深中通道工程沉管隧道基槽大風過程回淤研究

陳 純，黃玉新，韓志遠，楊 華

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456; 2.上海中交水運設計研究有限公司，上海 200092)

深圳至中山跨江通道工程項目總長約24 km，是世界級的“橋、島、隧、地下互通”集群工程(圖1)，北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km。采用橋隧組合，穿越深圳機場支航道與礬石水道處采用海底沉管隧道，隧道總長約7 km，兩端分設東西兩個人工島。隧道建設方案將采用沉管工藝，需開挖長度約5.2 km的沉管基槽，如圖2所示，挖槽底寬約50 m。兩側設置復合型邊坡，自下而上坡率選用從1：3到1：7。基槽最低底標高為-38.186 m(國家85基面)，開挖后最大下挖深度約30 m。

圖1 工程位置圖Fig.1 Location of the project

圖2 基槽開挖縱面圖Fig.2 Sketch of the foundation trench excavation

工程海域的水沙環(huán)境、水下基槽開挖后基槽的穩(wěn)定性、管節(jié)回填前基槽內回淤情況等，是隧道工程需高度關注的主要問題。有關基槽回淤方面已有不少研究，辛文杰[1]曾利用實測數據對港珠澳大橋沉管隧道試挖槽回淤特征進行分析；曹慧江[2]曾利用二維潮流及泥沙擴散數學模型研究了港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基槽開挖回淤強度；楊華[3-4]曾論述過港珠澳大橋沉管隧道基槽泥沙回淤總述及創(chuàng)新實踐，金文良[5-6]曾對深中通道沉管隧道示挖槽回淤特征進行研究。本文建立二維水動力泥沙數學模型，預測大風過程深中通道工程沉管隧道基槽內的回淤分布。

1 工程海域水文泥沙環(huán)境

1.1 徑流、洪水與輸沙[7-8]

珠江流域地處亞熱帶氣候區(qū)，徑流量相對豐富，多年平均徑流量為3 381億m3。洪水常發(fā)生在6～8月。珠江三角洲泥沙主要來自思賢滘以上的西、北江，并以懸移質泥沙輸移為主，近年來，西江馬口站多年平均含沙量0.074 kg/m3，多年平均輸沙量1 484萬t；北江三水站多年平均含沙量0.083 kg/m3，多年平均輸沙量441萬t；東江博羅站多年平均含沙量0.035 kg/m3，多年平均輸沙量78萬t。珠江輸沙量的年內分配也極不均勻，洪季輸沙量約占全年的90%。

1.2 潮汐

潮波自南海北部傳入伶仃洋后，潮汐由不正規(guī)日潮轉為不正規(guī)半日潮性質。多年平均潮差為1.2 m，屬于弱潮型河口[7]。

1.3 潮流

本海域潮流性質系數大多在0.5～2，潮流以不正規(guī)半日潮流為主，具有較為明顯的日不等現象。各站M2分潮流的橢圓率|K|顯著小于0.25，表現為往復流。漲潮平均流速介于0.14～0.85 m/s，落潮平均流速介于0.23～1.33 m/s。落潮流速大于漲潮流速。深槽水域流速較大，淺灘水域流速較小。

1.4 風況

工程所在區(qū)域屬亞熱帶海洋性氣候區(qū)，年平均風速為2.0～2.6 m/s，深圳風速以冬春季偏大、夏秋季偏小，最大風速為 27.0 m/s(受 7118 號臺風影響)；中山風速以春、夏季大，秋、冬季小，最大風速為 25.0 m/s(受 8309 號臺風影響)。1949～2012年64 a間，正面襲擊深中通道區(qū)域或對該區(qū)域產生嚴重影響的熱帶氣旋有 22 個。

1.5 波浪

珠江口及伶仃洋周邊海域波浪的形成主要由季風和臺風引起。海區(qū)內的波浪主要是風浪，涌浪居次。根據位于外伶仃洋的九澳波浪觀測站1986～2001年資料統(tǒng)計，該站實測最大有效波高為2.86 m，周期為10.1 s，波向為SE向，出現于1989年7月18日8908號(Gordon)臺風期間。深中通道海區(qū)位于內伶仃洋水域，波高條件較外伶仃洋海區(qū)要小[7]。

1.6 泥沙環(huán)境

工程水域懸沙的主要成分為粘土質粉砂和粉砂質粘土。潮段平均含沙量為0.02～0.08 kg/m3。隧道沿線底質泥沙類型以粘土質粉砂和粉砂質粘土等細顆粒泥沙為主，平均中值粒徑為0.005 mm[7-8]。根據沉管隧道示挖槽內淤積物分析，槽內回淤泥沙主要來源于上游，以懸沙落淤為主。

1.7 深中通道海床演變特征

伶仃洋的“三灘兩槽”大格局已有百年歷史，并長期保持基本穩(wěn)定狀態(tài)，“三灘”海床演變的速率均很小[7-8]。近年來，伶仃洋北部受西灘和東灘圍墾和采沙等影響，使得中灘和中槽地形發(fā)生一些改變。目前，深中通道軸線附近及北側原有的挖沙坑地形處于調整恢復期，地形普遍呈淤積趨勢，深中通道島遂工程所在淺灘深槽及挖沙坑地形格局大體保持基本穩(wěn)定，挖沙坑及局部淺灘水域地形呈淤積趨勢，挖沙坑內淤積幅度較大，淺灘上淤積幅度較小。

2 水動力及泥沙數值模擬

2.1 數學模型理論

2.1.1 二維模型控制方程

本次研究采用的數學模型體系為交通運輸部天津水運工程科學研究院自主研發(fā)的二、三維耦合水動力泥沙數學模型軟件。

二維水動力模型的控制方程形式如下

連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

(3)

懸沙輸運方程

(4)

2.1.2 海床沖淤控制方程

海床演變與泥沙的沖淤密切相關。根據工程區(qū)試挖槽內回淤物分析，試挖槽內泥沙淤積以懸沙落淤為主。對于懸沙造成的海床沖淤變化，采用下式計算

(5)

式中：γ0為落淤泥沙干容重；τb為底部切應力；τd為臨界沉降切應力；τc為臨界起動切應力；α為懸沙落淤率；Me為侵蝕常數。需要說明的是，c(l)為水底底層的懸沙濃度，在二維模型中，該濃度通過Teeter(1986)濃度分布公式確定。

2.1.3 模型計算范圍和網格

數模計算網格體系采用無結構三角形與四邊形混合網格混合體系，模型計算范圍及基槽局部網格見圖3。模型的計算范圍南北向約200 km，東西向約150 km，包含整個伶仃洋海域和上游的內河水系，外海至50 m水深。陸域岸線東至廣東惠州，西至廣東陽江。基槽附近網格尺度為10 m。

圖3 計算范圍及網格Fig.3 Computation range and grid

2.1.4 模型驗證

二維水動力數學模型模擬了2016年6月洪季和11月枯季大、中、小潮水文觀測過程中的潮位、水流及含沙量變化曲線，部分模型驗證過程及驗證結果見圖4和圖5(測點位置見圖1)，其余的見參考文獻[7]。

圖4 流速及含沙量驗證Fig.4 Verification of velocity and sediment concentration

圖5 試挖槽淤厚計算值與實測值對比Fig.5 Comparison between the measured and calculated strength of trial excavation

泥沙回淤驗證采用該項目試挖槽2016年7月和8月的回淤監(jiān)測資料。7～8月回淤厚度在全年中最大，每月4次監(jiān)測資料對比顯示，7月總淤厚為0.5 m，日平均淤強為3.3 cm/d，8月總淤厚為0.33 m，日平均淤強為2.2 cm/d。數模采用2016年6月洪季大中小潮的水情條件，對示挖槽回淤進行了驗證計算。圖5為試挖槽淤強計算值與實測值對比，經數模計算月總淤厚為0.5 m，日平均淤強為3.3 cm/d。其中大潮期間日均淤厚為5 cm、中潮日均淤厚2 cm、小潮日均淤厚1 cm。結果表明，本模型基于實測水情采用的計算參數，能較好地復演試挖槽內的泥沙淤積情況，所模擬的泥沙運動變化過程滿足驗證要求，對模擬基槽開挖后的淤積計算奠定了良好的基礎。

2.2 大風過程基槽回淤計算分析

2.2.1 計算水沙條件

6-a 漲急 6-b 落急圖6 大風過程漲落急時刻流場Fig.6 Flow field in a strong wind process

大風過程基槽淤積預測水動力條件為大潮過程組合大風過程。大潮過程為2016年6月期間的大潮過程；大風過程選用臺風妮坦期間的2016年7月29日～2016年8月3日臺風過程。本次臺風過程在港珠澳項目有西島測風站和4個浮標測波站的資料可進行風速和波浪的驗證，詳見參考文獻[7]。“妮妲”臺風過境期間，港珠澳西島氣象站實測6級以上大風持續(xù)15 h，最大風速達18.5 m/s，SW向。港珠澳附近實測最大有效波高1.88 m，深中通道海域最大有效波高在1.6 m左右。

2.2.2 大風過程基槽回淤模擬

經數學模型模擬計算結果分析，圖6為大風過程漲落急時刻基槽附近流場圖，圖7為大風過后后基槽內的泥沙回淤厚度分布。圖8為基槽沿程回淤分布曲線。從中可以看出：

(1)工程海域流態(tài)整體保持為往復流特征，落潮大、漲潮小，主流向為SE—NW。在基槽水域，受基槽挖深影響，基槽局部流速減小流向偏轉呈歸槽引流趨勢。

(2)基槽設計底標高有一定的坡度，沿程挖深不同但整體挖深較大，最大下挖深度約30 m，基槽開挖后，大風過程引起的淤積明顯。

(3)大風后基槽回淤分布特征為中間大、兩頭小。其中，峰值位于礬石水道東側。主要因為中間段為灘面水域原水深較小，約5 m，挖深相對較大。

(4)基槽內淤強最大淤厚為0.78 m，中間段約3 km范圍淤強在0.7 m以上，兩端淤強在0.2～0.36 m。平均淤強0.58 m。

圖7 基槽海域淤積分布Fig.7 Distribution of sediment in the bottom channel 圖8 大風過程基槽淤厚分布曲線Fig.8 Distribution curve of the base groove silt in the process of the strong wind process

3 結論

本文在對伶仃洋海域水文泥沙環(huán)境進行分析的基礎上，采用經驗證的潮流泥沙數學模型，選取2016年6月期間實測大潮過程和2016年7月29日～2016年8月3日“妮坦”臺風期間的臺風過程為計算條件，預測了大風過程深中通道隧道段基槽內的回淤分布。得到以下主要結論：

(1) 工程海域流態(tài)整體保持為往復流特征，落潮大、漲潮小，主流向為SE—NW。在基槽水域，受基槽挖深影響，基槽局部流速減小流向偏轉呈歸槽引流趨勢；(2)基槽沿程挖深不同但整體挖深較大，最大下挖深度約30 m，基槽開挖后，大風過程引起的淤積明顯；(3)“妮妲”臺風過境后，基槽回淤分布特征為中間大、兩頭小。其中，峰值位于礬石水道東側，最大淤厚為0.78 m，中間段約3 km范圍，淤強在0.7 m以上，兩端淤強在0.2～0.36 m。基槽內平均淤強0.58 m。