汕頭灣海底隧道工程河段最大沖刷深度研究

楊 晨，高勝杰，陳冠名，張鑠涵

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635；3.廣東省河口水利工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635)

橋梁和隧道等過江工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，尤為關(guān)注所在河段最大沖刷深度，包括河流自然沖刷和工程局部沖刷2種類型。其中，對橋梁工程建設(shè)產(chǎn)生的局部沖刷，Sumer等[1]和郭健等[2]對研究進(jìn)展做過系統(tǒng)總結(jié)；Ghodsi等[3]采用模型試驗(yàn)，研究了不同形態(tài)的復(fù)雜橋墩局部最大沖刷深度。對于隧道工程，其建設(shè)和運(yùn)行基本不干擾河流的水沙運(yùn)動，自然條件下的最大沖刷深度決定著隧道的合理埋深，也影響工程投資和運(yùn)營安全。但目前研究成果相對較少，國內(nèi)外學(xué)者主要采取河演分析、數(shù)學(xué)模型和河工模型試驗(yàn)等方法，研究長江及主要支流[4-8]、黃河[9]、錢塘江[10-13]、珠江流域[14-15]等特定工程河段最大沖刷深度，其中河工模型試驗(yàn)是研究水沙運(yùn)動和沖淤演變的一項(xiàng)重要方法[16]。本文以汕頭灣海底隧道工程為例，采用河工模型試驗(yàn)開展河段沖刷研究，預(yù)測了榕江河口隧址河床的最大沖刷深度，為隧道工程的埋深設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

汕頭灣海底隧道工程為新建汕尾至汕頭鐵路下穿汕頭灣通道，是構(gòu)建東南沿海高速鐵路通道的重要環(huán)節(jié)。隧道工程全長9.77 km，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，采用單洞雙線模式，建設(shè)規(guī)模見表1。海底段采用礦山法結(jié)合盾構(gòu)法建設(shè)，隧道外徑14 m。工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇[17]。

表1 汕頭灣隧道工程建設(shè)規(guī)模

圖1 汕頭灣海底隧道工程附近水系

汕頭灣位于汕頭市龍湖區(qū)與濠江區(qū)之間，水面寬1 150～3 300 m，上經(jīng)礐石與牛田洋連接，納韓江、榕江之水，下經(jīng)媽嶼島與南海相通，工程附近水系見圖1。工程位于汕頭海灣大橋下游，媽嶼島與鹿嶼島之間，工程河段較為順直，為西北—東南走向。上游蘇埃灣水域較寬，主槽居左；下游重新束窄，受媽嶼島阻水束流影響，分為南北兩汊，深槽最深處分別約為-26.7、-21.3 m；媽嶼島下游中部為淺灘，主流經(jīng)南側(cè)深槽向下，在導(dǎo)流防沙堤影響下平順入海，具體位置見圖2。

圖2 汕頭灣海底隧道工程位置示意

2 工程地質(zhì)及河床演變分析

2.1 工程地質(zhì)

從工程附近地質(zhì)資料可見，工程附近海底表層沉積物以黏土質(zhì)粉砂為主，表層為全新統(tǒng)三角洲相沉積層淤泥，厚度約為0～10 m；第二層次為粉砂夾淤泥，厚度約為10～15 m；第三層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度約0～14 m，局部發(fā)育中砂，厚度約0～5 m；局部夾粉質(zhì)黏土，厚度約0～10 m；最下邊為基巖花崗巖。隧道工程主要穿過弱風(fēng)化花崗巖，隧道與河床面之間主要為全風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、粉砂、中砂和以淤泥及淤泥質(zhì)黏土為主的覆蓋層。

2.2 河床演變分析

1972—1988年，媽嶼島西北側(cè)深槽有所淤積，南側(cè)深槽沖刷擴(kuò)大。1988—2002年，媽嶼島北側(cè)深槽沖刷向上游擴(kuò)展，南側(cè)深槽有所淤窄。2002—2013年，媽嶼島兩側(cè)河道主槽縮窄淤淺。2013—2017年，南側(cè)深槽范圍沖刷加大?？傮w來說，工程河道有沖有淤，變化幅度不大，灘槽分布格局基本穩(wěn)定。

1988—2002年，工程附近河段深泓線有較大幅度淤高，上游深泓高程變化不大。2002—2013年，上游媽嶼島南側(cè)深槽有較明顯的淤積，厚度達(dá)3 m，可能與港池的開挖和泥沙的回淤有關(guān)，工程位置深泓線略有下切。2013—2017年，上游南側(cè)深槽有較明顯的下切，最大幅度達(dá)5 m，工程位置深泓變化不大。整體來看，隧址位于工程河道偏深槽的區(qū)域，深泓縱向演變有前期淤高、后期下切的特點(diǎn)。

3 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

3.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)河道情況及水流特性，考慮試驗(yàn)場地限制條件，模擬范圍選定工程上游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為動床范圍。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)成變態(tài)模型，平面比尺πL取350，垂向比尺πh取70，幾何變率e=5[18]。定床模型用于模型率定與流態(tài)分析，動床模型用于河床沖刷試驗(yàn)，得出最大沖刷深度成果。

動床模型的相似包括水流運(yùn)動相似和泥沙運(yùn)動相似[19-20]。本文研究河段沖刷，要求模型的沖刷過程與原形相似，起動相似是模型選沙最重要的原則之一[21]。工程河段懸移質(zhì)輸沙量占輸沙總量的絕大部分，模型設(shè)計(jì)主要考慮懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)運(yùn)動相似?？紤]到表層河床質(zhì)主要以淤泥為主，粒徑極細(xì)，黏性較好，其下部為粉細(xì)砂，表層沉積物以黏土質(zhì)粉砂為主，偏于安全考慮，動床試驗(yàn)選取廣泛分布偏易于啟動的粉細(xì)砂作為研究對象，其中值粒徑為0.14 mm。根據(jù)常見模型沙物理特性及其沉降、起動來選擇[22-23]，經(jīng)試驗(yàn)比選，選用重率為1.15 t/m3的塑料沙作為模型沙，床沙粒徑比尺λd為0.56，基本滿足懸浮相似和起動相似。

3.2 模型制作

模型用漿砌紅磚作邊墻，河道根據(jù)2017年4月實(shí)測地形充填密實(shí)河沙塑造，采用水泥漿護(hù)面。水泥砂漿刮制成粗糙面，視率定情況適當(dāng)密實(shí)加糙[24-25]，使之滿足水流運(yùn)動相似。橋梁橋墩、碼頭工程采用杉木精刨，用石蠟拋光。模型下邊界生潮方式采用多口門變頻器控制，上邊界采用變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)水泵控制供水量。水位通過固定測針測量，流速由旋槳流速儀測量，沖刷情況采用鋼尺和測針測量換算。

3.3 模型驗(yàn)證

考慮到隧址沿線較大沖刷主要由洪水時(shí)落潮動力引起的，漲潮水流動力相對影響較小，且落急時(shí)刻流速大于漲急時(shí)刻流速，故選定3組落急時(shí)刻水文測驗(yàn)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證工況。驗(yàn)證測流斷面布設(shè)情況見圖3，實(shí)測與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表2。由表2可知，模型模擬的水位、流速與原型基本吻合，模型水流運(yùn)動同實(shí)際水流特征相似，偏差符合規(guī)程規(guī)范的精度要求[26]，模型設(shè)計(jì)是合理的，可繼續(xù)下階段的試驗(yàn)。

圖3 定床模型試驗(yàn)測流斷面及流速分布(P=1%)

表2 各組次實(shí)測水位、流速與試驗(yàn)值對比結(jié)果

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 試驗(yàn)水文組次

試驗(yàn)需研究不利水文組合下河床的最大沖刷深度，考慮到工程設(shè)計(jì)及河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，不利水文組次選擇300、100、50年一遇洪水遭遇下游河口對應(yīng)洪水潮型低潮位。上游流量及下游控制水位見表3。

表3 試驗(yàn)水文組次

4.2 工程河段水流運(yùn)動特性

在P=0.33%、1.00%、2.00%試驗(yàn)工況下，工程河段水流平順，測流斷面布設(shè)位置見圖3。其中，CS1斷面為進(jìn)口段，斷面最大流速較大。CS2斷面較寬，右側(cè)寬淺，在低潮位落急時(shí)刻邊灘局部裸露，主槽居左，流速較大。CS3斷面為媽嶼島上游，受媽嶼島阻水影響，最大流速有所減小。經(jīng)黃厝圍溝斷面重又束窄，主流方向由河道左側(cè)轉(zhuǎn)向右側(cè)。CS4斷面水流分為南北兩汊，經(jīng)媽嶼島與鹿嶼島束流，右側(cè)主槽流速大，中部流速小。之后下游的CS5、CS6、CS7斷面最大流速有所減小。不同斷面最大流速隨著流量的增加均呈增加的趨勢，各斷面最大流速見表4。

由表4可知，不利水文組合下主槽流速遠(yuǎn)大于床沙起動流速，河床將出現(xiàn)沖刷。工程附近河段主流居右，相應(yīng)沖刷部位主要集中在河道中心偏右岸的主槽內(nèi)。工程下游河段主流逐漸向河道中心過渡，則相應(yīng)沖刷部位會偏向河道中部。

表4 測流斷面最大流速

4.3 動床模型沖刷試驗(yàn)

動床模型試驗(yàn)主要研究河床最大沖刷深度，在300、100、50年一遇不利水文條件下，研究河段整體呈沖刷下切態(tài)勢，主槽沖刷明顯，灘地局部區(qū)域微淤，沖刷后局部深泓有所擺動。各試驗(yàn)工況河道沖刷形態(tài)具有一定的相似性，洪水頻率越小，沖刷幅度越大。本文主要以300年一遇洪水工況下沖刷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.3.1河床沖淤平面變化

沖刷區(qū)域主要位于媽嶼島兩側(cè)深槽，深槽等高線總體趨勢為向兩岸及下游擴(kuò)展。工程河段主槽居右，主槽刷深的同時(shí)微向河道中間偏移。河道中部流速較緩，局部區(qū)域略微淤積。在300年一遇水文條件下，右側(cè)主槽-10 m等高線向河心擴(kuò)張較明顯，幅度在40～80 m，左側(cè)深槽-10 m等高線向下游延伸明顯，延展長度約1 600 m；兩側(cè)深槽-15 m等高線向下游延伸約340 m，右側(cè)主槽-15 m等高線向左岸移動距離約50～110 m；-20 m等高線向河道左側(cè)及下游延伸。試驗(yàn)工況后河段等高線分布見圖4。

各試驗(yàn)工況后工程河段主槽居右，與初始地形相比，左側(cè)深槽最低點(diǎn)平面基本重合，僅工程下游局部有一定幅度的擺動，最大擺幅約60 m。隧址處深泓平面變化不大，靠近鹿嶼島洲頭隧址上、下游沖刷后深泓趨直，向左岸方向擺動較明顯，擺幅最大約170 m，位于隧址深泓點(diǎn)下游300 m。

a)-10 m等高線分布

4.3.2典型斷面沖刷分析

選取隧址斷面分析沖刷情況，河床沖淤變化結(jié)果見圖5，斷面呈偏“W”型，右側(cè)主槽深泓點(diǎn)略向左側(cè)河道中心移動，左側(cè)主槽沖刷加深。斷面形態(tài)總體上變化不大，主要表現(xiàn)為主槽沖刷明顯，沖刷幅度P=0.33%落急工況最大，P=0.5%、1.0%工況次之。隧址斷面沖刷情況統(tǒng)計(jì)見表5，在300、100、50年一遇水文組合試驗(yàn)后，斷面最低點(diǎn)高程分別為-22.80、-21.50、-19.86 m，相應(yīng)沖刷深度分別為6.40、5.10、3.56 m，距右岸距離分別約242、242、272 m；最大沖刷深度分別為6.40、5.24、4.10 m，相應(yīng)河床高程分別為-22.80、-11.24、-10.20 m，距右岸距離分別約為242、112、112 m。

圖5 隧址斷面河床沖淤變化

表5 隧址斷面沖刷情況統(tǒng)計(jì) 單位：m

5 結(jié)論

以汕頭灣海底隧道工程為例，通過河工模型試驗(yàn)研究河段最大沖刷深度，得到的結(jié)論如下。

a)模型的幾何比尺設(shè)計(jì)和模型沙選擇是適宜的，能夠滿足水流運(yùn)動及河床沖刷的相似，可用于進(jìn)一步模擬工程河段在不利水文條件下的水動力條件和沖刷情況。

b) 隧址斷面主槽居右，流速較大，在300、100、50年一遇水文組合條件下最大流速分別可達(dá)1.92、1.70、1.57 m/s。主槽流速遠(yuǎn)大于起動流速，將出現(xiàn)明顯沖刷。工程河段沖刷部位主要集中在河道左、右兩側(cè)主槽，隨著流量的增大，流速有所增大，沖刷幅度也會有所增加。

c)動床沖刷模型試驗(yàn)表明，隧址斷面現(xiàn)狀深泓點(diǎn)高程為-16.7 m，在300年一遇水文組合條件下，試驗(yàn)后斷面最大沖刷深度為6.40 m，最低點(diǎn)高程為-22.80 m，距右岸距離約242 m；100年一遇水文組合條件下，試驗(yàn)后斷面最大沖刷深度為5.24 m，最低點(diǎn)高程為-21.50 m，距右岸距離約242 m。隧址斷面最大沖深位于右側(cè)主槽，沖刷包絡(luò)線可為隧道工程設(shè)計(jì)提供參考及依據(jù)。