重慶長(zhǎng)江隧道河床演變及沖刷預(yù)測(cè)*

孫凱旋，高亞軍，李國(guó)斌，尚倩倩，許 慧，施 凌

(1.南京水利科學(xué)研究院,港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

過(guò)江隧道隧址斷面河床沖刷深度是工程規(guī)劃建設(shè)的重要參數(shù)。受水沙條件和水庫(kù)運(yùn)行綜合作用的影響，三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)沖淤變化復(fù)雜，因此在此河段修建過(guò)江隧道工程，需要合理分析河床演變規(guī)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(nèi)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(guò)水?dāng)嗝娌粩喟l(fā)展變化。對(duì)于第一類沖刷，Sumer等[1]對(duì)此做過(guò)系統(tǒng)總結(jié)；伍冬領(lǐng)等[2]用模型延伸法對(duì)錢江四橋橋墩局部最大沖深進(jìn)行較合理的研究。對(duì)于第二類沖刷，國(guó)內(nèi)外的研究不多，且研究主要集中在砂質(zhì)河段。史英標(biāo)等[3]建立錢塘江河口平面二維動(dòng)床數(shù)值模擬和動(dòng)床物理模型，但對(duì)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(huán)境；岳紅艷等[4]對(duì)武漢漢江過(guò)江隧道隧址斷面所在河床的最大沖深進(jìn)行研究，但漢江河段內(nèi)河床表層覆蓋層主要為砂質(zhì)。目前關(guān)于重慶長(zhǎng)江隧道段的河床沖刷深度的研究尚未見報(bào)道，因此開展重慶長(zhǎng)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(zhǎng)江隧道工程為背景，結(jié)合三峽變動(dòng)回水區(qū)工程河段近期河床演變規(guī)律，對(duì)過(guò)江隧道所在砂卵石河段的沖刷深度進(jìn)行計(jì)算研究，取得了較合理的預(yù)測(cè)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(qū)。長(zhǎng)期以來(lái)受沿線交通條件制約，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)滯后，重慶—黔江鐵路的建設(shè)擴(kuò)大了沿線地區(qū)高鐵覆蓋面，有利于充分發(fā)揮重慶市市區(qū)對(duì)渝東南地區(qū)的引領(lǐng)、帶動(dòng)作用，對(duì)促進(jìn)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

擬建隧道工程位于重慶主城區(qū)河段的豬兒磧水道。主城區(qū)河段位于三峽變動(dòng)回水區(qū)上段長(zhǎng)江與嘉陵江兩江匯流處，在平面上呈連續(xù)彎曲的形態(tài)，全長(zhǎng)約60 km。豬兒磧河段是重慶主城區(qū)河段的一個(gè)淺灘段，位于重慶海棠溪彎頂處，河段長(zhǎng) 3.5 km，河段上游有連續(xù)急彎，河段下游距長(zhǎng)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(qū)河段控制水文站包括長(zhǎng)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(gè)水文站均具有長(zhǎng)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(lái)水條件

變動(dòng)回水區(qū)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(jī)性，無(wú)趨勢(shì)性變化；與蓄水前相比，三峽蓄水后長(zhǎng)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(dòng)回水區(qū)主要控制站各時(shí)段徑流量變化

1.2.2來(lái)沙條件

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

圖3 變動(dòng)回水區(qū)干支流主要控制站年輸沙量變化

2)推移質(zhì)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(zhì)推移質(zhì)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(zhì)和沙質(zhì)推移質(zhì)歷年推移量變化見圖4。

圖4 寸灘站礫卵石推移質(zhì)和沙質(zhì)推移質(zhì)歷年變化

1.3 三峽水庫(kù)調(diào)度

三峽水庫(kù)采用蓄清排渾的調(diào)度方式。水庫(kù)運(yùn)行也影響著變動(dòng)回水區(qū)河床演變，受回水影響，汛末轉(zhuǎn)為庫(kù)區(qū)河段，隨壩前水位消落在次年汛初逐漸轉(zhuǎn)成天然河道。庫(kù)區(qū)回水作用將壅高主城河段下游尾水，產(chǎn)生累積性淤積并向上游拓展[5-6]。三峽工程初設(shè)階段計(jì)劃的運(yùn)行方式為：水庫(kù)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(diǎn)

2.1 變動(dòng)回水區(qū)總體沖淤情況

變動(dòng)回水區(qū)河段汛期呈天然河道特性,枯水期則呈水路特性，兩種狀態(tài)交替出現(xiàn)，演變復(fù)雜[7-8]。三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)整體呈淤積狀態(tài)。由于水庫(kù)淤積，下泄沙量減少，出庫(kù)泥沙顆粒細(xì)化。受三峽水庫(kù)運(yùn)行調(diào)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(dòng)回水區(qū)沙卵石河床呈沖刷狀態(tài)[9]。三峽庫(kù)區(qū)河床沖淤情況見表1。

表1 三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)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(qū)河段岸線總體變化不大。20世紀(jì)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(nèi)推，主城區(qū)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(qū)河段深泓線平面走向僅少數(shù)過(guò)渡段年略有擺動(dòng)，大多數(shù)年份基本保持穩(wěn)定。

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

圖5 重慶主城區(qū)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(kù)試驗(yàn)性蓄水前，豬兒磧水道年內(nèi)沖淤變化呈現(xiàn)汛期淤積、汛末至汛后沖刷狀態(tài)，河段總體表現(xiàn)為沖刷，累計(jì)沖刷量為67.7萬(wàn)m3。豬兒磧水道年際間有沖有淤，沖淤變化不明顯；年內(nèi)沖淤過(guò)程主要表現(xiàn)為三峽水庫(kù)消落期沖刷、三峽水庫(kù)汛期沖刷和三峽水庫(kù)蓄水期輕微沖刷，總體呈沖刷態(tài)勢(shì)。三峽水庫(kù)175 m試驗(yàn)性蓄水后豬兒磧水道年際間沖淤情況見表2(2009、2010年數(shù)據(jù)不全，故未列出)。

表2 三峽水庫(kù)175 m試驗(yàn)性蓄水后豬兒磧河段年內(nèi)沖淤情況

2.3 隧道軸線斷面河床演變分析

2007—2018年過(guò)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(diǎn)略有微沖，軸線斷面最深點(diǎn)高程在156.1～157.0 m；2011—2018年，兩岸岸線穩(wěn)定，河床沖淤變化不大，最深點(diǎn)有沖有淤。年際間最深點(diǎn)沖淤變幅較小，多年變幅在1.0 m以內(nèi)，最深點(diǎn)總體趨于微淤狀態(tài)。 隧道軸線斷面位置歷年最深點(diǎn)高程見表3。

表3 隧道軸線斷面位置歷年最深點(diǎn)高程

3 沖刷深度計(jì)算

3.1 沖刷計(jì)算公式

本工程位于長(zhǎng)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(jìn)行計(jì)算對(duì)比。

3.1.1“64-1”修正式

“64-1”修正式是根據(jù)沖止流速原理建立的，公式為：

(1)

(2)

式中：B為平灘水位時(shí)的河槽寬度(m)；H為平灘水位時(shí)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(jì)算條件

3.2.1沖刷計(jì)算斷面的選取

為了使工程區(qū)河床沖刷計(jì)算合理，在過(guò)江隧道斷面選取3條與水流正交河床斷面進(jìn)行河床沖刷計(jì)算。沖刷計(jì)算斷面位置見圖6。

圖6 沖刷計(jì)算斷面位置

3.2.2計(jì)算參數(shù)

特大過(guò)江橋梁及隧道工程河床沖刷計(jì)算水文條件采用300 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)[10]。擬建隧道工程位于長(zhǎng)江與嘉陵江交匯的上游，因此選用朱沱站水文資料。采用實(shí)測(cè)洪水資料系列，加入歷史上特大洪水進(jìn)行頻率分析計(jì)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(shè)安全合理性出發(fā)，依據(jù)中值粒徑分布情況及一般取值規(guī)律[11]，選用 91 mm 作為該河段的計(jì)算粒徑。計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 河床沖刷計(jì)算參數(shù)取值

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)計(jì)算兩個(gè)計(jì)算斷面位置在300 a一遇洪水情況下河床斷面沖刷結(jié)果見表5。

表5 河床沖刷計(jì)算結(jié)果

“64-1”修正式適用于山區(qū)穩(wěn)定及平原次穩(wěn)定地區(qū)，有底沙運(yùn)動(dòng)條件下的非黏性土河床的一般沖刷計(jì)算，計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果偏小；謝鑒衡公式是局部沖刷理論推導(dǎo)公式結(jié)合河道水流特點(diǎn)和各種土質(zhì)河床的允許流速實(shí)測(cè)資料加以整理得出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式[12]。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，Lacey公式的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較小，計(jì)算斷面1位置“64-1”修正式和謝鑒衡公式計(jì)算結(jié)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(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等組成，巖性較簡(jiǎn)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(nèi)洲灘較多，粒徑大于10 mm的卵石含量在80%以上。根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)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(jù)過(guò)江隧道斷面河床演變分析近十幾年自然演變情況下過(guò)江斷面包絡(luò)線最深點(diǎn)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(diǎn)高程151.3 m，沖刷深度為4.8 m；過(guò)江隧道斷面300 a一遇洪水沖刷預(yù)測(cè)線見圖7。

圖7 過(guò)江隧道斷面300 a一遇洪水沖刷預(yù)測(cè)線

4 結(jié)論

1)考慮重慶主城區(qū)河段上游水沙條件及水庫(kù)運(yùn)行的影響，工程河段多年來(lái)河勢(shì)總體保持穩(wěn)定，岸線變化不明顯。豬兒磧水道年際間沖淤變化不大；年內(nèi)沖淤過(guò)程主要表現(xiàn)為三峽水庫(kù)消落期沖刷、三峽水庫(kù)汛期淤積和三峽水庫(kù)蓄水期沖刷，總體呈沖刷態(tài)勢(shì)，過(guò)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(duì)過(guò)江隧道河道斷面進(jìn)行300 a一遇設(shè)計(jì)流量條件下的河床斷面洪水沖刷深度計(jì)算。計(jì)算得到過(guò)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(yù)測(cè)最深點(diǎn)高程151.3 m。