珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)過江隧道極限沖刷深度研究

劉中峰，劉 達，羅志發(fā)，李 明，陳 暉

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635；3.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣州 510635；4.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣州 510635)

1 概述

隨著粵港澳大灣區(qū)世界級城市群建設的推進，珠三角各地之間互動性不斷增強，高速公路等交通項目大量上馬。珠三角水系發(fā)達，江河交錯，公路跨江情況不可避免。因具有占地小、不影響通航等優(yōu)勢，過江隧道逐漸成為公路跨江的主要形式[1]。在設計過江隧道時，工程河段沖淤情況直接影響隧道工程建設方案，是確定隧道最大埋深的前提。埋深過小，雖可減少投資，但可能到最后隧道頂部出露，嚴重威脅工程安全；埋深過大，雖然工程安全可得以保障，但會增加工程投資及施工難度。因此，通過研究分析河床極限沖刷深度，合理、準確地確定既能保證安全又盡量減小投資的最大埋深，是過江隧道工程設計中必須解決的關鍵問題。眾多學者都針對河床極限沖刷深度問題開展過研究[2-7]，研究手段主要有：河床演變分析、物理模型試驗和數(shù)學模型計算。分析發(fā)現(xiàn)，既有文獻大多采用單一研究手段，通過多種手段對該問題進行綜合研究的情況相對較少。

本文在總結前人研究的基礎上，以南沙明珠灣區(qū)跨江隧道工程為例，在河床演變分析的基礎上，以物理模型試驗為主，并輔以數(shù)學模型計算和經(jīng)驗公式計算兩種手段，對隧道工程河段極限沖刷深度進行了研究。研究結果可為隧道工程埋深設計等提供重要依據(jù)，也可為完善此類問題的研究提供參考。

2 河道概況

擬建隧道工程橫穿上橫瀝水道，該水道全長8.3 km，平均水面寬度約400 m，平均水深6.8 m，是珠三角網(wǎng)河區(qū)的重要通航河道和行洪排澇通道。該區(qū)水系洪水主要來自西江、北江和流溪河，具有明顯的流域特征，洪水來源主要是暴雨。區(qū)域潮汐屬不規(guī)則半日潮，日潮不等現(xiàn)象顯著，潮位過程線表現(xiàn)為漲潮歷時短，落潮歷時長，呈不對稱正弦曲線。受徑流影響，年最高潮位多出現(xiàn)在汛期，尤其是夏季受熱帶氣旋影響引發(fā)的風暴潮，常出現(xiàn)歷史最高潮位，而年最低潮位則出現(xiàn)于枯水期；多年平均潮差在1.20～1.60 m之間，年內(nèi)變化相對較大，年際變化不明顯。根據(jù)已有資料，1999年7月、2001年2月、2008年8月及2012年8月上橫瀝水道中洪水期實測河床泥沙中值粒徑依次為0.140 m、0.155 mm、0.072 mm和0.032 mm，總體上呈現(xiàn)泥沙粒徑細化的趨勢，這是河道比降減小、細顆粒泥沙落淤的表現(xiàn)。

擬建南沙明珠灣區(qū)跨江隧道工程位于上橫瀝水道下游，上距已建鳳凰二橋約1.0 km，下距河口(入?yún)R蕉門水道)約1.5 km，跨江處水面寬度約為350 m(如圖1所示)。

圖1 工程河段河勢及擬建隧道布置示意

3 工程河段近期河床演變特點

收集了工程河段1999年、2013年、2018年和2020年共4個年份的河道地形圖，據(jù)其對比分析了該河段的主要沖淤變化情況：

1)從橫向形態(tài)看，河道主槽橫向位置基本穩(wěn)定，河段平均寬度呈縮窄趨勢，縮窄幅度為10.79～81.21 m；深泓線橫向位置有一定的擺動，但擺幅較小，相對較穩(wěn)定；斷面過水面積有所減小，平均減小幅度約為65 m2。

2)從垂向高程看，該河段整體處于刷深下切狀態(tài)，近20年來平均高程降低1.09 m，深泓高程平均降低1.77 m。

3)從河相系數(shù)看，總體呈減小趨勢，減小幅度為-1.96～-1.16，平均減小1.53，河道河勢相對不穩(wěn)定；從河段容積變化看，1999—2013年、2013—2018年和2018—2020年年均沖淤量分別為14.99×104 m3/a、14.93×104 m3/a和22.93×104 m3/a。

總體而言，工程河段平面形態(tài)較為穩(wěn)定，河道水深有逐年增加趨勢，河道整體呈一定的下切趨勢，但基本處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

4 物理模型

4.1 模型概況

依據(jù)相關技術規(guī)范[8-9]，根據(jù)工程河段地形、水沙特征及試驗場地等條件，建立上橫瀝水道進出口之間約4.9 km河段的正態(tài)模型，模型幾何比尺為1∶80。模型制作分為兩個階段，首先制作定床模型，用于模型率定與工程前的流態(tài)、流速分析；其次將擬定的鋪沙范圍(擬建隧道上下游各1 km范圍)制作成動床，用于極限沖刷試驗(如圖2所示)。

圖2 物理模型布置概化示意

4.2 模型選沙

工程附近區(qū)域的表層河床泥沙以淤泥為主，前述分析顯示河床沙粒徑具有細化的趨勢。結合已有實測資料并偏于安全考慮，本次試驗泥沙中值粒徑取0.04 mm。

根據(jù)以往試驗經(jīng)驗，本次研究選取性能穩(wěn)定，粒徑變化范圍大，且在動床模型中常用的塑料沙作為模型沙。經(jīng)反復計算和配制，并根據(jù)水槽起動流速試驗成果(見表1)，s=1.25 t/m3、d50=0.21 mm的塑料沙在模型水深為0.100～0.188 m(相當于原型水深為8～15 m)時，其起動流速為0.076～0.083 m/s，相應的起動流速比尺為10.20～10.58(平均值為10.27)，與理論流速比尺8.94相近(大于理論流速比尺，偏安全)，滿足起動相似要求。

表1 不同水位下天然砂起動流速

4.3 模型驗證

4.3.1定床模型驗證

采用恒定流對定床模型進行驗證，選定3個典型水文條件作為驗證組次(見表2)，比對依據(jù)選取已經(jīng)實測數(shù)據(jù)率定驗證的數(shù)學模型的相應計算結果。受篇幅限制，本文僅給出驗證結論：從水位看，物理模型的沿程水位和數(shù)模計算水位基本吻合，水位誤差一般在±5 cm以內(nèi)，表明模型和原體的阻力達到較好的相似；由流速分布，除各斷面兩端采樣點的流速相對誤差較大外(其主要原因在于兩種模擬手段對灘地處理有所差別)，其余采樣點物理模型試驗結果與數(shù)模計算結果吻合較好(相對誤差在±10%以內(nèi))，流速大小變化規(guī)律大致相同，基本滿足規(guī)程規(guī)范對流速偏差的精度要求。

表2 模型(驗證)試驗組次

模型率定驗證結果表明，模擬水流的水面線、流速與數(shù)學模型(已經(jīng)實測數(shù)據(jù)驗證)計算結果基本吻合，模擬水流運動滿足了與實際水流特征相似的要求，較好地反映了擬建隧道工程附近水域的水流運動規(guī)律，該模型進一步用于動床極限沖刷試驗是合理的。

4.3.2動床相似性說明

考慮工程河道人類活動較多，人為影響因素較大，地形測量相鄰年份較遠，實測地形資料可用性較差，因此本次動床模型試驗未進行沖刷驗證。動床相似性主要作如下考慮：

1)動床采用規(guī)范公式計算來確定各類比尺。

2)在模型控制上，動床模型與定床驗證試驗水流控制條件相同。

3)合理選擇模型沙，本次試驗進行了模型沙的起動流速水槽試驗，模型選用模型沙的特性與原型沙在起動相似較為一致。

綜上，可認為本次動床模型基本滿足河床變形相似要求[11-12]。

5 河床沖刷深度分析

5.1 試驗水文條件及試驗控制

動床模型試驗研究主要關注的是河道極限沖刷引起河床下切對工程安全的影響，而河道極限沖刷是發(fā)生在最不利的洪潮組合條件下，因此物理模型試驗時應選取不利的洪水水文組合。經(jīng)分析，模型選取上游頻率洪水遭遇下游河口“2005.6”洪水潮型低潮位為最不利的水文組合。據(jù)此，物模試驗組次與驗證試驗組次保持一致，具體見表2所示。

在上述各水文組次下，采用清水動床模型開展極端沖刷試驗。在流量、水位穩(wěn)定后，分別進行沖刷時間為3 h和4 h的動床試驗(模型時間)，觀測到，與沖刷3 h的河床地形相比，沖刷4 h后河床基本無變化。這表明試驗3 h后，河床沖刷已基本穩(wěn)定，因此，選定3 h(約相當于原型27 h)作為此次極限沖刷試驗的控制時間。

5.2 試驗成果

圖3為200 a一遇洪水條件下擬建工程附近河段底流速分布情況?？梢?，該河段最大底流速在1.40 m/s左右。由4.2已知，該河段河床為較易起動的淤泥、粉細砂，起動流速在0.8 m/s左右。故當遭遇試驗工況大洪水時，河道底流速遠大于床沙起動流速，河床將出現(xiàn)一定程度的沖刷，且沖刷幅度隨流量增加而增大。

圖3 底流速分布示意(0.5%)(單位：m/s)

在水流沖刷作用下，床沙出現(xiàn)魚鱗狀沙波，以波峰、波谷高程的均值作為標準，測定了不同組次下的等高線情況(見圖4)?？梢钥闯?，跟初始地形相比，沖刷后河道等高線總體趨勢表現(xiàn)為向兩岸擴散，各等高線向兩岸退縮幅度基本在50 m以內(nèi)；同時，現(xiàn)狀未貫通的-9 m和-10 m等高線都向下游有所延伸，且在0.5%組次均得以上下貫通。

a -9 m等高線

b -10 m等高線圖4 等高線對比示意

圖5為不同試驗工況下深泓線的位置，從圖中可以看出，不論是與初始地形相比，還是各試驗組次之間相比，隧址上下游附近河段深泓位置變化不大，僅局部有一定幅度的擺動，大部分河段的深泓線左右擺幅基本在30 m以內(nèi)。其中，隧址斷面深泓線略向河道左岸側(cè)偏移，最大偏移距離為23 m(P=0.5%)。在隧址下游約350 m處擺幅較大，深泓線由右向左擺動，最大擺幅在50 m左右(P=1%)。

圖5 深泓線位置對比示意

圖6為擬建隧道工程所在斷面沖淤變化情況，表3統(tǒng)計了該斷面沖淤變化特征值。由圖6和表3可以看出，該斷面形態(tài)變化不大，基本保持為“U”型河槽，但斷面主槽出現(xiàn)一定程度的沖刷，且隨著上游來水的增加，沖刷程度越大。P=0.5%組次下，工程所在斷面河床最大沖刷深度為2.97 m，對應河床高程為-5.49 m，距離左岸約49 m；該斷面沖刷后河床最低高程為-11.68 m，對應沖刷深度為1.86 m，距離左岸約221 m。

圖6 擬建工程斷面河床沖淤變化示意

表3 擬建工程斷面沖刷特征值統(tǒng)計 m

5.3 試驗成果合理性分析

為論證物理模型試驗成果的合理性，分別采用數(shù)學模型和經(jīng)驗公式法，在同樣邊界條件下對最大沖刷深度進行了計算。其中，數(shù)學模型為二維潮流懸沙輸運模型，其懸沙輸移方程及河床沖淤變形方程參見文獻[13]；經(jīng)驗公式采用《河道管理范圍內(nèi)建設項目技術規(guī)程》[14]中粘性土河床的河槽一般沖刷公式。

圖7為200 a一遇洪水條件下擬建工程斷面極限沖刷的3種方法研究結果對比。從最大沖深看，數(shù)學模型計算的最大沖深為2.77 m，稍小于物理模型測得的2.97 m，出現(xiàn)位置相差不大；從沖刷后的最低標高看，數(shù)學模型計算結果為-11.59 m，經(jīng)驗公式計算結果為-11.43 m，均略高于物理模型測得的-11.68 m?？傮w看，3種方法得到的沖刷后地形最低標高成果相差不大，表明物理模型試驗成果較為合理且偏于工程安全。

圖7 擬建工程斷面極限沖刷不同方法研究結果對比示意(P=0.5%)

6 結論及建議

1)在河床演變基礎上，以清水動床物理模型試驗為主要手段對南沙明珠灣區(qū)跨江隧道工程所在位置開展了極限沖刷研究，通過模型率定驗證和合理選沙，模型基本滿足規(guī)程規(guī)范要求，可用來模擬工程區(qū)域的水動力及極限沖刷情況。

2)試驗結果表明，發(fā)生試驗洪水時，河道底流速遠大于床沙起動流速，河床將出現(xiàn)一定程度的沖刷，且沖刷幅度隨流量增加而增大，200 a一遇洪水下，隧址所在斷面最大沖刷深度為2.97 m，沖刷后河床最低高程為-11.68 m。

3)將物理模型試驗成果與數(shù)學模型和經(jīng)驗公式的計算成果進行了對比分析，結果顯示3種方法確定的極限沖刷成果較為接近，表明物理模型試驗成果合理可信且偏于安全，可為確定隧道埋深提供參考依據(jù)。

4)需要指出的是，本文試驗主要考慮了床沙中值粒徑這一參數(shù)，并假定粒徑保持不變，忽略了床沙的不均勻組成和沖刷過程中的粒徑變化等。今后工作中，建議加強對工程河段泥沙特性和河床沖淤變化的觀測和資料積累，以便對極限沖刷深度確定這一工程難題進行更深入的研究。