重慶長江隧道河床演變及沖刷預測*

孫凱旋，高亞軍，李國斌，尚倩倩，許 慧，施 凌

(1.南京水利科學研究院,港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

過江隧道隧址斷面河床沖刷深度是工程規劃建設的重要參數。受水沙條件和水庫運行綜合作用的影響，三峽水庫變動回水區沖淤變化復雜，因此在此河段修建過江隧道工程，需要合理分析河床演變規律及河床最大沖刷深度。河床沖刷分為局部沖刷和自然沖刷兩種類型，局部沖刷是指在河段內修建工程引起的河床沖刷，自然沖刷是指水流和泥沙相互作用使河床平面及過水斷面不斷發展變化。對于第一類沖刷，Sumer等[1]對此做過系統總結；伍冬領等[2]用模型延伸法對錢江四橋橋墩局部最大沖深進行較合理的研究。對于第二類沖刷，國內外的研究不多，且研究主要集中在砂質河段。史英標等[3]建立錢塘江河口平面二維動床數值模擬和動床物理模型，但對水沙條件的分析主要基于洪潮水流作用下的錢塘江河口環境；岳紅艷等[4]對武漢漢江過江隧道隧址斷面所在河床的最大沖深進行研究，但漢江河段內河床表層覆蓋層主要為砂質。目前關于重慶長江隧道段的河床沖刷深度的研究尚未見報道，因此開展重慶長江隧道段的河床沖刷深度的研究工作具有一定的必要性。

本文以重慶—黔江鐵路重慶長江隧道工程為背景，結合三峽變動回水區工程河段近期河床演變規律，對過江隧道所在砂卵石河段的沖刷深度進行計算研究，取得了較合理的預測成果。

1 基本概況

1.1 工程概況

新建重慶—黔江鐵路工程位于重慶市東南部地區。長期以來受沿線交通條件制約，經濟發展水平相對滯后，重慶—黔江鐵路的建設擴大了沿線地區高鐵覆蓋面，有利于充分發揮重慶市市區對渝東南地區的引領、帶動作用，對促進沿線地區經濟發展具有重要意義。

擬建隧道工程位于重慶主城區河段的豬兒磧水道。主城區河段位于三峽變動回水區上段長江與嘉陵江兩江匯流處，在平面上呈連續彎曲的形態，全長約60 km。豬兒磧河段是重慶主城區河段的一個淺灘段，位于重慶海棠溪彎頂處，河段長 3.5 km，河段上游有連續急彎，河段下游距長江與嘉陵江交匯處約 1.5 km。隧道工程平面位置見圖 1。

圖1 擬建隧道位置

1.2 水沙條件

重慶主城區河段控制水文站包括長江上游朱沱水文站、寸灘水文站，嘉陵江上游北碚水文站，這3個水文站均具有長系列的水文記錄資料，可用于該河段的河床演變分析。

1.2.1來水條件

變動回水區年徑流量變化情況見圖2。總體上，三峽蓄水后2003—2016年際間徑流量變化具有隨機性，無趨勢性變化；與蓄水前相比，三峽蓄水后長江朱沱站、寸灘站徑流量均偏枯，嘉陵江北碚站則略有增加。

圖2 變動回水區主要控制站各時段徑流量變化

1.2.2來沙條件

1)懸移質輸沙量。2003—2016年朱沱站和寸灘站年際間輸沙量呈現減少趨勢，特別是2012年后上游向家壩等水庫蓄水運行后輸沙量減小明顯，朱沱站和寸灘站減幅達80%以上。嘉陵江北碚站輸沙量無趨勢性變化；變動回水區主要控制站懸移質年輸沙量變化見圖3。

圖3 變動回水區干支流主要控制站年輸沙量變化

2)推移質輸沙量。與2003—2016年礫卵石推移量相比，朱沱站2017年明顯減少，寸灘站略有增加；與2012—2016年沙質推移質輸沙量相比，朱沱站減少34%，寸灘站大幅下降，寸灘站礫卵石推移質和沙質推移質歷年推移量變化見圖4。

圖4 寸灘站礫卵石推移質和沙質推移質歷年變化

1.3 三峽水庫調度

三峽水庫采用蓄清排渾的調度方式。水庫運行也影響著變動回水區河床演變，受回水影響，汛末轉為庫區河段，隨壩前水位消落在次年汛初逐漸轉成天然河道。庫區回水作用將壅高主城河段下游尾水，產生累積性淤積并向上游拓展[5-6]。三峽工程初設階段計劃的運行方式為：水庫壩前水位、正常蓄水位為175 m(吳淞高程，下同)，消落低水位為155 m，防洪限制水位為145 m。

2 河床近期演變特點

2.1 變動回水區總體沖淤情況

變動回水區河段汛期呈天然河道特性,枯水期則呈水路特性，兩種狀態交替出現，演變復雜[7-8]。三峽水庫庫區整體呈淤積狀態。由于水庫淤積，下泄沙量減少，出庫泥沙顆粒細化。受三峽水庫運行調度、河道采砂等影響，汛期河床淤積量有所減少，新的水沙條件下，變動回水區沙卵石河床呈沖刷狀態[9]。三峽庫區河床沖淤情況見表1。

表1 三峽水庫庫區沖淤量

2.2 工程河段河床演變分析

2.2.1岸線變化

天然情況下主城區河段岸線總體變化不大。20世紀90年代以后，兩江四岸修建大量的堤防、岸坡等工程，洪水岸線內推，主城區河段河寬有所縮窄，其余岸線變化不大，2010年后兩岸岸線基本未變。

2.2.2深泓線變化

1)深泓線的平面變化。主城區河段深泓線平面走向僅少數過渡段年略有擺動，大多數年份基本保持穩定。

2)深泓線高程縱向變化。重慶主城區河段深泓縱剖面年際變化見圖5。主城區河段深泓縱剖面年際間有沖有淤，總體呈下切趨勢。2008年三峽水庫175 m試驗性蓄水后，受河床泥沙淤積影響，長江重慶河段局部河床深泓縱剖面略有抬升，多數河段河床沖刷下切。

圖5 重慶主城區河段深泓縱剖面年際變化

2.2.3沖淤情況分析

2008年三峽水庫試驗性蓄水前，豬兒磧水道年內沖淤變化呈現汛期淤積、汛末至汛后沖刷狀態，河段總體表現為沖刷，累計沖刷量為67.7萬m3。豬兒磧水道年際間有沖有淤，沖淤變化不明顯；年內沖淤過程主要表現為三峽水庫消落期沖刷、三峽水庫汛期沖刷和三峽水庫蓄水期輕微沖刷，總體呈沖刷態勢。三峽水庫175 m試驗性蓄水后豬兒磧水道年際間沖淤情況見表2(2009、2010年數據不全，故未列出)。

表2 三峽水庫175 m試驗性蓄水后豬兒磧河段年內沖淤情況

2.3 隧道軸線斷面河床演變分析

2007—2018年過江隧道河床斷面有沖有淤，總體上沖淤變化不大；2008—2011年，最深點略有微沖，軸線斷面最深點高程在156.1～157.0 m；2011—2018年，兩岸岸線穩定，河床沖淤變化不大，最深點有沖有淤。年際間最深點沖淤變幅較小，多年變幅在1.0 m以內，最深點總體趨于微淤狀態。 隧道軸線斷面位置歷年最深點高程見表3。

表3 隧道軸線斷面位置歷年最深點高程

3 沖刷深度計算

3.1 沖刷計算公式

本工程位于長江上游河道砂卵石河床，采用“64-1”修正式、Lacey 公式以及謝鑒衡公式進行計算對比。

3.1.1“64-1”修正式

“64-1”修正式是根據沖止流速原理建立的，公式為：

(1)

(2)

式中：B為平灘水位時的河槽寬度(m)；H為平灘水位時河槽水深(m)。

3.1.2Lacey公式

集中水流沖刷坑的Lacey公式為：

(3)

3.1.3謝鑒衡公式

謝鑒衡公式為：

(4)

(5)

3.2 計算條件

3.2.1沖刷計算斷面的選取

為了使工程區河床沖刷計算合理，在過江隧道斷面選取3條與水流正交河床斷面進行河床沖刷計算。沖刷計算斷面位置見圖6。

圖6 沖刷計算斷面位置

3.2.2計算參數

特大過江橋梁及隧道工程河床沖刷計算水文條件采用300 a一遇洪水標準[10]。擬建隧道工程位于長江與嘉陵江交匯的上游，因此選用朱沱站水文資料。采用實測洪水資料系列，加入歷史上特大洪水進行頻率分析計算，推算出300 a一遇洪水情況下朱沱站流量為72 000 m3/s。從工程建設安全合理性出發，依據中值粒徑分布情況及一般取值規律[11]，選用 91 mm 作為該河段的計算粒徑。計算參數見表4。

表4 河床沖刷計算參數取值

3.3 計算結果及分析

經計算兩個計算斷面位置在300 a一遇洪水情況下河床斷面沖刷結果見表5。

表5 河床沖刷計算結果

“64-1”修正式適用于山區穩定及平原次穩定地區，有底沙運動條件下的非黏性土河床的一般沖刷計算，計算結果包含一般沖刷、天然沖刷及集中沖刷；Lacey公式引用的沙性河床沖刷平衡公式，計算結果偏小；謝鑒衡公式是局部沖刷理論推導公式結合河道水流特點和各種土質河床的允許流速實測資料加以整理得出的一個經驗公式[12]。從計算結果來看，Lacey公式的計算結果相對較小，計算斷面1位置“64-1”修正式和謝鑒衡公式計算結果一致，更具參考性。

豬兒磧水道河床邊界主要有基巖和覆蓋層組成，河床基巖主要由侏羅系紫紅色泥巖、泥質砂巖和砂質泥巖等組成，巖性較簡單。覆蓋層主要由砂卵石組成，面積約占河床總面積的90%，河段內洲灘較多，粒徑大于10 mm的卵石含量在80%以上。根據當地工程經驗及各公式適用條件綜合分析，300 a一遇洪水情況下河床沖刷深度取4.8 m。

根據過江隧道斷面河床演變分析近十幾年自然演變情況下過江斷面包絡線最深點高程為156.1 m，在300 a一遇洪水情況下，河床沖刷后的最深點高程151.3 m，沖刷深度為4.8 m；過江隧道斷面300 a一遇洪水沖刷預測線見圖7。

圖7 過江隧道斷面300 a一遇洪水沖刷預測線

4 結論

1)考慮重慶主城區河段上游水沙條件及水庫運行的影響，工程河段多年來河勢總體保持穩定，岸線變化不明顯。豬兒磧水道年際間沖淤變化不大；年內沖淤過程主要表現為三峽水庫消落期沖刷、三峽水庫汛期淤積和三峽水庫蓄水期沖刷，總體呈沖刷態勢，過江隧道斷面河床年際間有沖有淤，總體上沖淤變化不大。

2)采用“64-1”修正式、Lacey公式以及謝鑒衡公式對過江隧道河道斷面進行300 a一遇設計流量條件下的河床斷面洪水沖刷深度計算。計算得到過江隧道斷面300 a一遇洪水情況下河床沖刷深度為4.8 m，預測最深點高程151.3 m。