深中通道试挖槽洪季异常强回淤特征及机理研究

韩志远，李怀远，谢华亮，杨 华

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

深圳至中山跨江通道工程(简称“深中通道”)位于伶仃洋中部，北距虎门大桥约30 km，南距港珠澳大桥约38 km(图1)，是世界级超大的“桥、岛、隧、水下互通”集群工程，主体工程全长约24.0 km，全线采用东隧西桥方案，采用双向八车道的技术标准，设计时速100 km/h。深中通道在伶仃洋东岸通过深圳机场互通立交(东人工岛)与广深沿江高速衔接，以约6.8 km长的沉管隧道下穿东滩、机场支航道及矾石水道，通过西人工岛实现隧桥转换，以桥梁连续跨越矾石浅滩、伶仃水道、西滩和横门东水道，在伶仃洋西岸的马鞍岛登陆。

图1 研究区域位置示意Fig.1 Sketch of study area

深中通道水域靠近珠江入海口门，同时受径流及潮流动力影响，水文泥沙情况复杂，沉管隧道基槽开挖后泥沙回淤不可避免。隧道基槽回淤问题是影响沉管隧道设计与施工的关键问题之一，也是沉管隧道基床能否采用先铺法施工工艺的重要影响因素之一[1-3]。洪季伶仃洋中部水域受珠江上游洪水、台风等极端水文气象条件影响，洪季河口水沙环境更复杂，隧道基槽也会面临更为严重的泥沙回淤问题[4-5]。深中通道试挖槽2016年5月31日竣工后，开展回淤监测，在2016年7月出现了异常强回淤现象[3]，给后续回淤监测及工程方案设计都带来了极大的困扰。因此，分析试挖槽洪季短期强回淤现象的过程及机理具有重要的科研价值，可为深中通道隧道基槽回淤预警预报及基槽防淤减淤措施研究提供基础支撑。本文基于深中通道试挖槽洪季回淤监测资料，在分析试挖槽回淤特征的基础上，结合试挖槽水域的水沙环境分析，对试挖槽洪季异常强回淤过程和回淤机理进行了研究。

1 研究方法

本文选取试挖槽洪季(2016年6～8月)水深测量资料、定点水沙监测资料、回淤盒观测资料、淤泥密度测量资料、底质取样资料。监测期间的珠江径流资料搜集自广东省水文局官方网站。

试挖槽水深数据，首先利用ArcGIS软件进行插值生成5 m×5 m 网格的数字高程模型(DEM)，插值采用Kriging插值方法；然后用网格体积法计算试挖槽分成槽底、边坡等分区(分区范围见图1)的平均水深、平均回淤厚度和回淤强度；最后用GIS软件提取试挖槽4个南北向断面和4个东西向断面的水深数据并绘制断面水深对比图[6]。

试挖槽槽底回淤盒观测周期为15 d，中潮前在槽底自西向东放置4组共12个回淤盒(每组3个)，分别在小潮前、小潮后、中潮后及大潮后分别提取回淤盒，并量测各个回淤盒内回淤泥沙的厚度，取平均值后得到不同潮型期间的回淤数据。

试挖槽定点含沙量监测数据，统计计算底部含沙量逐日平均数据。

底质样品采用激光粒度仪或全自动筛分仪进行粒度分析，样品分类和命名采用谢帕德沉积物三角分类图解法[7]。

2 研究结果

2.1 试挖槽总体回淤特征

2016年6～8月期间，试挖槽各边坡的总淤厚介于0.3～0.8 m(图2-a)，平均淤强在0.4～0.8 cm/d，其中北边坡最大，东边次之，西边坡和南边坡都很小；槽底总淤厚约为2.94 m(图2-a)，平均淤强约为3.3 cm/d，槽底淤强为边坡的4～8倍。

2-a 淤厚 2-b 淤强图2 试挖槽槽底及各边坡累积淤厚Fig.2 Changes of back siltation in the trough

从2016年6～8月各月平均淤强看(图2-b)，北边坡和西边坡以8月最大，东边坡和南边坡以7月最大，8月南边坡有所冲刷；槽底以8月最大、7月次之、6月最小。

从7～8月各时段淤强变化看(图3-a)，7月20～23日期间最大，淤强为16.0 cm/d；7月28日～8月3日期间次之，淤强为11.3 cm/d；8月17～21日和7月15～20日期间也较大，淤强分别为6.8 cm/d和5.2 cm/d；其它时段淤强均在1.0 cm/d 以下。

3-a 水深测量数据 3-b 回淤盒观测数据图3 洪季槽底不同时段淤强变化

试挖槽2016年7月8～23日回淤盒观测结果表明(图3-b)：15 d总淤厚为0.50 m，平均淤强为3.3 cm/d。7月20～23日期间平均淤强为9.0 cm/d，处在大潮时段；7月8～11日和7月15～20日淤强为2.2 cm/d和3.8 cm/d，处在中潮时段；7月11～15日期间淤强为0.4 cm/d，处在小潮时段。由此可见，试挖槽淤积与潮型变化密切相关，大潮期间的淤强远大于中小潮期间。另外，回淤盒观测结果也表明7月20～23日期间出现异常强淤积。

总的来看，洪季试挖槽槽底回淤强度明显大于各个边坡，试挖槽淤积与潮型变化密切相关，大潮期间的淤强远大于中小潮期间；洪季槽底7月和8月的平均淤强较大，且都出现了淤强大于10 cm/d的异常强淤积。

从试挖槽强回淤出现前后时段槽内回淤平面分布看(图4)：

7月15～20日期间(图4-a)，槽底淤积厚度在0.2～0.4 m，且槽底淤厚南北差异不大；各边坡淤厚多在0～0.4 m，以东边坡稍大，而南边坡稍小。

4-a 7月15～20日冲淤分布 4-b 7月20～23日冲淤分布Fig.3 Changes of back siltation in the bottom of the trough

7月20～23日期间(图4-b)，槽底出现异常强淤积，淤积厚度多在0.4～0.8 m，且槽底北部淤厚最大，槽底南部淤厚较小；北边坡-12～-16 m等深线之间出现较明显的冲刷，东边坡局部边坡下部也有一定的冲刷，而西边坡和南边坡的冲淤变化不明显。

7月23～28日期间(图4-c)，槽底淤积不大，淤积厚度在-0.2～0.2 m，槽底北部略有淤积，南部略有冲刷；北边坡和西边坡略有冲刷，冲刷深度多在0～0.2 m，局部冲深大于0.2 m；南边坡和东边坡略有淤积，淤厚在0～0.2 m。

4-c 7月23～28日冲淤分布 4-d 7月28日～8月3日冲淤分布图4 试挖槽局部时段冲淤分布Fig.4 Planar distritubion of scouring and deposition in the trough

7月28日～8月3日期间(图4-d)，试挖槽底部出现异常强淤积，淤积厚度在0.4～1.0 m，淤积主要位于槽底南部，槽底北部淤积较小；北边坡和西边坡整体呈小幅淤积状态，南边坡和东边坡整体冲刷状态，其中东边坡-10～-16 m局部水域冲刷幅度在0.2～1.0 m。

断面地形对比也显示(图5)，7月20～23日(纵断面N1～N4)北边坡-12～-16 m等深线之间出现了较为明显的冲刷，而相应坡脚处出现了明显淤积，边坡冲刷区与坡脚附近槽底淤积部位具有一致性；7月28日～8月3日(横断面W1～W4)东边坡和南边坡局部区域出现了较明显的冲刷。

图5 试挖槽2016年7月下旬至8月初纵断面(N1～N4)和横断面(W1～W4)地形对比Fig.5 Depth comparison of the sections in the trough from late July to early August of 2016

总的来看，异常强回淤出现时段槽内淤积分布与其他时段相比有较明显的差异，除了槽底回淤强度较大外，边坡局部区域也出现了较为明显的冲刷。

2.3 槽内回淤物特征

根据2016年7月回淤盒底质取样结果、2016年8月槽底底质取样结果分析可知(表1)：

表1 试挖槽回淤粒度特征和悬沙粒度特征对比Tab.1 Particle size characteristics of the seabed sediment and the suspended sediment

(1)试挖槽回淤盒回淤物为粘土质粉砂，其中值粒径介于0.005 5～0.008 4 mm，平均值为0.006 4 mm；粘土百分含量介于28.3%～39.2%，平均值为35.2%。

(2)试挖槽槽底回淤物质主要为粘土质粉砂和粉砂质粘土，其中值粒径介于0.004 6～0.008 2 mm，平均值为0.006 6 mm；粘土百分含量介于25.7%～46.5%，平均值为32.2%。

(3)试挖槽周边2016年6月水文测验期间的悬沙物质主要为粘土质粉砂和粉砂质粘土，其中值粒径介于0.003 9～0.007 6 mm，平均值为0.005 9 mm；粘土百分含量介于25.6%～73.4%，平均值为56.4%。

(4)试挖槽槽底2016年6月、8月浮泥(密度在1.05～1.20 kg/L之间)厚度[3]，6月在0.37～0.38 m，8月在0.59～0.98 m。这显示洪季时试挖槽内存在不同厚度的浮泥，8月槽内浮泥厚度明显大于6月。

试挖槽洪季回淤特征表明，槽底回淤物质主要为粘土质粉砂和粉砂质粘土，平均中值粒径约为0.006 5 mm，与悬沙物质基本相当，且槽底存在不同程度的浮泥，这显示了试挖槽回淤形式以悬沙落淤为主的特点。

3 讨论

3.1 水动力条件的影响

试挖槽为浅滩上开挖的局部深坑，涨落潮水流经过试挖槽后，槽内流速会明显降低，同时也会产生不同程度的环流。从试挖槽大潮期间ADCP走航观测结果看[3]，试挖槽水域涨潮主流向基本为NNW—N向，落潮主流向基本为S—SSE向；表层流呈现往复流特征，涨潮平均流速在0.2～0.4 m/s，落潮平均流速在0.4～0.7 m/s；槽底涨、落潮平均流速在0.1～0.2 m/s。试挖槽底部流速小且存在明显的横流是试挖槽内泥沙易于落淤的水动力条件。由此可见，基槽开挖后，槽内会产生横流且槽底流速明显小于边滩流速，为槽内泥沙淤积提供了有利的水动力条件。从槽内泥沙淤积物与悬沙物质及周边海床底质差异不大、均为中值粒径0.006 mm的细颗粒泥沙来看，槽内淤积形式以悬沙落淤为主。

3.2 洪季上游来沙的影响

珠江来沙为试挖槽所在伶仃洋水域的主要泥沙来源，而珠江洪季输沙量占全年的90%以上，因此洪季试挖槽回淤较大主要与洪季珠江上游来沙较大有关[3]。

从洪季6～8月试挖槽月淤强比较来看(图6)，整个试挖槽7、8月分别为6月的1.3和1.4倍，边坡7、8月分别为6月的1.2和1.3倍，槽底7、8月分别为6月的2.3和3.2倍。而珠江7、8月输沙量均约为6月的25%，7、8月输沙量为6月的55%～60%[8]。试挖槽月淤强最大月份(7～8月)并非径流量和输沙量最大月份(6月)，上游来水来沙与试挖槽淤积并没有直接对应的关系。因此，上游来沙量变化并非是槽底7月和8月回淤整体较大的主要原因。

6-a 月均淤强 6-b 珠江输沙量图6 2016年6～9月试挖槽月均淤强及珠江输沙量Fig.6 Monthly changes of siltation intensity of the trough and river sediment load form July to September of 2016

3.3 潮汐变化的影响

从2016年6～8月试挖槽上游1#定点含沙量测站(图1)及同期珠江流量变化可以看出(图6)。

1#站底部多日平均含沙量，6月中上旬、6月下旬至7月上旬分别为0.12 kg/m3和0.08 kg/m3，8月中旬为0.05 kg/m3。从大小潮含沙量差异来看，6月中上旬大潮时为0.15～0.2 kg/m3，小潮时为0.1 kg/m3；6月下旬至7月上旬，大潮时为0.10～0.13 kg/m3，小潮时在0.05 kg/m3左右；8月中旬，大潮时为0.10～0.13 kg/m3，小潮时在0.02 kg/m3左右。试挖槽7～8月出现强回淤时段的含沙量明显小于大洪水影响的6月中上旬时段。

同期珠江流量，6月中上旬为2～4万m3/s，6月下旬至8月为1～2.5万m3/s。因此，6月中上旬试挖槽水域含沙量较大主要与上游大洪水影响有关，导致其大潮和小潮含沙量都明显大于没有大洪水时段。在没有洪水出现时段，试挖槽含沙量呈现大潮—小潮逐渐降低的变化规律，这种变化规律与槽底淤积随大潮—小潮逐渐减小的变化规律一致[3]，这说明在没有大洪水影响条件下，试挖槽淤积变化主要受随潮汐变化的影响。

3.4 极端水文气象条件的影响

从2016年6～8月珠江流量过程来看(图7)，6月流量为1～4万m3/s，在6月13～22日期间出现了流量达3～4万m3/s的大洪水；出现强回淤时段7月下旬和8月初的流量为1.0～1.5万m3/s。因此大洪水并非是槽底7～8月出现异常强回淤的主要原因。同时7月20～23日前后也无台风影响珠江口水域，因此台风也并非7月20～23日出现异常强回淤的主要影响因素。

图7 固定站底部日平均含沙量过程及同期珠江径流量Fig.7 Daily averaged value of bottom SSC at the fixed stations and the river dicharges

2016年8月2日第4号台风“妮妲”过境本区，期间中心最大风力达11级，必将会对试挖槽淤积产生影响。根据台风前后7月28日～8月3日断面地形对比分析(图6，W1～W4断面)，试挖槽北边坡和西边坡整体呈小幅淤积状态，南边坡和东边坡整体冲刷状态，东边坡-10～-16 m水深之间局部水域冲刷幅度在0.2～1.0 m。台风影响期间为中潮向大潮过渡阶段，正常情况下试挖槽淤积会显著大于小潮阶段，再加上槽内北边坡和南边坡泥沙冲刷滑落进入槽底，导致这一时段的试挖槽的淤积也较大。

3.5 局部边坡回淤泥沙滑落的影响

7月20～23日出现异常强回淤时段既无大洪水发生，也无台风影响。从7月20～23日槽内地形冲淤分布看(图4～图5)，试挖槽北边坡-12～-14 m水深之间出现了较为明显的冲刷，而相应坡脚处的淤积厚度大于南边坡坡脚处，这显示槽底回淤泥沙与边坡泥沙冲刷滑落有关。

一般而言，外海新开挖港池航道，在开挖初期试挖槽边坡回淤到一定程度，边坡上新回淤泥沙会随水流或者以浮泥形式进入槽底而增加槽底的回淤。从试挖槽内淤积分布看，各个边坡在6～7月经历了不同程度的回淤，其中以北边坡和东边坡回淤相对较大。由于7月20～23日所处大潮阶段流速大、含沙量高，正常情况下槽底淤积也会比较大，再加上北边坡回淤泥沙局部冲刷滑落进入槽底，从而导致槽底出现异常强淤积现象。

4 结论

根据对深中通道试挖槽洪季异常强回淤时段的回淤过程进行分析，得出主要结论如下：(1)试挖槽槽底在7～8月两个时段出现了淤强均超过10 cm/d的异常强回淤，异常强回淤出现时段均位于大潮前后时段。(2)异常强回淤时段不仅槽底回淤强度大，北边坡和东边坡局部区域冲刷幅度也较大。(3)7月下旬异常强回淤，应主要与大潮期间北边坡泥沙冲刷滑落有关。(4)8月初异常强回淤，应主要与大潮前台风影响过境导致东边坡和南边坡泥沙冲刷滑落有关。