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(cè)設置復合型邊坡，自下而上坡率選用從1：3到1：7?；圩畹偷讟烁邽?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(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)學模型，預測大風過程深中通道工程沉管隧道基槽內(nèi)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(zhì)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(nèi)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(zhuǎn)為不正規(guī)半日潮性質(zhì)。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(zhì)系數(shù)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(xiàn)象。各站M2分潮流的橢圓率|K|顯著小于0.25，表現(xiàn)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?qū)賮啛釒ШＱ笮詺夂騾^(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?qū)υ搮^(qū)域產(chǎn)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(nèi)的波浪主要是風浪，涌浪居次。根據(jù)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(xiàn)于1989年7月18日8908號(Gordon)臺風期間。深中通道海區(qū)位于內(nèi)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(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土。潮段平均含沙量為0.02～0.08 kg/m3。隧道沿線底質(zhì)泥沙類型以粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土等細顆粒泥沙為主，平均中值粒徑為0.005 mm[7-8]。根據(jù)沉管隧道示挖槽內(nèi)淤積物分析，槽內(nèi)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(cè)原有的挖沙坑地形處于調(diào)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(nèi)淤積幅度較大，淺灘上淤積幅度較小。

2 水動力及泥沙數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學模型理論

2.1.1 二維模型控制方程

本次研究采用的數(shù)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(shù)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(jù)工程區(qū)試挖槽內(nèi)回淤物分析，試挖槽內(nèi)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(shù)。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(wǎng)格

數(shù)模計算網(wǎng)格體系采用無結構三角形與四邊形混合網(wǎng)格混合體系，模型計算范圍及基槽局部網(wǎng)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(nèi)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?；鄹浇W(wǎng)格尺度為10 m。

圖3 計算范圍及網(wǎng)格Fig.3 Computation range and grid

2.1.4 模型驗證

二維水動力數(shù)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(shù)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(jīng)數(shù)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(shù)，能較好地復演試挖槽內(nèi)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(jīng)數(shù)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(nèi)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(zhuǎn)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(cè)。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(nèi)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(jīng)驗證的潮流泥沙數(shù)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(nèi)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(zhuǎn)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(cè)，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(nèi)平均淤強0.58 m。