深中通道工程沉管隧道基槽大风过程回淤研究

陈 纯，黄玉新，韩志远，杨 华

(1.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; 2.上海中交水运设计研究有限公司，上海 200092)

深圳至中山跨江通道工程项目总长约24 km，是世界级的“桥、岛、隧、地下互通”集群工程(图1)，北距虎门大桥约30 km，南距港珠澳大桥约38 km。采用桥隧组合，穿越深圳机场支航道与矾石水道处采用海底沉管隧道，隧道总长约7 km，两端分设东西两个人工岛。隧道建设方案将采用沉管工艺，需开挖长度约5.2 km的沉管基槽，如图2所示，挖槽底宽约50 m。两侧设置复合型边坡，自下而上坡率选用从1：3到1：7。基槽最低底标高为-38.186 m(国家85基面)，开挖后最大下挖深度约30 m。

图1 工程位置图Fig.1 Location of the project

图2 基槽开挖纵面图Fig.2 Sketch of the foundation trench excavation

工程海域的水沙环境、水下基槽开挖后基槽的稳定性、管节回填前基槽内回淤情况等，是隧道工程需高度关注的主要问题。有关基槽回淤方面已有不少研究，辛文杰[1]曾利用实测数据对港珠澳大桥沉管隧道试挖槽回淤特征进行分析；曹慧江[2]曾利用二维潮流及泥沙扩散数学模型研究了港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道基槽开挖回淤强度；杨华[3-4]曾论述过港珠澳大桥沉管隧道基槽泥沙回淤总述及创新实践，金文良[5-6]曾对深中通道沉管隧道示挖槽回淤特征进行研究。本文建立二维水动力泥沙数学模型，预测大风过程深中通道工程沉管隧道基槽内的回淤分布。

1 工程海域水文泥沙环境

1.1 径流、洪水与输沙[7-8]

珠江流域地处亚热带气候区，径流量相对丰富，多年平均径流量为3 381亿m3。洪水常发生在6～8月。珠江三角洲泥沙主要来自思贤滘以上的西、北江，并以悬移质泥沙输移为主，近年来，西江马口站多年平均含沙量0.074 kg/m3，多年平均输沙量1 484万t；北江三水站多年平均含沙量0.083 kg/m3，多年平均输沙量441万t；东江博罗站多年平均含沙量0.035 kg/m3，多年平均输沙量78万t。珠江输沙量的年内分配也极不均匀，洪季输沙量约占全年的90%。

1.2 潮汐

潮波自南海北部传入伶仃洋后，潮汐由不正规日潮转为不正规半日潮性质。多年平均潮差为1.2 m，属于弱潮型河口[7]。

1.3 潮流

本海域潮流性质系数大多在0.5～2，潮流以不正规半日潮流为主，具有较为明显的日不等现象。各站M2分潮流的椭圆率|K|显著小于0.25，表现为往复流。涨潮平均流速介于0.14～0.85 m/s，落潮平均流速介于0.23～1.33 m/s。落潮流速大于涨潮流速。深槽水域流速较大，浅滩水域流速较小。

1.4 风况

工程所在区域属亚热带海洋性气候区，年平均风速为2.0～2.6 m/s，深圳风速以冬春季偏大、夏秋季偏小，最大风速为 27.0 m/s(受 7118 号台风影响)；中山风速以春、夏季大，秋、冬季小，最大风速为 25.0 m/s(受 8309 号台风影响)。1949～2012年64 a间，正面袭击深中通道区域或对该区域产生严重影响的热带气旋有 22 个。

1.5 波浪

珠江口及伶仃洋周边海域波浪的形成主要由季风和台风引起。海区内的波浪主要是风浪，涌浪居次。根据位于外伶仃洋的九澳波浪观测站1986～2001年资料统计，该站实测最大有效波高为2.86 m，周期为10.1 s，波向为SE向，出现于1989年7月18日8908号(Gordon)台风期间。深中通道海区位于内伶仃洋水域，波高条件较外伶仃洋海区要小[7]。

1.6 泥沙环境

工程水域悬沙的主要成分为粘土质粉砂和粉砂质粘土。潮段平均含沙量为0.02～0.08 kg/m3。隧道沿线底质泥沙类型以粘土质粉砂和粉砂质粘土等细颗粒泥沙为主，平均中值粒径为0.005 mm[7-8]。根据沉管隧道示挖槽内淤积物分析，槽内回淤泥沙主要来源于上游，以悬沙落淤为主。

1.7 深中通道海床演变特征

伶仃洋的“三滩两槽”大格局已有百年历史，并长期保持基本稳定状态，“三滩”海床演变的速率均很小[7-8]。近年来，伶仃洋北部受西滩和东滩围垦和采沙等影响，使得中滩和中槽地形发生一些改变。目前，深中通道轴线附近及北侧原有的挖沙坑地形处于调整恢复期，地形普遍呈淤积趋势，深中通道岛遂工程所在浅滩深槽及挖沙坑地形格局大体保持基本稳定，挖沙坑及局部浅滩水域地形呈淤积趋势，挖沙坑内淤积幅度较大，浅滩上淤积幅度较小。

2 水动力及泥沙数值模拟

2.1 数学模型理论

2.1.1 二维模型控制方程

本次研究采用的数学模型体系为交通运输部天津水运工程科学研究院自主研发的二、三维耦合水动力泥沙数学模型软件。

二维水动力模型的控制方程形式如下

连续性方程

(1)

动量方程

(2)

(3)

悬沙输运方程

(4)

2.1.2 海床冲淤控制方程

海床演变与泥沙的冲淤密切相关。根据工程区试挖槽内回淤物分析，试挖槽内泥沙淤积以悬沙落淤为主。对于悬沙造成的海床冲淤变化，采用下式计算

(5)

式中：γ0为落淤泥沙干容重；τb为底部切应力；τd为临界沉降切应力；τc为临界起动切应力；α为悬沙落淤率；Me为侵蚀常数。需要说明的是，c(l)为水底底层的悬沙浓度，在二维模型中，该浓度通过Teeter(1986)浓度分布公式确定。

2.1.3 模型计算范围和网格

数模计算网格体系采用无结构三角形与四边形混合网格混合体系，模型计算范围及基槽局部网格见图3。模型的计算范围南北向约200 km，东西向约150 km，包含整个伶仃洋海域和上游的内河水系，外海至50 m水深。陆域岸线东至广东惠州，西至广东阳江。基槽附近网格尺度为10 m。

图3 计算范围及网格Fig.3 Computation range and grid

2.1.4 模型验证

二维水动力数学模型模拟了2016年6月洪季和11月枯季大、中、小潮水文观测过程中的潮位、水流及含沙量变化曲线，部分模型验证过程及验证结果见图4和图5(测点位置见图1)，其余的见参考文献[7]。

图4 流速及含沙量验证Fig.4 Verification of velocity and sediment concentration

图5 试挖槽淤厚计算值与实测值对比Fig.5 Comparison between the measured and calculated strength of trial excavation

泥沙回淤验证采用该项目试挖槽2016年7月和8月的回淤监测资料。7～8月回淤厚度在全年中最大，每月4次监测资料对比显示，7月总淤厚为0.5 m，日平均淤强为3.3 cm/d，8月总淤厚为0.33 m，日平均淤强为2.2 cm/d。数模采用2016年6月洪季大中小潮的水情条件，对示挖槽回淤进行了验证计算。图5为试挖槽淤强计算值与实测值对比，经数模计算月总淤厚为0.5 m，日平均淤强为3.3 cm/d。其中大潮期间日均淤厚为5 cm、中潮日均淤厚2 cm、小潮日均淤厚1 cm。结果表明，本模型基于实测水情采用的计算参数，能较好地复演试挖槽内的泥沙淤积情况，所模拟的泥沙运动变化过程满足验证要求，对模拟基槽开挖后的淤积计算奠定了良好的基础。

2.2 大风过程基槽回淤计算分析

2.2.1 计算水沙条件

6-a 涨急 6-b 落急图6 大风过程涨落急时刻流场Fig.6 Flow field in a strong wind process

大风过程基槽淤积预测水动力条件为大潮过程组合大风过程。大潮过程为2016年6月期间的大潮过程；大风过程选用台风妮坦期间的2016年7月29日～2016年8月3日台风过程。本次台风过程在港珠澳项目有西岛测风站和4个浮标测波站的资料可进行风速和波浪的验证，详见参考文献[7]。“妮妲”台风过境期间，港珠澳西岛气象站实测6级以上大风持续15 h，最大风速达18.5 m/s，SW向。港珠澳附近实测最大有效波高1.88 m，深中通道海域最大有效波高在1.6 m左右。

2.2.2 大风过程基槽回淤模拟

经数学模型模拟计算结果分析，图6为大风过程涨落急时刻基槽附近流场图，图7为大风过后后基槽内的泥沙回淤厚度分布。图8为基槽沿程回淤分布曲线。从中可以看出：

(1)工程海域流态整体保持为往复流特征，落潮大、涨潮小，主流向为SE—NW。在基槽水域，受基槽挖深影响，基槽局部流速减小流向偏转呈归槽引流趋势。

(2)基槽设计底标高有一定的坡度，沿程挖深不同但整体挖深较大，最大下挖深度约30 m，基槽开挖后，大风过程引起的淤积明显。

(3)大风后基槽回淤分布特征为中间大、两头小。其中，峰值位于矾石水道东侧。主要因为中间段为滩面水域原水深较小，约5 m，挖深相对较大。

(4)基槽内淤强最大淤厚为0.78 m，中间段约3 km范围淤强在0.7 m以上，两端淤强在0.2～0.36 m。平均淤强0.58 m。

图7 基槽海域淤积分布Fig.7 Distribution of sediment in the bottom channel 图8 大风过程基槽淤厚分布曲线Fig.8 Distribution curve of the base groove silt in the process of the strong wind process

3 结论

本文在对伶仃洋海域水文泥沙环境进行分析的基础上，采用经验证的潮流泥沙数学模型，选取2016年6月期间实测大潮过程和2016年7月29日～2016年8月3日“妮坦”台风期间的台风过程为计算条件，预测了大风过程深中通道隧道段基槽内的回淤分布。得到以下主要结论：

(1) 工程海域流态整体保持为往复流特征，落潮大、涨潮小，主流向为SE—NW。在基槽水域，受基槽挖深影响，基槽局部流速减小流向偏转呈归槽引流趋势；(2)基槽沿程挖深不同但整体挖深较大，最大下挖深度约30 m，基槽开挖后，大风过程引起的淤积明显；(3)“妮妲”台风过境后，基槽回淤分布特征为中间大、两头小。其中，峰值位于矾石水道东侧，最大淤厚为0.78 m，中间段约3 km范围，淤强在0.7 m以上，两端淤强在0.2～0.36 m。基槽内平均淤强0.58 m。