深中通道隧道沿線表層沉積物特征及輸移趨勢(shì)研究

韓志遠(yuǎn)

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300456)

深圳至中山跨江通道工程(簡(jiǎn)稱“深中通道”)位于伶仃洋，北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km(見(jiàn)圖1)是世界級(jí)超大的“橋、島、隧、水下互通”集群工程，主體工程全長(zhǎng)約24.0 km，全線采用東隧西橋方案，東起伶仃?yáng)|岸的廣深沿江高速，在伶仃洋西岸的馬鞍島登陸[1]。深中通道通車后將成為大灣區(qū)內(nèi)重要的跨海(江)通道，它不僅能縮短伶仃洋東西兩岸的時(shí)空距離，還將大大緩解虎門大橋的交通壓力，并在推動(dòng)深圳產(chǎn)業(yè)升級(jí)及向粵西轉(zhuǎn)移發(fā)揮重要作用。

深中通道所在伶仃洋為珠江河口最大的河口灣，受徑流、潮流、波浪等多種動(dòng)力的影響，灣內(nèi)水動(dòng)力條件及泥沙沉積環(huán)境較為復(fù)雜[2]。在河口海岸工程泥沙研究中，表層沉積物特征(包括沉積物類型，中值粒徑、分選系數(shù)、粘土含量等)是判斷海岸性質(zhì)、泥沙特性、泥沙來(lái)源的重要參數(shù)；通過(guò)分析表層沉積物粒度特征，也可以揭示沉積物來(lái)源、沉積動(dòng)力和沉積物輸移趨勢(shì)等環(huán)境信息[3-6]，是港口航道泥沙回淤研究中不可缺少的基礎(chǔ)參數(shù)。這里根據(jù)深中通道隧道沿線的表層沉積物資料，結(jié)合水文泥沙資料，分析了基槽沿線的表層沉積物特征及沉積物環(huán)境，并對(duì)隧道沿線表層沉積物輸移趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

1 資料依據(jù)和研究方法

2017年7月在深中通道隧道沿線采集了79個(gè)表層沉積物樣品，采樣區(qū)長(zhǎng)約5.6 km，寬約2.2 km，采樣間距250～500 m(見(jiàn)圖1)。沉積物采樣采用蚌式采樣器，采樣深度為5～10 cm，所采取樣品均在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行粒度分析。粒徑大于0.1 mm的砂質(zhì)泥沙采用SFY-D音頻振動(dòng)篩分粒度儀進(jìn)行粒度分析，粒度小于0.1 mm的細(xì)顆粒泥沙采用BT-9300HT型粒度分析儀進(jìn)行粒度分析。沉積物分類定名采用Shepard三角圖分類法[7]，中值粒徑(d50)、分選系數(shù)(σi)、偏態(tài)(Ski)等粒度參數(shù)計(jì)算采用Folk & Ward公式[8]。

表1 表層沉積物類型統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statics of seabed sedimentary type

2 研究結(jié)果

2.1 沉積物類型及分布

研究區(qū)域的沉積物類型由粗至細(xì)分別為粗中細(xì)砂、中細(xì)砂、砂-粉砂-粘土、粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土等5種(見(jiàn)表1)。其中粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂的比重最高，分別占樣品總數(shù)的39.3%和35.4%，砂-粉砂-粘土占16.5%；砂質(zhì)沉積物最少，粗中細(xì)砂和中細(xì)砂分別只有2個(gè)和5個(gè)，二者合計(jì)占樣品總數(shù)的8.8%。

從研究區(qū)域表層沉積物在謝帕德三角分類圖上的分布看(見(jiàn)圖2)，粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土和砂-粉砂-粘土分布區(qū)位于中間偏右區(qū)域，各分布區(qū)基本相連；砂質(zhì)沉積物孤立的分布在三角圖的左下角，與細(xì)顆粒泥沙的分布區(qū)并不連續(xù)且相隔較遠(yuǎn)。

從研究區(qū)域表層沉積物類型的平面分布看(見(jiàn)圖3-a)，以粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土等細(xì)顆粒泥沙分布區(qū)面積最大，砂-粉砂-粘土分布區(qū)次之，粗中細(xì)砂、中細(xì)砂等砂質(zhì)沉積物的分布區(qū)面積最小，零星分布在公沙淺灘及礬石水道局部區(qū)域內(nèi)。

2.2 中值粒徑分布

研究區(qū)域表層沉積物的中值粒徑(d50)介于0.003～0.4 mm，平均值為0.03 mm；其中砂質(zhì)沉積物的中值粒徑介于0.2～0.4 mm，平均值為0.26 mm；細(xì)顆粒沉積物的中值粒徑介于0.003～0.02 mm，平均值約為0.005 mm。

從研究區(qū)域表層沉積物中值粒徑等值線平面分布看(圖3-b)，公沙淺灘及礬石水道局部區(qū)域零星分布中值粒徑大于0.1 mm的高值區(qū)，其他區(qū)域均屬中值粒徑低值區(qū)，中值粒徑值基本都在0.01 mm以下。

2.3 分選程度分布

研究區(qū)域表層沉積物的分選系數(shù)(σi)介于0.87～2.3，平均值為1.8。其中砂質(zhì)沉積物的分選系數(shù)介于0.87～1.6，平均值為1.1；除試挖槽南側(cè)和北側(cè)3個(gè)砂質(zhì)樣品的分選系數(shù)小于1，分選性屬中等外，其他砂質(zhì)樣品的分選系數(shù)均大于1，分選性均較差。細(xì)顆粒沉積物的分選系數(shù)介于1.3～2.3，平均值為1.9，分選性均較差。

從研究區(qū)域表層沉積物分選系數(shù)平面分布看(見(jiàn)圖3-c)：試挖槽南側(cè)和公沙淺灘區(qū)域零星分布分選系數(shù)小于1.5的低值區(qū)，其他區(qū)域分選系數(shù)基本大于1.5，局部大于2.0。

2.4 粘土百分含量分布

研究區(qū)域表層沉積物粘土百分含量介于0.0%～61%。其中砂質(zhì)沉積物的粘土百分含量為0，細(xì)顆粒沉積物的粘土百分含量介于26%～61%，平均值為45.3%。

從研究區(qū)域表層沉積物粘土百分含量平面分布看(見(jiàn)圖3-d)：公沙淺灘區(qū)域零星分布粘土百分含量小于20%的低值區(qū)，其他區(qū)域粘土百分含量基本大于40%，局部大于50%。

3 討論

3.1 沉積動(dòng)力環(huán)境分析

3.1.1 水動(dòng)力泥沙條件

從2017年7月隧道沿線大小潮實(shí)測(cè)流速看(見(jiàn)圖4)，隧道沿線各站漲落潮水流均呈往復(fù)運(yùn)動(dòng)，落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)，落潮流速大于漲潮流速；大潮平均流速為0.3～0.6 m/s，最大流速為0.5～1.0 m/s；小潮平均流速為0.2～0.4 m/s，最大流速為0.4～0.7 m/s。從隧道沿線流速分布看，大潮時(shí)礬石水道流速明顯大于東灘，小潮時(shí)礬石水道和東灘的流速均較小，差別并不大。各站大小潮表層余流方向均為落潮方向，大潮底層余流方向基本為落潮方向，而小潮底層余流方向基本為漲潮方向[9]。

隧道沿線各站漲、落潮平均含沙量，大潮為0.06～0.08 kg/m3，小潮為0.02～0.03 kg/m3，大潮明顯大于小潮，隧道沿線含沙量差異，以東灘較大，礬石水道較小。隧道沿線漲落潮含沙量變化與流速變化關(guān)系密切(見(jiàn)圖5)，最小含沙量多出現(xiàn)在憩流前后時(shí)刻，漲潮最大含沙量多出現(xiàn)在漲急前后時(shí)刻，落潮最大含沙量多出現(xiàn)在落急前后時(shí)刻。伶仃洋為較封閉的河口灣，潮流動(dòng)力是灣內(nèi)水沙輸移和地貌塑造的主要?jiǎng)恿l件。

從伶仃洋北部多年實(shí)測(cè)懸沙粒度資料分析[10]，懸沙的物質(zhì)類型主要為粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂，平均中值粒徑約為0.005 mm，平均粘土百分含量約為56%，懸沙級(jí)配與細(xì)顆粒泥沙級(jí)配比較接近，這顯示懸沙和床面細(xì)顆粒泥沙之間存在明顯交換，床面細(xì)顆粒泥沙在潮流作用下的起懸、再搬運(yùn)對(duì)表層沉積物分布有重要影響。

圖5 2017年7月大潮流速和含沙量過(guò)程線Fig.5 Hydrograph of flow velocity and suspended sediment concentration during spring tide in July of 2017

3.1.2 泥沙來(lái)源

深中通道所在伶仃洋為珠江口最大的河口灣，珠江流域來(lái)沙是伶仃洋的主要泥沙來(lái)源。珠江多年平均徑流量為3 700億m3，多年平均輸沙量約為6 900萬(wàn)t，其中洪季(4～9月)輸沙量占全年的90%以上，進(jìn)入伶仃洋的徑流量和沙量分別占珠江徑流總量和輸沙總量的61%和54.0%[10]。珠江進(jìn)入伶仃洋的泥沙以懸移質(zhì)為主，在徑流和潮流共同作用下在灣內(nèi)深槽和淺灘上堆積，構(gòu)成了伶仃洋以淤泥質(zhì)為主的沉積特性[11]。

就隧道沿線而言，東灘上的公沙淺灘存在不連續(xù)分布的粗顆粒砂質(zhì)沉積物，在礬石水道內(nèi)也零星分布粗顆粒的砂質(zhì)沉積物，其砂質(zhì)含量達(dá)95%以上，與周邊細(xì)顆粒泥沙差異較大。就泥沙來(lái)源而言，伶仃洋東灘上交椅沙、公沙等線狀沙質(zhì)淺灘在地貌上為虎門潮汐通道落潮三角洲的重要組成部分，屬于冰后期海平面上升時(shí)虎門潮汐通道形成發(fā)育演變過(guò)程中形成的線狀沙脊[12]，與目前周邊細(xì)顆粒泥沙差異較大。目前，礬石水道沿線為人工采砂形成的巨型挖沙坑，因此挖沙坑內(nèi)零星分布的砂質(zhì)沉積物有很大可能為挖沙過(guò)程中的殘留物。

圖6 研究區(qū)域表層沉積物運(yùn)移趨勢(shì)Fig.6 Seabed sediment transport trend in the study area

3.2 泥沙輸移趨勢(shì)分析

河口區(qū)域的表層泥沙輸移是河流來(lái)沙、水動(dòng)力條件及人類活動(dòng)等諸多因素長(zhǎng)期或者短期耦合作用的結(jié)果。Gao S & Collins M提出了二維粒徑趨勢(shì)分析模型(GSTA模型)，該模型根據(jù)表層沉積物的平均粒徑(或中值粒徑)、分選系數(shù)和偏態(tài)等3種粒度參數(shù)的變化來(lái)計(jì)算分析表層泥沙輸移趨勢(shì)[13]。研究區(qū)域的表層沉積物輸移趨勢(shì)矢量分布見(jiàn)圖6，圖中箭頭方向僅表示沉積物凈輸運(yùn)方向和粒徑趨勢(shì)的顯著性，不代表矢量長(zhǎng)度并非泥沙輸移速率的大小。

由圖6可以看出，研究區(qū)域的表層沉積物的輸移趨勢(shì)主要呈現(xiàn)以下特征：(1)研究區(qū)域的輸移趨勢(shì)總體上為自北向南，東西方向的輸移趨勢(shì)不明顯；(2)礬石水道自北向南的輸移趨勢(shì)比東灘上略強(qiáng)；(3)東灘隧道軸線以南的局部區(qū)域則有很弱的自南向北的輸移趨勢(shì)；(4)試挖槽周邊灘面沉積物有向槽內(nèi)匯集的趨勢(shì)。

伶仃洋為河口灣，灣內(nèi)主要泥沙來(lái)源為珠江流域來(lái)沙，潮流輸沙是灣內(nèi)水沙輸移的主要形式[14]。在洪季珠江來(lái)水來(lái)沙量較豐富的情況下，伶仃洋灣內(nèi)的泥沙輸移總體上表現(xiàn)為由灣內(nèi)向?yàn)惩猓醋员毕蚰稀Ｉ钪型ǖ牢挥诹尕暄蟊辈浚\石水道為虎門落潮流的主要通道，受虎門下泄水沙的影響較顯著，特別是洪季來(lái)沙較多的影響下，表層沉積物輸移趨勢(shì)總體上表現(xiàn)為自北向南。東灘并非落潮流通道，因此自北向南的輸移趨勢(shì)相對(duì)較弱，且隧道沿線以南存在很弱的自南向北的輸移趨勢(shì)，與公沙水道下段屬漲潮槽、底部漲潮優(yōu)勢(shì)有關(guān)[12]，2017年實(shí)測(cè)余流資料也顯示小潮時(shí)東灘底部余流方向?yàn)闈q潮方向。試挖槽槽內(nèi)懸沙落淤受周邊灘面泥沙再搬運(yùn)的影響，表現(xiàn)出槽外指向槽內(nèi)的輸移趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)深中通道隧道沿線的表層沉積物資料，分析了表層沉積物特征及輸移趨勢(shì)，得出主要結(jié)論如下：

(1)沉積物類型主要為粉砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)粉砂和砂-粉砂-粘土等細(xì)顆粒沉積物，廣泛分布于礬石水道、東灘，其平均中值粒徑約為0.005 mm；公沙及礬石水道零星分布的砂質(zhì)沉積物的平均中值粒徑為0.26 mm。

(2)細(xì)顆粒沉積物的分選差，粘土含量高；少量的砂質(zhì)沉積物的分選程度為分選中等或差，粘土含量均為0。

(3)表層沉積物自北向南的輸移趨勢(shì)較明顯，東西向輸移趨勢(shì)不明顯，河流來(lái)沙和潮流動(dòng)力是泥沙輸移的主要影響因素。