徐六泾深槽稳定性对中俄东线天然气管道长江盾构隧道的影响分析

杨 阳,李文斌,孙思瑞,魏 猛,黄卫东

(1.长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局,湖北 武汉 430010; 2.国家石油天然气管网集团有限公司 西气东输分公司,上海 200122; 3.长江科学院 河流研究所,湖北 武汉 430010)

0 引 言

中俄东线天然气管道工程(简称“中俄东线”)是构筑中国东北油气战略通道的重要工程,有利于促进中国天然气进口气源多元化,保障中国天然气供应安全,其中长江盾构隧道是中俄东线的控制性工程。中俄东线在苏通大桥下游约6 km处以盾构隧道的形式穿越长江口徐六泾节点河段。两岸工作井之间隧道水平投影长度约为10.23 km,设计隧道外径为7.6 m,穿江隧道顶部最低点设计高程为-60.20 m(1 985国家高程基准,下同)[1]。

徐六泾节点河段河床演变复杂,影响因素众多,且穿越断面位于徐六泾深槽槽尾处,其河床演变规律、尤其是徐六泾深槽的稳定性是工程设计关注的重点之一。为此,本文在参考以往相关研究的基础上重点分析徐六泾深槽近期演变特性和深槽稳定性的影响因素,并通过物理模型试验预测徐六泾深槽的演变趋势,进一步分析徐六泾深槽稳定性对长江盾构隧道的影响,为工程设计提供参考依据。

1 河道概况

中俄东线长江盾构隧道位于长江口徐六泾节点河段,河势见图1。徐六泾节点河段起于徐六泾、止于白茆河口,上接通州沙汊道段,下接白茆沙汊道段,全长约15 km。河段进口河宽约5.7 km,往下逐渐放宽,白茆河口附近约7.5 km,河道南、北两岸分别有白茆小沙和新通海沙,均为水下暗沙,中间为徐六泾深槽。徐六泾节点段进口处主流偏南岸,过白茆小沙后北偏进入白茆沙汊道段,在白茆沙头分流进入白茆沙南、北汊道,且自1958年来南汊一直为主汊[2-3]。

注:使用1985国家高程基准。图1 徐六泾节点河段河势

徐六泾节点河段河势变化多年来主要受围垦、护岸工程等人类活动影响,近几十年从水流分散、洲滩密布的河势格局演变至河宽束窄、水流集中归顺的节点河段,目前总体河势得到初步控制,滩槽格局基本稳定[4-5]。

2 徐六泾深槽近期演变特性分析

2.1 平面变化

2001～2019年间6个测次徐六泾节点河段徐六泾深槽-20,-40,-50,-60 m特征值统计见表1,特征等高线见图2。

表1 徐六泾深槽特征值统计

中俄东线长江盾构隧道断面位于徐六泾深槽-20 m 槽尾处,2001～2018年间,-20 m槽尾呈逐年下挫的趋势。由表1特征值统计可知,-20 m槽槽尾2001～2018年累计下挫约1.82 km,与隧道断面的距离从上游0.36 km下挫至下游1.46 km;2019年较2018年深槽槽尾稍有上提,上提约150 m。-40 m槽主要位于苏通大桥桥位断面上游,且主要受狼山沙东水道主流线摆动的影响,深槽头部年际间变幅较大,有逐年上提的趋势,槽尾位置相对稳定,下距苏通大桥桥位断面420～780 m。苏通大桥建成后(2005年8月主桥桥墩建成),-40 m槽发展至苏通大桥桥位下游,桥位下游-40 m槽上边缘距离苏通大桥约850 m,分为上下两部分,且2006～2019年间位置相对稳定。由表1特征值统计可知,桥位下游-40 m槽大小有逐年增大的趋势,槽尾与中俄东线长江盾构隧道间的距离为3.05～3.31 km。

2006年后苏通大桥下游开始出现-50 m槽(槽1),距离苏通大桥桥址断面约1.2 km,面积约0.012 km2;至2016年,槽1下移约200 m,面积增加至0.046 km2;2018年,槽1面积增加至0.16 km2,且在槽1下游约1.8 km处形成一个新的-50 m槽(槽2),面积约0.045 km2,槽尾距拟建工程断面约3.1 km。由表1特征值统计可知,-50 m槽与中俄东线长江盾构隧道断面距离逐渐减小,2001～2018年共下移4.96 km,平均下移速率275 m/a。2019年,-50 m槽的槽1面积减小至0.15 km2,槽2面积进一步增大为0.065 km2。2016年后苏通大桥下游开始出现-60 m槽,面积约0.008 km2,槽尾距中俄东线长江盾构隧道断面约4.85 km;2018年面积增大至0.040 km2,槽尾距中俄东线长江盾构隧道断面约4.78 km。

2.2 纵剖面变化

图3给出了徐六泾节点河段1998～2018年深泓纵剖面变化情况,表2给出了1998～2019年徐六泾深槽纵剖面特征值统计情况。由图表可知,徐六泾深槽深泓纵剖面年际间变幅较大,且20 a来有较显著的冲刷下切趋势,最深点高程由1998年的-41.0 m下切至2019年的-62.9 m,下降约21.9 m,平均下降速率为1.04 m/a,2016～2019年间,深槽有显著下移。中俄东线长江盾构隧道穿越断面所在的白茆河口附近深泓纵剖面年际间较为稳定,且有冲有淤,上下变幅在7 m左右。

图3 徐六泾节点河段深泓纵剖面变化

表2 徐六泾深槽纵剖面特征值统计

2.3 工程断面冲淤变化

中俄东线长江盾构隧道断面1978～2018年间10个测次的实测断面线见图4。隧道由左至右依次穿越了新江海河河口、徐六泾深槽槽尾、白茆小沙沙尾、白茆河口,总体呈“W”形。断面冲淤变化可分2个阶段:① 1992年前为“剧烈冲淤”阶段,断面深槽显著冲深且向右岸发展,深槽由偏“V”形演变为“U”形,断面深泓显著右移;② 1992年后为“缓慢冲淤”阶段,断面总体形态基本保持不变,深泓点在河道中心线附近摆动且略有下切,断面局部有冲有淤。断面最深点高程变化范围为-24.17～-15.67 m,断面最深点横向变幅2 196 m左右;河演包络线最深点高程为-24.17 m,出现在1998年11月测次。

图4 中俄东线长江盾构隧道断面冲淤变化

3 深槽稳定性影响因素分析

3.1 来水来沙条件

2003年三峡水库蓄水后,长江中下游河段径流量变化不大,但输沙量明显减少。2003～2018年,长江下游大通水文站年均径流量为8 597亿m3,年均悬移质年输沙量为1.34亿t,与1950～2002年多年平均值相比分别减少了5.0%和68.6%。

河床的冲淤变化主要是水流的不平衡输沙造成的,含沙量是反映来水来沙条件对河床冲淤作用的一个重要指标:同一河段,较大的含沙量有利于河床淤积,较小的含沙量有利于河床冲刷。图5是大通水文站三峡蓄水前后多年平均含沙量的变化情况,从图中可以反映出三峡蓄水后长江口河段汛期水流含沙量大幅的减小,来水来沙条件的变化使河段具有冲刷的倾向,是徐六泾节点河段近期总体呈冲刷趋势的原因。

图5 大通站多年平均含沙量变化过程

3.2 整治工程建设

近年来,长江南京以下12.5 m深水航道整治工程、新通海沙围垦工程等使得徐六泾节点河段及上、下游河道岸线及主要洲滩大部分得以稳定。随着今后河道及航道整治工程的继续实施以及沿江岸线的开发利用,将进一步限制河道横向演变的空间,现有的滩槽格局将维持较长时间基本不变,徐六泾节点河段整体河势将进一步向稳定的方向发展。

3.3 河床组成

中俄东线长江盾构隧道穿越断面附近河床表层主要为淤泥质土和粉土,根据2019年11月隧道断面附近3个断面共9个取样点的床沙颗分成果,样本粒径范围为0.009～0.150 mm,中值粒径d50=0.102 mm,采用张瑞瑾起动流速公式[6]计算床沙样本d50在水深为10～50 m下的起动流速,得到床沙起动流速范围为0.48～1.04 m/s。

根据2019年11月(枯季)隧道断面实测流速,断面垂线平均流速范围为0.53～0.90 m/s,根据水动力模型试验研究成果[7],隧道断面徐六泾深槽区域落潮平均流速一般在0.8～2.5 m/s,基本均大于床沙起动流速。由此可知隧道断面附近河床泥沙在现有水流条件下易起动。

3.4 苏通大桥建设

根据前文分析可知,苏通大桥桥位下游-40 m槽出现于苏通大桥建成后,上边缘距离苏通大桥约850 m,且2006～2018年间位置相对稳定,说明苏通大桥建设引起了桥位下游出现局部冲刷。

2006年后苏通大桥下游开始出现-50 m槽(槽1),距离苏通大桥桥址断面约1.2 km; 2018年槽1面积进一步增大且下游约1.8 km处形成一个新的-50 m槽(槽2)。根据相关研究成果[8],苏通大桥建设对河道地形影响范围约为桥址上、下游1.5 km以内。槽1距桥址断面约1.2 km且正对苏通大桥主墩,2006年后该局部冲刷坑位置较为固定,面积略有增大,初步判断其形成与苏通大桥建设有关。槽2距桥址断面约3.2 km,从形成时间和位置来看,槽2的形成与苏通大桥关系不大。

3.5 大洪水作用

大洪水对河道河床造床能力强,河床局部冲刷强度和幅度均较大,甚至可能引起河势发生较大的变化。2016,2017年长江下游连续发生较大洪水,其中2016年大通站实测最大流量70 700 m3/s,日均流量大于45 000 m3/s(河段平滩流量)的时间达到120 d,为1998年以来的首位,2017年来水也相对偏丰,大通站实测最大流量也达到70 600 m3/s。2018年拟建工程线位上游出现-50 m槽可能与此相关。

3.6 小 结

综合以上分析认为,三峡水库蓄水运行后的不饱和输沙是徐六泾节点河段冲刷的趋势性原因;多年来整治工程的实施限制了河道演变的横向发展,稳定了河段的滩槽格局,使得冲刷以冲槽为主;河段水动力泥沙条件复杂且床沙易起动,且主要受大洪水作用及人类活动的影响,河床易形成相当规模的局部冲刷坑。

4 物理模型试验

4.1 模型概况

物理模型试验模拟范围上起狼山沙尾、下至白茆沙头部,干流全长约18 km,对长江口北支进行了适当简化,其中动床部分模拟范围上起常浒河口、下至白茆沙洲头。模型平面比尺λl=400,垂直比尺λh=120,模型变率η=3.33。模型布置见图6,本文对模型的制作、验证不做详细介绍。

图6 物理模型现场实景(下游视角)

4.2 试验条件

4.2.1 起始地形条件

徐六泾节点河段滩槽格局趋于稳定,近期实测地形基本能反映目前及未来一定时期内的整体河势情况,根据掌握资料的情况,采用2018年11月实测河道地形成果作为动床模型试验初始地形。

4.2.2 进口水沙过程

三峡水库蓄水以来,徐六泾节点河段以冲刷下切为主,大水小沙的进口水沙条件对徐六泾深槽稳定更为不利。选取大通水文站1998年实测流量过程作为典型流量过程,并按洪峰流量放大法得到100 a一遇典型年和300 a一遇典型年2个试验典型年的进口流量过程;含沙量过程采用大通水文站1990～2016年流量-输沙量关系曲线的下包线进行确定。

选取系列组合水文年进口水沙条件应考虑三峡蓄水运行的影响,2009～2018年实际水沙过程涵盖了三峡水库175 m蓄水以来长江口河段径流量最大的年份(2016年)、输沙量最小的年份(2011年),且包含了中水中沙、中水小沙、小水小沙3种不同的典型年份,可以代表三峡水库运行以来河口段的系列年水沙过程。

4.2.3 下边界控制条件

下边界潮位过程考虑了最高潮差和月份分布的影响,在各典型年内选取了不同时段(洪、中、枯期)的大、中、小潮作为试验的代表潮型。

4.3 试验结果分析

图7为徐六泾深槽特征等高线平面变化,模型试验结果如下:

图7 徐六泾深槽特征等高线平面变化(模型预测)

(1) 工程河段河床冲淤交替,总体以冲刷为主。在“2009～2018年+300 a一遇水文年”试验条件下,试验河段总体冲刷量为7 747万m3,平均冲刷深度为1.93 m,最低点高程由-67.3 m降为-74.8 m,滩槽格局及河段深泓平面位置未发生显著改变。

(2) 徐六泾深槽以冲刷且向下游发展为主,其中-30 m槽槽尾向下游延伸,并发展至中俄东线长江盾构隧道断面下游,苏通大桥下游两个-40 m槽冲刷贯通。在“2009～2018年+300 a一遇水文年”试验条件下,-40 m槽贯通为长3 205 m、宽550 m的长条形深槽,槽尾向下游延伸约122 m,与中俄东线长江盾构隧道断面距离约2.8 km,且在隧道断面上游约230 m处出现一个面积约0.09 km2的局部冲刷坑(最深高程-42.7 m);苏通大桥下游2个-50 m槽位置变化不大,面积有所增加,向下游发展幅度在300 m 以内,存在冲刷贯通的可能性;-60 m 槽变化不大。

(3) 中俄东线长江盾构隧道断面主要表现为主槽展宽、下切以及右侧边滩和白茆小沙尾部的冲刷。在“2009～2018年+300 a一遇水文年”试验条件下,隧道断面深泓附近河床下切约18.3 m,断面最深点达到-39.5 m,最深点摆幅约232 m。

5 深槽稳定性对隧道工程影响

5.1 演变趋势分析

徐六泾节点河段在经历了较长时期的自然演变和一系列的人类活动后,河段边界基本稳定,现有滩槽格局将维持较长时间不变,具备建设过江隧道的宏观河势条件,但实测资料分析表明徐六泾深槽近期有冲刷下切及下移的变化趋势。

三峡水库蓄水运行以来,长江河口段的不饱和输沙是徐六泾节点河段近期冲刷的趋势性原因。徐六泾节点上下游河段多年来整治工程的逐步实施稳定了河段的滩槽格局,限制了河道演变的横向发展,河道冲刷将以冲槽为主,徐六泾深槽未来一定时期内都将持续冲刷下切。中俄东线长江盾构隧道断面附近床沙在现有水流条件下易起动,主要受大洪水作用及人类活动的影响,河床易形成相当规模的局部冲刷坑。

物理模型试验研究表明,在现状边界条件下考虑不利水沙条件,徐六泾深槽未来以冲刷下切和向下游发展为主,其中-20,-30,-40 m槽下移发展明显,-50,-60 m槽位置基本不变、面积有所增加,且河床可能会出现新的局部冲刷坑。

5.2 隧道埋深符合性分析

GB 50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》6.1.6节规定,“水域盾构、顶管法隧道上部所需覆土层的最小厚度,应根据工程地质、水文地质条件、设备类型因素决定,应大于2.0倍隧道直径,且低于设计冲刷线以下1.5倍隧道直径”。 中俄东线长江盾构隧道设计外径为7.6 m,计算得2.0倍隧道直径为15.2 m,1.5倍隧道直径为11.4 m。根据设计文件,在新江海河港池水域隧顶最小埋深为21.37 m(>15.2 m),在白茆河口附近水域隧顶最小埋深为16.9 m(>15.2 m),在长江主槽水域范围内隧顶距河演+模型试验综合包络线大于11.4 m,满足设计规范的要求。

隧道穿越断面附近河床有形成局部冲刷坑的条件,根据物理模型试验成果,穿越断面上游230 m处形成1个新的局部冲刷坑,最深高程为-42.7 m,且有向下游冲刷发展的可能,隧道设计最深点隧顶高程按-60.2 m控制是必要的,考虑徐六泾深槽冲刷发展的可能性,目前的设计方案隧道埋深基本合理。

6 结 论

(1) 徐六泾节点河段在经历了较长时期的自然演变和一系列的人类活动后,滩槽格局、河道边界条件及总体河势趋于稳定,具备建设过江隧道的宏观河势条件。

(2) 徐六泾节点河段总体呈冲刷趋势,并以冲槽为主,且徐六泾深槽存在进一步冲刷下切及下移的趋势。

(3) 三峡水库蓄水运行后的不饱和输沙是徐六泾节点河段冲刷的趋势性原因;多年来整治工程的实施了限制河道演变的横向发展,稳定了河段的滩槽格局,使得冲刷以冲槽为主;河段水动力泥沙条件复杂且床沙易起动,且主要受大洪水作用及人类活动的影响,河床易形成相当规模的局部冲刷坑。

(4) 物理模型试验研究表明,未来徐六泾深槽将以冲刷且向下游发展为主,在系列年+300 a一遇典型年试验条件下,-30 m深槽将发展至中俄东线长江盾构隧道断面,隧道断面最深点达-39.5 m,且在隧道断面上游约230 m处形成一个最深高程-42.7 m的局部冲刷坑。

(5) 考虑徐六泾深槽冲刷发展的可能性,隧道设计最深点隧顶高程按-60.2 m控制基本合理。