態彎曲，流量增加后，彎道水流相應調整，凸岸回流區范圍加大，使得凸岸淤積。

3.2 防護層試驗

工程前，由于下屈龍礁石對底層水流具有導向作用，隧址左側礁石開挖后，凹岸水流更為集中，隧址段右側表底流速減小，北側流速增大，尤其是隧址左側底部流速明顯增加，瀾石碼頭東側堤防附近流速進一步增大，最大流速可達3.28m/s。下游堤防的凸岸突入彎道水流主流區，工程后對上游來流有顯著阻擋和挑流作用，水流直沖堤腳及附近河床，位于該區域底部上升流流速較大，底部上升流較大極易引起泥沙的揚動。

當下游不加防護時，上下游泥沙逐漸被水流帶走，拋石防護層出露河床，隧道沉管覆蓋層形成水下潛壩，水流越壩后形成壩后環流，加強壩下沖刷。過壩水流形成壩后軸向環流，形成了與壩軸線平行的沖刷形態。由于凹岸水流較大，壩下游中間至左側部位沖深較大，下游堤防堤腳及河床沖刷有所加強，沿堤岸彎段走勢堤腳處及附近河床形成不同程度的帶狀沖刷區（見圖 7a），300年一遇洪水最低沖刷高程分別至-22.4m。由于工程后壩下沖刷最深點位于左岸，靠近現有堤防，易淘刷堤腳形成堤防險段，該段堤防及堤腳須進行沖刷防護措施。

采用與沉管覆蓋層相同的塊石對堤腳進行拋石防護后（見圖7b），拋填塊石基本能保持抗沖刷穩定性，推薦的拋填材料和拋填范圍能有效控制水流對瀾石碼頭西側凹岸堤防堤腳及河床的淘刷，采用的防護工程措施以及防護范圍合理、有效。

4 結 論

通過物理模型對水流和泥沙沖刷的試驗結果可以看出，局部沖刷主要是由附近水流突變引起的。水流突變決定于河道邊界條件的變化。

工程前，局部最大沖刷深度是由礁石形成的“淹沒丁壩”形成的水流集中引起的，最大沖深位置位于礁石頭部下游。

工程后，礁石被去除后，下游的導流墻形成新的挑流形態，水流進一步向彎道的凹岸集中。隧道高出現有河床形成潛壩，水流與潛壩約成45°角，下游形成螺旋流，同時下游臨近的堤防壓縮凹岸主流，局部形成挑流，因此兩者共同作用使得局部沖刷深度加大，要求沉管覆蓋層和堤防堤腳需要將強防護。試驗得出的防護材料和范圍能夠為工程設計提供依據。

試驗證明在天然河道內局部沖刷問題受河道邊界條件的影響而變得非常復雜，在復雜情況下開展物理模型試驗是非常必要的。

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10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.017

TV149

B

1008-1305（2014）01-0051-04

吳 娟（1979年-），女，工程師。