汕头湾海底隧道工程河段最大冲刷深度研究

杨 晨，高胜杰，陈冠名，张铄涵

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635；3.广东省河口水利工程实验室，广东 广州 510635)

桥梁和隧道等过江工程的规划设计，尤为关注所在河段最大冲刷深度，包括河流自然冲刷和工程局部冲刷2种类型。其中，对桥梁工程建设产生的局部冲刷，Sumer等[1]和郭健等[2]对研究进展做过系统总结；Ghodsi等[3]采用模型试验，研究了不同形态的复杂桥墩局部最大冲刷深度。对于隧道工程，其建设和运行基本不干扰河流的水沙运动，自然条件下的最大冲刷深度决定着隧道的合理埋深，也影响工程投资和运营安全。但目前研究成果相对较少，国内外学者主要采取河演分析、数学模型和河工模型试验等方法，研究长江及主要支流[4-8]、黄河[9]、钱塘江[10-13]、珠江流域[14-15]等特定工程河段最大冲刷深度，其中河工模型试验是研究水沙运动和冲淤演变的一项重要方法[16]。本文以汕头湾海底隧道工程为例，采用河工模型试验开展河段冲刷研究，预测了榕江河口隧址河床的最大冲刷深度，为隧道工程的埋深设计提供依据。

1 工程概况

汕头湾海底隧道工程为新建汕尾至汕头铁路下穿汕头湾通道，是构建东南沿海高速铁路通道的重要环节。隧道工程全长9.77 km，设计时速350 km/h，采用单洞双线模式，建设规模见表1。海底段采用矿山法结合盾构法建设，隧道外径14 m。工程主体结构设计使用年限为100年，结构安全等级为一级，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为300年一遇[17]。

表1 汕头湾隧道工程建设规模

图1 汕头湾海底隧道工程附近水系

汕头湾位于汕头市龙湖区与濠江区之间，水面宽1 150～3 300 m，上经礐石与牛田洋连接，纳韩江、榕江之水，下经妈屿岛与南海相通，工程附近水系见图1。工程位于汕头海湾大桥下游，妈屿岛与鹿屿岛之间，工程河段较为顺直，为西北—东南走向。上游苏埃湾水域较宽，主槽居左；下游重新束窄，受妈屿岛阻水束流影响，分为南北两汊，深槽最深处分别约为-26.7、-21.3 m；妈屿岛下游中部为浅滩，主流经南侧深槽向下，在导流防沙堤影响下平顺入海，具体位置见图2。

图2 汕头湾海底隧道工程位置示意

2 工程地质及河床演变分析

2.1 工程地质

从工程附近地质资料可见，工程附近海底表层沉积物以黏土质粉砂为主，表层为全新统三角洲相沉积层淤泥，厚度约为0～10 m；第二层次为粉砂夹淤泥，厚度约为10～15 m；第三层为淤泥质粉质黏土，厚度约0～14 m，局部发育中砂，厚度约0～5 m；局部夹粉质黏土，厚度约0～10 m；最下边为基岩花岗岩。隧道工程主要穿过弱风化花岗岩，隧道与河床面之间主要为全风化强风化花岗岩、粉砂、中砂和以淤泥及淤泥质黏土为主的覆盖层。

2.2 河床演变分析

1972—1988年，妈屿岛西北侧深槽有所淤积，南侧深槽冲刷扩大。1988—2002年，妈屿岛北侧深槽冲刷向上游扩展，南侧深槽有所淤窄。2002—2013年，妈屿岛两侧河道主槽缩窄淤浅。2013—2017年，南侧深槽范围冲刷加大。总体来说，工程河道有冲有淤，变化幅度不大，滩槽分布格局基本稳定。

1988—2002年，工程附近河段深泓线有较大幅度淤高，上游深泓高程变化不大。2002—2013年，上游妈屿岛南侧深槽有较明显的淤积，厚度达3 m，可能与港池的开挖和泥沙的回淤有关，工程位置深泓线略有下切。2013—2017年，上游南侧深槽有较明显的下切，最大幅度达5 m，工程位置深泓变化不大。整体来看，隧址位于工程河道偏深槽的区域，深泓纵向演变有前期淤高、后期下切的特点。

3 模型设计与验证

3.1 模型设计

根据河道情况及水流特性，考虑试验场地限制条件，模拟范围选定工程上游7.3 km至下游5.2 km的河段，其中隧址上游1.5 km至下游1.8 km为动床范围。模型按重力相似准则设计成变态模型，平面比尺πL取350，垂向比尺πh取70，几何变率e=5[18]。定床模型用于模型率定与流态分析，动床模型用于河床冲刷试验，得出最大冲刷深度成果。

动床模型的相似包括水流运动相似和泥沙运动相似[19-20]。本文研究河段冲刷，要求模型的冲刷过程与原形相似，起动相似是模型选沙最重要的原则之一[21]。工程河段悬移质输沙量占输沙总量的绝大部分，模型设计主要考虑悬移质中的床沙质运动相似。考虑到表层河床质主要以淤泥为主，粒径极细，黏性较好，其下部为粉细砂，表层沉积物以黏土质粉砂为主，偏于安全考虑，动床试验选取广泛分布偏易于启动的粉细砂作为研究对象，其中值粒径为0.14 mm。根据常见模型沙物理特性及其沉降、起动来选择[22-23]，经试验比选，选用重率为1.15 t/m3的塑料沙作为模型沙，床沙粒径比尺λd为0.56，基本满足悬浮相似和起动相似。

3.2 模型制作

模型用浆砌红砖作边墙，河道根据2017年4月实测地形充填密实河沙塑造，采用水泥浆护面。水泥砂浆刮制成粗糙面，视率定情况适当密实加糙[24-25]，使之满足水流运动相似。桥梁桥墩、码头工程采用杉木精刨，用石蜡抛光。模型下边界生潮方式采用多口门变频器控制，上边界采用变频调速器调节水泵控制供水量。水位通过固定测针测量，流速由旋桨流速仪测量，冲刷情况采用钢尺和测针测量换算。

3.3 模型验证

考虑到隧址沿线较大冲刷主要由洪水时落潮动力引起的，涨潮水流动力相对影响较小，且落急时刻流速大于涨急时刻流速，故选定3组落急时刻水文测验数据作为验证工况。验证测流断面布设情况见图3，实测与试验数据对比结果见表2。由表2可知，模型模拟的水位、流速与原型基本吻合，模型水流运动同实际水流特征相似，偏差符合规程规范的精度要求[26]，模型设计是合理的，可继续下阶段的试验。

图3 定床模型试验测流断面及流速分布(P=1%)

表2 各组次实测水位、流速与试验值对比结果

4 试验成果分析

4.1 试验水文组次

试验需研究不利水文组合下河床的最大冲刷深度，考虑到工程设计及河道防洪标准，不利水文组次选择300、100、50年一遇洪水遭遇下游河口对应洪水潮型低潮位。上游流量及下游控制水位见表3。

表3 试验水文组次

4.2 工程河段水流运动特性

在P=0.33%、1.00%、2.00%试验工况下，工程河段水流平顺，测流断面布设位置见图3。其中，CS1断面为进口段，断面最大流速较大。CS2断面较宽，右侧宽浅，在低潮位落急时刻边滩局部裸露，主槽居左，流速较大。CS3断面为妈屿岛上游，受妈屿岛阻水影响，最大流速有所减小。经黄厝围沟断面重又束窄，主流方向由河道左侧转向右侧。CS4断面水流分为南北两汊，经妈屿岛与鹿屿岛束流，右侧主槽流速大，中部流速小。之后下游的CS5、CS6、CS7断面最大流速有所减小。不同断面最大流速随着流量的增加均呈增加的趋势，各断面最大流速见表4。

由表4可知，不利水文组合下主槽流速远大于床沙起动流速，河床将出现冲刷。工程附近河段主流居右，相应冲刷部位主要集中在河道中心偏右岸的主槽内。工程下游河段主流逐渐向河道中心过渡，则相应冲刷部位会偏向河道中部。

表4 测流断面最大流速

4.3 动床模型冲刷试验

动床模型试验主要研究河床最大冲刷深度，在300、100、50年一遇不利水文条件下，研究河段整体呈冲刷下切态势，主槽冲刷明显，滩地局部区域微淤，冲刷后局部深泓有所摆动。各试验工况河道冲刷形态具有一定的相似性，洪水频率越小，冲刷幅度越大。本文主要以300年一遇洪水工况下冲刷试验结果进行分析。

4.3.1河床冲淤平面变化

冲刷区域主要位于妈屿岛两侧深槽，深槽等高线总体趋势为向两岸及下游扩展。工程河段主槽居右，主槽刷深的同时微向河道中间偏移。河道中部流速较缓，局部区域略微淤积。在300年一遇水文条件下，右侧主槽-10 m等高线向河心扩张较明显，幅度在40～80 m，左侧深槽-10 m等高线向下游延伸明显，延展长度约1 600 m；两侧深槽-15 m等高线向下游延伸约340 m，右侧主槽-15 m等高线向左岸移动距离约50～110 m；-20 m等高线向河道左侧及下游延伸。试验工况后河段等高线分布见图4。

各试验工况后工程河段主槽居右，与初始地形相比，左侧深槽最低点平面基本重合，仅工程下游局部有一定幅度的摆动，最大摆幅约60 m。隧址处深泓平面变化不大，靠近鹿屿岛洲头隧址上、下游冲刷后深泓趋直，向左岸方向摆动较明显，摆幅最大约170 m，位于隧址深泓点下游300 m。

a)-10 m等高线分布

4.3.2典型断面冲刷分析

选取隧址断面分析冲刷情况，河床冲淤变化结果见图5，断面呈偏“W”型，右侧主槽深泓点略向左侧河道中心移动，左侧主槽冲刷加深。断面形态总体上变化不大，主要表现为主槽冲刷明显，冲刷幅度P=0.33%落急工况最大，P=0.5%、1.0%工况次之。隧址断面冲刷情况统计见表5，在300、100、50年一遇水文组合试验后，断面最低点高程分别为-22.80、-21.50、-19.86 m，相应冲刷深度分别为6.40、5.10、3.56 m，距右岸距离分别约242、242、272 m；最大冲刷深度分别为6.40、5.24、4.10 m，相应河床高程分别为-22.80、-11.24、-10.20 m，距右岸距离分别约为242、112、112 m。

图5 隧址断面河床冲淤变化

表5 隧址断面冲刷情况统计 单位：m

5 结论

以汕头湾海底隧道工程为例，通过河工模型试验研究河段最大冲刷深度，得到的结论如下。

a)模型的几何比尺设计和模型沙选择是适宜的，能够满足水流运动及河床冲刷的相似，可用于进一步模拟工程河段在不利水文条件下的水动力条件和冲刷情况。

b) 隧址断面主槽居右，流速较大，在300、100、50年一遇水文组合条件下最大流速分别可达1.92、1.70、1.57 m/s。主槽流速远大于起动流速，将出现明显冲刷。工程河段冲刷部位主要集中在河道左、右两侧主槽，随着流量的增大，流速有所增大，冲刷幅度也会有所增加。

c)动床冲刷模型试验表明，隧址断面现状深泓点高程为-16.7 m，在300年一遇水文组合条件下，试验后断面最大冲刷深度为6.40 m，最低点高程为-22.80 m，距右岸距离约242 m；100年一遇水文组合条件下，试验后断面最大冲刷深度为5.24 m，最低点高程为-21.50 m，距右岸距离约242 m。隧址断面最大冲深位于右侧主槽，冲刷包络线可为隧道工程设计提供参考及依据。