南渡江过江隧道河段极限冲刷深度预测

蓝霄峰，张金明，郑国贤

（珠江水利科学研究院，广州 510611）

0 前言

过江隧道工程具有占地少、不影响河道正常通航等特点，近年来广受重视，在进行越江隧道的设计和修建中，隧道的埋深往往是影响隧道建设的关键因素，不同埋深对合理选取施工组织方式、掘进速度等极为重要[1]。埋深小，可一定程度上减少投资，但一旦河床冲刷较大，出现隧道上方覆土层厚度小于设计标准或使隧道顶部出露，则工程运营安全将受到严重威胁，同时河床、堤岸稳定也受到威胁；埋深过大，工程安全可得以保障，工程投资及施工难度会增加[2]。

目前国内外河道极限冲刷这类研究较少，近年来，史英标等[3-4]人对钱塘江河口过江隧道河段极端洪水条件下的冲刷深度开展了深入研究，取得了较好的成果，但研究主要针对河道受洪潮共同作用，底、悬泥沙粒径差异不大，河底表层覆盖层为粉质黏土层情况；张为等[5]对长江下游南京河段过江隧道最大冲刷深度采用数学模型进行了研究，主要考虑三峡水库的影响，基于河床覆盖层为床沙质和冲泻质。杨芳等[6]对珠江三角洲东平水道河段最大冲刷进行相关研究，基于感潮河道特性及全风化泥层。吴门伍等[7]对内河邕江最大冲刷进行相关研究，基于典型内河特性及河床覆盖层为圆砾层。南渡江是我国唯一的一条大型热带河流，其水文等自然条件与我国其他大型河流存在较大差异，河口更是经常受到风暴潮的影响，河道坡降平缓，沙洲、小丘及浅滩较多，河床覆盖层以粗砂为主，目前尚未见报道相关研究工作，因此有必要对南渡江河口处穿越南渡江隧道河段进行极限冲刷深度预测，为过江隧道的合理埋设提供科学依据。

1 工程概况

1.1 河道概况

海口市凤翔东路越江通道项目横跨南渡江，连接江西主城和江东新区，主城区接线为现状主干路凤翔东路，江东接线为规划四号路，距离上游海瑞大桥1400 m，距离下游琼州大桥2200 m，为东西向城市主干道。

南渡江是海南省第一大河流。发源于白沙县南峰山，流经白沙县、儋州市、琼中市、屯昌县、澄迈县、定安县和海口市，于海口市三联村向北流入琼州海峡。干流全长333.8 km，落差703 m，平均坡降0.72‰。多年平均流量219 m3/s[8]。

松涛水库坝址以上为南渡江上游，河长137 km，为中低山地区，河谷狭窄，坡降大，急滩多，两岸地形陡峻，高程都在500 m 以上，最高点鹦歌岭1812 m。松涛水库坝址以下至九龙滩为南渡江中游，河长83 km，属低山丘陵，南高北低，一般山顶高程200～500 m，最高点黎母岭1411 m，山间谷沟发育，河道迂回弯曲，两岸坡陡。九龙滩以下为南渡江下游，河长114 km，属丘陵台地及滨海平原三角洲，地势南高北低，河道宽阔，坡降平缓，沙洲、小丘及浅滩较多，两岸是平坦的台地，大部分为农田，其中潭口以下为河口段，最下游的梯级龙塘大坝离河口26 km。

1.2 水文特征

南渡江为山区性河流，流域内径流由降雨形成，由于流域上中下游地理位置和气候特性不同，造成径流在时间和空间分布上差异较大。汛期（5～10月）径流量集中，占全年总径流量的70%以上，夏秋台风暴雨时，常出现潮水倒灌现象，时有洪潮灾害。据龙塘站水文资料统计：实测最大年平均流量296 m3/s，径流量93.3亿m3（1973年）；实测最小年平均流量74.5 m3/s，径流量23.5 亿m3（2004 年）；实测多年平均流量182 m3/s，径流量57.4亿m3（1955—2014年系列）；实测最小流量1.40 m3/s（1976年）；实测最大流量9300 m3/s（2000年）。

1.3 泥沙特征

南渡江具有丰水少沙特点，据龙塘水文站统计，多年平均径流量为66.81×10 m3，平均输沙量为53.12×104t。流域水沙主要来源于南渡江干流和龙州河[9]。南渡江径流和输沙主要集中在汛期，季节分配不均，其中汛期径流量占到全年的80%左右，输沙量占全年的90%左右，汛期河流携带大量泥沙入海[10]。根据龙塘水文站悬移质泥沙观测资料统计（见表1），1959年松涛水库建成后，平均含沙量呈减小趋势，悬移输沙量明显减少。南渡江河口不具备“夏储冬输”的泥沙特征，而是具有台风季节特征，河口水体含沙量近岸大于离岸，底层大于表层，洪季含沙量明显高于枯季[11]。南渡江泥沙变化特点使得隧址河段极限冲刷深度研究变得非常必要。

表1 龙塘水文站悬移质含沙量和输沙量变化

1.4 河床边界条件

南渡江下游流域地貌特征属河流冲积阶地与玄武岩剥蚀台地地貌，地形总体趋势南高北低。南渡江下游段向北汇入琼州海峡，在入海口处形成现代河口。河道大致自南渡江大桥后加入开阔的一级阶地三角洲平原区，其上游为玄武岩喷出岩剥蚀二级阶地，高程5～10 m，二级阶地表面普遍履盖了几米厚的红色全风化黏土，地形略有起伏。河道河漫滩及江心洲发育完整。河床及河漫滩表面为现代河砂沉积，东岸土堤大部分座落于河漫滩松软沉积层上。

工程地勘资料显示，河床表层粗砂，厚度为4.2～9.5 m，平均厚度为5.8 m，泥沙粒径为1.0～0.5 mm；第二层为粉质黏土，厚度为15.0～17.0 m，平均厚度为16.4 m，泥沙粒径为0.03～0.05 mm；第三层为砾砂，厚度为4.5～5.6 m，平均厚度为5.0 m，泥沙粒径为1～2 mm；第四层为粉质黏土，泥沙粒径为0.04～0.05 mm。隧道穿越的土层为第二、三、四层。从河道河床覆盖层来看，其泥沙粒径及构成相对于其他大型河流河口河床的有明显不同。

2 河床演变

工程区处于南渡江河口段，属低阶地和平原区，河床充填砂砾质沉积物，江心洲和浅滩发育。根据历史遥感图影响显示，河口段左、右岸堤防未建之前，南渡江出龙塘峡谷后，洪水一经出槽便似放射状漫流入海，自然状况下南渡江河口段具游荡性河流的特点，主槽常有偏移，历史上河流改道时有发生。

（1）河床冲淤变化。隧址河段冲淤变化如图1所示。2008—2011年，整体上隧址河段呈现槽冲滩淤的态势，工程上下游有几处冲刷深度达数米，其中工程下游左岸局部冲刷达4 m，工程下游司马坡岛左汊总体呈淤积态势，右汊呈冲刷趋势；2011—2018 年，工程下游司马坡岛左汊继续呈淤积态势，右汊轻微冲刷，“左支右干”态势更加明显；2018—2021 年，隧址河段总体呈现缓慢回淤的态势，冲刷坑基本消失，工程下游司马坡岛左汊边滩淤积明显，右汊也有轻微淤积。总体来看，隧址河段呈“槽冲滩淤”的态势。

图1 隧址河段2008—2021年冲淤变化图

（2）深泓线高程变化（见图2）。由图2可见，隧址河段近13年来深泓线有抬升亦有下切，整体以下切为主。2008—2011 年，深泓线整体明显下切，最大下切幅度约1.3 m，平均下切幅度约0.9 m；2011—2018 年，深泓线有抬升也有下切，最大下切幅度约为2.6 m，最大抬升幅度约为0.5 m，整体下切约为0.6 m；2018—2021年，深泓线有抬升也有下切，最大下切幅度约为0.1 m，最大抬升幅度约为0.6 m，整体抬升约为0.3 m。

图2 隧址河段沿程深泓线高程变化图

（3）隧址断面高程变化（见图3）。由图3可见，2008—2011 年，左支主槽明显出现冲刷，最大冲刷深度约为4.1 m，右汊主槽整体也呈略冲刷形态，平均冲刷深度约0.4 m；2011—2018年，左支主槽略微淤积，最大淤积幅度约为0.3 m，右汊主槽出现很大冲刷，最大冲刷深度约为3.4 m；2018—2021 年，断面略微回淤。

图3 隧址断面多年地形变化图

由于隧址河段近年来呈“槽冲滩淤”的态势，深泓下切幅度很大，隧址断面也出现冲刷深度很大现象，因此进行隧址河段的极限冲刷试验研究是非常必要的。

3 物理模型设计及验证

3.1 模型设计

过江隧道工程位于河流分汊段，为确保水流相似，物理模型上、下游边界须选取河道顺直段。根据研究内容和相关规范，考虑到工程河段的水流特性、河道地形等因素，选定物理模型（见图4）模拟范围为距离工程位置上、下游各约3 km 原型；动床模拟范围为隧址轴线上下游各0.8 km 的河道。根据研究问题的特点确定模型为变态模型，模型平面比尺λl为180，垂直比尺λh为100，相应的变率η为1.8，这样可以减轻因变率偏大引起的泥沙运动相似性偏离之程度，同时经计算亦可满足避免表面张力影响的要求。根据相似原理可得相应的模型流量比尺λ0为180 000，流速比尺λv为18，糙率比尺λn为1.61。

图4 物理模型示意图

根据试验任务及要求，试验按最不利因素考虑河床的极限冲刷，因此，模型试验不考虑悬移质泥沙运动，而只考虑泥沙推移质运动。通过对多种不同模型沙起动流速进行分析比较，确定选用中值粒径为0.3 mm，容重为1.15 t/m3的塑料沙作为模型沙。通过水槽起动试验测得，该模型沙在水深5～10 cm时（相当原型5～10 m）的起动流速为5.0～7.0 cm/s，与试验所需起动流速基本一致，基本满足研究的起动相似要求。按文献[12]设计模型的有关相似条件。

3.2 清水定床模型验证及动床相似性分析

物理模型对清水定床和浑水动床两方面进行验证。清水定床试验采用数值模拟计算结果[13]，100年一遇洪峰流量对模型进行水动力相似验证，试验布共设了11个流速流向测点和5个水位测点，测点位置见图5，验证结果见表2 和表3，验证结果符合规范要求[14]。动床模型试验主要采用规范公式计算来确定各类比尺，试验主要从以下两方面考虑：①在模型控制上，动床模型与定床验证试验水流控制条件相同；②合理选择模型沙，本次试验进行了模型沙的起动流速水槽试验，模型选用模型沙的特性与原型沙在起动相似较为一致。因此，河道冲淤变形的精度满足河工模型试验规程的要求，为过江隧道河段的动床冲刷试验奠定了可靠基础。

图5 验证点位置示意图

表2 模型流速验证成果

表3 模型水位验证成果m

4 隧址河段极限冲刷深度预测

4.1 边界条件

根据项目水文测验及分析计算成果[13]可知，河口感潮河段水位受洪潮共同影响，但河口分汊段以下河段百年一遇洪水位普遍高于百年一遇风暴潮位，即使洪水与天文潮遭遇，河口段仍由洪水控制。风暴潮发生在前，洪峰出现在后，河口段洪峰总滞后于风暴潮1～2 d，当洪峰到达海口时，此时风暴潮亦消失，因此，龙塘最高洪峰水位与风暴潮水位遭遇的机率极小。南渡江区域洪水主要由暴雨形成，洪水发生时间与暴雨一致，而天文大潮持续时间长，洪水遭遇外海低潮位的几率较大。结合隧道工程防洪标准按100年一遇设计，300年一遇校核，本次物理模型试验上游水文边界选取50 年（10 500 m3/s）、100年（11 800 m3/s）和300年一遇典型频率洪水（13 500 m3/s）遭遇河口多年平均低水位进行河床冲刷试验分析。

4.2 极限冲刷深度预测

隧址河段水流流态见图6～8，隧址河段河床冲刷形态见图9～11。

图6 隧址河段水流流态（P=2%）

图7 隧址河段水流流态（P=1%）

图8 隧址河段水流流态（P=0.33%）

图9 隧址河段河床冲刷形态（P=2%）

图10 隧址河段河床冲刷形态（P=1%）

图11 隧址河段河床冲刷形态（P=0.33%）

（1）隧址上游断面冲刷。隧址上游河床冲刷主要发生于主槽内，两侧高边滩高程基本没有变化，主槽平均冲刷深度在2.52～3.01 m之间，最大冲刷深度在3.93～4.43 m 之间，最深点高程在-6.6～-7.2 m之间，断面最深点向下游有增大趋势。

（2）隧址断面冲刷。两侧高边滩地形变化较小，主槽河床整体下切，平均冲刷深度2.58 m；河床最大冲刷深度位置出现在主槽左侧，最大冲刷深度约3.91 m，冲刷深度后河床高程为-6.80 m。断面最深点河床冲刷深度约3.06 m，冲刷后最深点高程至-7.90 m。

（3）隧址下游断面冲刷。隧址下游750 m范围内，河床冲刷主要发生在司马坡岛的两侧，这主要受司马坡岛分流、堤防硬边界以及紊乱的水流综合影响，主槽平均冲刷深度在1.98～3.38 m 之间，最大冲刷深度在2.97～5.25 m之间，最深点高程在-8.4 m左右，断面最深点向下游有增大趋势。

5 结语

洪潮及台风作用下的南渡江河口河床冲淤幅度较大，在此该河段埋设隧道，极端洪水情况下极限冲刷深度是设计关键的参数之一。本文通过河演分析和物理模型试验多学科研究手段对过江隧道河段极限冲刷深度进行预测。结果表明：在不同水文年条件下工程引起的河床冲淤变化，隧址段河床冲刷主要发生在现状主槽内及司马坡岛的两岸附近，河道等高线总体趋势表现为向两侧推进，主槽宽度加大；受司马坡岛分流、堤防硬边界以及紊乱水流的综合影响，断面最大冲刷深度向下游有增大趋势；隧址河段主槽最深点冲刷深度3.06 m，对应的最小底高程为-7.90 m。预测成果可作为过江隧道的合理埋设提供科学依据。