内河交汇处沉管隧道基槽回淤厚度研究

傅鹤林，董子龙,，洪开荣，安鹏涛，林 锐

(1.中南大学 土木工程学院， 长沙 410075； 2.中国中铁隧道局集团有限公司，广州 510000)

1 研究背景

沉管隧道具有适用性强、施工效率高等特点，被广泛用于大截面过江过河隧道的修建，同时易受高压水威胁[1-2]。隧道标高及平顺度对隧道防水性能影响极大，施工期须严格控制沉管隧道的轴线及标高误差。

受流水动力作用，基槽周边淤泥易导致基槽标高不平整，影响沉管隧道平顺度。Dissanayakea[3]采用数值模拟手段揭示了不同环境参数下冲淤的地形演变规律；Van Rijin等[4]借助试验结果建立了泥沙模型，探讨了潮流对海岸的影响机制；安永宁[5]利用MIKE软件建立了龙口湾附近海域的水沙模型，并分析了其适用性；王建军等[6]建立了受潮汐影响的二维水沙模型，分析了各工况下冲淤情况；闻云呈等[7]在挟沙公式、悬沙交换模式的基础上建立了三沙河段非均质二维水沙模型，分析了长江口一期整治后水动力及冲淤情况，并对治理效果进行了评估；曹影峰等[8-9]依托深中通道沉管隧道工程，研究了挖槽回於随时间及空间的变化规律；贺少辉等[10]采用水槽模型试验和理论分析相结合的方式，研究了沉管沉放过程中，水流流态变化对基槽边坡稳定性的影响；肖明清[11]结合理论计算和试验成果，对南京长江沉管隧道的基槽稳定性进行了评价；辛文杰等[12]通过监测数据，分析了洪水和台风对挖槽回淤的不同影响。

以上研究为沉管隧道基槽回淤分析与治理提供了指导，但主要针对单一河流，鲜有考虑两河交汇处基槽回淤工况。基于此，依托广州如意坊隧道，考虑实际施工情况，构建对应的数值计算模型，并与实际监测值对比，揭示交汇处基槽回淤规律，探究内河交汇处基槽淤积厚度沿河断面的分布规律，分析内河交汇时基槽淤积对沉管隧道管线平顺度及标高控制的影响，以期为类似工程提供相应的参考。

2 工程简介

广州如意坊放射线系统工程位于广州市荔湾区，北起内环路如意坊立交，经如意坊隧道过江后与芳村大道相接。主线全长2 394.8 m，由主线隧道、连接线及如意坊立交组成。如意坊隧道主线全长1 511 m，岸上段893 m，沉管段618 m。河段径流来源主要有流溪河、白坭水以及洪水期北江由芦苞水闸和西南水闸，白坭水多年平均流量为45.8 m3/s，流速为0.3～1.5 m/s，流溪河多年平均流量为87.7 m3/s，流速为0.4～1.7 m/s。河流交汇处水流降低，水流挟沙力下降，易产生回旋现象。而基槽的开挖使得河流断面突然增大，进一步降低了河流流速，悬移质难以排出。潮汐作用下，淡水与咸水混合，悬移质易产生凝絮，在基槽底部出现浑浊带，在低浮动力条件下易出骤淤。因此，受长期潮汐影响，基槽内易回淤，基床存在淤泥将导致沉管段沉降无法控制，发生重大漏水风险。

沉管所处地层为淤泥及砂层，为防止基槽底部回淤，基槽开挖坡度据地质情况取1∶1～1∶5，沉管管段基槽开挖设两级平台，沉管基槽断面如图1所示。

图1 沉管基槽断面Fig.1 Sectional view of the foundation trench of immersed tube tunnel

3 三维水动力控制方程

受流域内航道影响，基槽需分期分段开挖，施工周期长。受长期河流冲刷及潮汐影响，基槽内易回淤，存在重大漏水风险。

3.1 基本控制方程

如意坊沉管隧道工程所在流域中，河道水平宽度远大于竖向深度，将三维问题简化为二维平面问题，流体连续性微分方程表达式为

(1)

水平面x与y向动量微分方程计算式分别为

(2)

(3)

3.2 泥沙运输模型

3.2.1 输沙方程计算

联立式(1)—式(3)，解得输沙方程计算式为

(4)

3.2.2 河床变形方程

河床变形原因有2种，第1种为推移质引起变形，第2种为悬移质引起变形。将2种变形因素合并，得二维河床变形方程计算表达式为

(5)

式中：ρs为河床沙干密度；zbg、zbs分别为推移质和悬移质引起的河床高度变化；αs为恢复饱和系数；ω为泥沙沉降速度；β为实测率定系数；c为单位水体含沙量；c*为水流挟沙力；gbx、gby分别为x、y方向推移质单宽输沙率。

3.2.3 水流挟沙力

水流挟沙力是水流悬移质中可携带的最大含沙量，据此可判别河床状态。目前广泛使用的是张瑞瑾[13]的二维挟沙力，计算式为

(6)

4 数值计算模型

MIKE 21在二维数值模拟方面具有强大功能，可广泛应用于河流、湖泊、河口和海岸水流及泥沙的仿真模拟。MKE 21基于矩形网格，不考虑水的垂向分层[14]。HD模块是MIKE 21的核心模块，为环境模拟和泥沙传输提供了水动力学基础。同时，它具有无碍性、高效性、便携性、广泛性、兼容性和灵活性及公认性的优点。

4.1 计算模型

考虑交汇处流域内流场的变化，以及进出口边界的影响，选取以广州大坦沙尾为中心，白坭水道下游分支白沙河和沙贝海为入口边界，西河道为出口边界的计算流域。入口边界距河流交汇处1.03 km。出口边界距交汇处1.17 km。采用河底高程数据作为地形资料建立原始地形图。在MIKE软件中将地形图概化处理，生成河底地形，并设置边界，方便网格划分及后续计算，概化后计算模型如图2所示。

图2 概化计算模型Fig.2 Generalized diagram of calculation model

由于模型涉及流域尺度相对较小，因而采取较高的网格密度。最小网格精度为10 m，整体模型网格数量约9 500个，使用非结构化三角网格离散计算域。

4.2 计算参数

沉管隧道基槽开挖施工近11个月，需计算涵盖枯季及洪季的水沙特性。模拟数据结合中交广州水运工程设计研究院提供的工程设计勘察资料及珠江水利委员会水文局和广东水文局联测资料，如表1所示。

表1 参数取值Table 1 Parameter values

计算模型的模拟时间按基槽计划工期的起止时间进行。模型上游入口边界采用流量边界条件，模型下游出口边界采用水位边界条件。计算时将入口流量数据及出口水位数据编辑成序列文件导入MIKE模型中。为研究拟建隧道基槽所在流域的冲淤情况，以输入为含沙量为边界条件。广州珠江水系推移质输沙率占比较低，不足15%，本次模拟主要考虑悬移质的影响。据设计资料，拟建隧道工程所在河道内泥沙颗粒较小，级配集中，选用悬移质中值粒径为0.014 mm，床沙中值粒径为0.018 mm。

4.3 模型适用性对比

为验证计算结果的合理性，选取基槽中线所在断面及上下游共4个断面进行监测，于各断面深泓线处布置测点，对比2015年11月的拟建工程流域内的流速、流向、水位及含沙量实测资料进行相关验证。水文验证断面及测点布置如图3所示。

图3 水文测点布置Fig.3 Layout of hydrological survey points

选取各监测断面枯季大小潮水位时程曲线进行对比验证，如图4所示。

图4 水位验证结果Fig.4 Verification result of water level

由各断面验证结果可知，水位曲线相位差为0.6 h，最高潮与最低潮水位偏差为10 cm，模型计算水位与实测水位吻合状况良好。

5 计算结果分析

5.1 计算工况

前文已进行了拟建隧道工程所在区域的二维水沙计算模型的建立和验证。现利用所建模型计算基槽施工区域的冲淤结果。如意坊沉管隧道基槽开挖分三阶段，具体阶段施工内容如表2所示，各阶段基槽竣挖工况示意图如图5所示。

表2 各阶段施工内容Table 2 Construction content at each stage

图5 基槽浚挖工况Fig.5 Working conditions of foundation trench dredging

5.2 施工第一阶段模拟结果

基槽施工第一阶段将完成河流交汇处中心部分的开挖，基槽将经历约120 d的洪季冲淤。基槽开挖影响了流域内的流场分布，使交汇区流场变得更加复杂。河道横断面突然扩大，令河流流速骤降，导致河流挟沙力下降，势必造成泥沙沉降淤积。

第一阶段基槽开挖两次冲淤模拟结果如图6所示。基槽第一阶段施工成槽后45 d，出现较明显的淤积现象。南北两侧底脚淤积厚度约3 cm，基槽底中部淤积厚度为1.3 cm左右，呈现出从底脚向中部淤积厚度逐渐减小的趋势。边坡上也略有淤积，淤积厚度随高程升高而降低。

图6 第一阶段45 d淤积结果和91 d成槽结果Fig.6 Simulation result of siltation 45 days and 91 days after the first stage of trench formation

北侧边坡及底脚的淤积趋势明显大于南侧，这是由于北侧为来流方向。水流进入基槽后开始降速，泥沙在北侧坡上逐步沉降。而到达南侧边坡后高程抬升，流速增加，泥沙沉降效果减弱，甚至在南侧坡顶出现局部冲刷现象。

基槽第一阶段成槽91 d后，淤积现象越发明显，淤积面积也逐步增加。依然以底脚部位淤积最为明显，厚度约为5 cm，基底中部淤积厚度约为1.8 cm。在此期间两侧侧边坡的淤积厚度增加明显，达到1.5 cm左右，但仍呈现北侧大于南侧的趋势。

5.3 施工第二阶段模拟结果

基槽施工第二阶段将完成两岸部分的开挖，此阶段内基槽将经历约120 d的枯季冲淤。与第一阶段不同的是，第二阶段的基槽还将影响近岸流域内的流场变化。第二阶段基槽开挖两次冲淤模拟结果如图7所示。

图7 第二阶段60 d淤积结果和120 d成槽结果Fig.7 Simulation result of siltation 60 days and 120 days after the second stage of trench formation

基槽第二阶段成槽60 d后，河流交汇处基槽已成槽120 d。此时一期基槽的回淤量持续增大，边坡淤积厚度为1.7 cm左右，基底淤积厚度约3 cm，底脚淤积厚度达6.5 cm。二期基槽回淤现象较弱，西侧基槽基底淤积约为1.5 cm，边坡淤积约为0.8 cm。而右侧基槽整体回淤量较小，淤积厚度约0.7 cm。

进入枯季河流含沙量降低，整体表现为水丰沙少，这也是交汇基槽回淤强度降低的主要原因。两岸基槽较浅，且原始地貌下河流流速低，流量小，因而回淤强度更不及交汇处。

第二阶段基槽成槽120 d后，三段基槽的淤积厚度均稍有增加。一期基槽基总体表现出北侧淤积大于南侧，同时回淤分布越来越广。最大回淤厚度出现在基底，达7.5 cm，且在基底范围内淤积分布逐渐均匀。南北两侧边坡淤积厚度也增加到3 cm。东西侧两段基槽淤积厚度分别达到2.3 cm和1.5 cm，回淤缓慢。

5.4 施工第三阶段模拟结果

第三阶段将挖出剩余泥沙，完成沉管基槽的贯通。本阶段历时90 d，河流从枯季进入洪季。第三阶段基槽开挖两次冲淤模拟结果如图8所示。

图8 第三阶段31 d淤积结果和90 d成槽结果Fig.8 Simulation result of siltation 31 days and 90 days after the third stage trench formation

新开挖的部位迅速出现回淤，淤积厚度达到2 cm，这与前期开挖的基槽已经形成一定厚度的淤积有关。交汇处基槽淤积厚度缓慢增加，最大处达8 cm，东西两段基槽最大淤积厚度约3 cm。

此阶段河流由枯季转为洪季，含沙量逐渐增加，因而淤积强度开始提升。基槽整体回淤也有相当程度上的增加。

基槽淤积厚度整体呈现中间大两端小，北侧大南侧小。从坡顶到底脚，回淤厚度逐渐递增，且坡顶回淤现象比底部弱得多。在淤积现象最严重的交汇区基槽，大部分区域淤积厚度超过了10 cm，最厚处出现在基底，达到了近12 cm。东西两段基槽也有近5 cm的淤积。回淤均值为10 cm左右，并且淤积影响范围较大,有蔓延出基槽的趋势。

绘制基槽底部中部淤积厚度各阶段演化曲线，如图9所示。

图9 基槽底部淤积厚度演化曲线Fig.9 Evolution curve of siltation thickness at thebottom of foundation trench

图9表明基槽底部淤积厚度不断增加，施工第一阶段厚度微弱增加，第二及第三阶段基槽底部淤积厚度剧烈增大，对后期管线平顺度及标高控制将产生较大影响，须采取适宜措施进行控制。

6 结 论

(1)根据拟建工程水文资料建立了数值分析模型，并结合实地勘测资料进行模型参数率定和验证，检验了所构建模型的适用性。

(2)计算模型结果显示在内河交汇处基槽淤积厚度整体呈现中间大两端小、北侧大南侧小的特点。

(3)回淤随空间分布差异明显，基槽底脚淤积显著，且坡顶淤积厚度明显小于坡底；回淤随时间变化大，基槽竣挖前期迅速淤积，随后回淤强度逐渐减弱。

(4)沉管隧道基槽全部成槽后，基槽大部分区域回淤超过了10 cm，对后期管线平顺度及标高控制将产生较大影响，须采取适宜措施进行控制。