內(nèi)河交匯處沉管隧道基槽回淤厚度研究

傅鶴林，董子龍,，洪開榮，安鵬濤，林 銳

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長沙 410075； 2.中國中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣州 510000)

1 研究背景

沉管隧道具有適用性強(qiáng)、施工效率高等特點(diǎn)，被廣泛用于大截面過江過河隧道的修建，同時(shí)易受高壓水威脅[1-2]。隧道標(biāo)高及平順度對(duì)隧道防水性能影響極大，施工期須嚴(yán)格控制沉管隧道的軸線及標(biāo)高誤差。

受流水動(dòng)力作用，基槽周邊淤泥易導(dǎo)致基槽標(biāo)高不平整，影響沉管隧道平順度。Dissanayakea[3]采用數(shù)值模擬手段揭示了不同環(huán)境參數(shù)下沖淤的地形演變規(guī)律；Van Rijin等[4]借助試驗(yàn)結(jié)果建立了泥沙模型，探討了潮流對(duì)海岸的影響機(jī)制；安永寧[5]利用MIKE軟件建立了龍口灣附近海域的水沙模型，并分析了其適用性；王建軍等[6]建立了受潮汐影響的二維水沙模型，分析了各工況下沖淤情況；聞云呈等[7]在挾沙公式、懸沙交換模式的基礎(chǔ)上建立了三沙河段非均質(zhì)二維水沙模型，分析了長江口一期整治后水動(dòng)力及沖淤情況，并對(duì)治理效果進(jìn)行了評(píng)估；曹影峰等[8-9]依托深中通道沉管隧道工程，研究了挖槽回於隨時(shí)間及空間的變化規(guī)律；賀少輝等[10]采用水槽模型試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方式，研究了沉管沉放過程中，水流流態(tài)變化對(duì)基槽邊坡穩(wěn)定性的影響；肖明清[11]結(jié)合理論計(jì)算和試驗(yàn)成果，對(duì)南京長江沉管隧道的基槽穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；辛文杰等[12]通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了洪水和臺(tái)風(fēng)對(duì)挖槽回淤的不同影響。

以上研究為沉管隧道基槽回淤分析與治理提供了指導(dǎo)，但主要針對(duì)單一河流，鮮有考慮兩河交匯處基槽回淤工況?；诖?，依托廣州如意坊隧道，考慮實(shí)際施工情況，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)比，揭示交匯處基槽回淤規(guī)律，探究內(nèi)河交匯處基槽淤積厚度沿河斷面的分布規(guī)律，分析內(nèi)河交匯時(shí)基槽淤積對(duì)沉管隧道管線平順度及標(biāo)高控制的影響，以期為類似工程提供相應(yīng)的參考。

2 工程簡介

廣州如意坊放射線系統(tǒng)工程位于廣州市荔灣區(qū)，北起內(nèi)環(huán)路如意坊立交，經(jīng)如意坊隧道過江后與芳村大道相接。主線全長2 394.8 m，由主線隧道、連接線及如意坊立交組成。如意坊隧道主線全長1 511 m，岸上段893 m，沉管段618 m。河段徑流來源主要有流溪河、白坭水以及洪水期北江由蘆苞水閘和西南水閘，白坭水多年平均流量為45.8 m3/s，流速為0.3～1.5 m/s，流溪河多年平均流量為87.7 m3/s，流速為0.4～1.7 m/s。河流交匯處水流降低，水流挾沙力下降，易產(chǎn)生回旋現(xiàn)象。而基槽的開挖使得河流斷面突然增大，進(jìn)一步降低了河流流速，懸移質(zhì)難以排出。潮汐作用下，淡水與咸水混合，懸移質(zhì)易產(chǎn)生凝絮，在基槽底部出現(xiàn)渾濁帶，在低浮動(dòng)力條件下易出驟淤。因此，受長期潮汐影響，基槽內(nèi)易回淤，基床存在淤泥將導(dǎo)致沉管段沉降無法控制，發(fā)生重大漏水風(fēng)險(xiǎn)。

沉管所處地層為淤泥及砂層，為防止基槽底部回淤，基槽開挖坡度據(jù)地質(zhì)情況取1∶1～1∶5，沉管管段基槽開挖設(shè)兩級(jí)平臺(tái)，沉管基槽斷面如圖1所示。

圖1 沉管基槽斷面Fig.1 Sectional view of the foundation trench of immersed tube tunnel

3 三維水動(dòng)力控制方程

受流域內(nèi)航道影響，基槽需分期分段開挖，施工周期長。受長期河流沖刷及潮汐影響，基槽內(nèi)易回淤，存在重大漏水風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 基本控制方程

如意坊沉管隧道工程所在流域中，河道水平寬度遠(yuǎn)大于豎向深度，將三維問題簡化為二維平面問題，流體連續(xù)性微分方程表達(dá)式為

(1)

水平面x與y向動(dòng)量微分方程計(jì)算式分別為

(2)

(3)

3.2 泥沙運(yùn)輸模型

3.2.1 輸沙方程計(jì)算

聯(lián)立式(1)—式(3)，解得輸沙方程計(jì)算式為

(4)

3.2.2 河床變形方程

河床變形原因有2種，第1種為推移質(zhì)引起變形，第2種為懸移質(zhì)引起變形。將2種變形因素合并，得二維河床變形方程計(jì)算表達(dá)式為

(5)

式中：ρs為河床沙干密度；zbg、zbs分別為推移質(zhì)和懸移質(zhì)引起的河床高度變化；αs為恢復(fù)飽和系數(shù)；ω為泥沙沉降速度；β為實(shí)測(cè)率定系數(shù)；c為單位水體含沙量；c*為水流挾沙力；gbx、gby分別為x、y方向推移質(zhì)單寬輸沙率。

3.2.3 水流挾沙力

水流挾沙力是水流懸移質(zhì)中可攜帶的最大含沙量，據(jù)此可判別河床狀態(tài)。目前廣泛使用的是張瑞瑾[13]的二維挾沙力，計(jì)算式為

(6)

4 數(shù)值計(jì)算模型

MIKE 21在二維數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大功能，可廣泛應(yīng)用于河流、湖泊、河口和海岸水流及泥沙的仿真模擬。MKE 21基于矩形網(wǎng)格，不考慮水的垂向分層[14]。HD模塊是MIKE 21的核心模塊，為環(huán)境模擬和泥沙傳輸提供了水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。同時(shí)，它具有無礙性、高效性、便攜性、廣泛性、兼容性和靈活性及公認(rèn)性的優(yōu)點(diǎn)。

4.1 計(jì)算模型

考慮交匯處流域內(nèi)流場(chǎng)的變化，以及進(jìn)出口邊界的影響，選取以廣州大坦沙尾為中心，白坭水道下游分支白沙河和沙貝海為入口邊界，西河道為出口邊界的計(jì)算流域。入口邊界距河流交匯處1.03 km。出口邊界距交匯處1.17 km。采用河底高程數(shù)據(jù)作為地形資料建立原始地形圖。在MIKE軟件中將地形圖概化處理，生成河底地形，并設(shè)置邊界，方便網(wǎng)格劃分及后續(xù)計(jì)算，概化后計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 概化計(jì)算模型Fig.2 Generalized diagram of calculation model

由于模型涉及流域尺度相對(duì)較小，因而采取較高的網(wǎng)格密度。最小網(wǎng)格精度為10 m，整體模型網(wǎng)格數(shù)量約9 500個(gè)，使用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格離散計(jì)算域。

4.2 計(jì)算參數(shù)

沉管隧道基槽開挖施工近11個(gè)月，需計(jì)算涵蓋枯季及洪季的水沙特性。模擬數(shù)據(jù)結(jié)合中交廣州水運(yùn)工程設(shè)計(jì)研究院提供的工程設(shè)計(jì)勘察資料及珠江水利委員會(huì)水文局和廣東水文局聯(lián)測(cè)資料，如表1所示。

表1 參數(shù)取值Table 1 Parameter values

計(jì)算模型的模擬時(shí)間按基槽計(jì)劃工期的起止時(shí)間進(jìn)行。模型上游入口邊界采用流量邊界條件，模型下游出口邊界采用水位邊界條件。計(jì)算時(shí)將入口流量數(shù)據(jù)及出口水位數(shù)據(jù)編輯成序列文件導(dǎo)入MIKE模型中。為研究擬建隧道基槽所在流域的沖淤情況，以輸入為含沙量為邊界條件。廣州珠江水系推移質(zhì)輸沙率占比較低，不足15%，本次模擬主要考慮懸移質(zhì)的影響。據(jù)設(shè)計(jì)資料，擬建隧道工程所在河道內(nèi)泥沙顆粒較小，級(jí)配集中，選用懸移質(zhì)中值粒徑為0.014 mm，床沙中值粒徑為0.018 mm。

4.3 模型適用性對(duì)比

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，選取基槽中線所在斷面及上下游共4個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，于各斷面深泓線處布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)比2015年11月的擬建工程流域內(nèi)的流速、流向、水位及含沙量實(shí)測(cè)資料進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。水文驗(yàn)證斷面及測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 水文測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of hydrological survey points

選取各監(jiān)測(cè)斷面枯季大小潮水位時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，如圖4所示。

圖4 水位驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Verification result of water level

由各斷面驗(yàn)證結(jié)果可知，水位曲線相位差為0.6 h，最高潮與最低潮水位偏差為10 cm，模型計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位吻合狀況良好。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 計(jì)算工況

前文已進(jìn)行了擬建隧道工程所在區(qū)域的二維水沙計(jì)算模型的建立和驗(yàn)證?，F(xiàn)利用所建模型計(jì)算基槽施工區(qū)域的沖淤結(jié)果。如意坊沉管隧道基槽開挖分三階段，具體階段施工內(nèi)容如表2所示，各階段基槽竣挖工況示意圖如圖5所示。

表2 各階段施工內(nèi)容Table 2 Construction content at each stage

圖5 基槽浚挖工況Fig.5 Working conditions of foundation trench dredging

5.2 施工第一階段模擬結(jié)果

基槽施工第一階段將完成河流交匯處中心部分的開挖，基槽將經(jīng)歷約120 d的洪季沖淤。基槽開挖影響了流域內(nèi)的流場(chǎng)分布，使交匯區(qū)流場(chǎng)變得更加復(fù)雜。河道橫斷面突然擴(kuò)大，令河流流速驟降，導(dǎo)致河流挾沙力下降，勢(shì)必造成泥沙沉降淤積。

第一階段基槽開挖兩次沖淤模擬結(jié)果如圖6所示?；鄣谝浑A段施工成槽后45 d，出現(xiàn)較明顯的淤積現(xiàn)象。南北兩側(cè)底腳淤積厚度約3 cm，基槽底中部淤積厚度為1.3 cm左右，呈現(xiàn)出從底腳向中部淤積厚度逐漸減小的趨勢(shì)。邊坡上也略有淤積，淤積厚度隨高程升高而降低。

圖6 第一階段45 d淤積結(jié)果和91 d成槽結(jié)果Fig.6 Simulation result of siltation 45 days and 91 days after the first stage of trench formation

北側(cè)邊坡及底腳的淤積趨勢(shì)明顯大于南側(cè)，這是由于北側(cè)為來流方向。水流進(jìn)入基槽后開始降速，泥沙在北側(cè)坡上逐步沉降。而到達(dá)南側(cè)邊坡后高程抬升，流速增加，泥沙沉降效果減弱，甚至在南側(cè)坡頂出現(xiàn)局部沖刷現(xiàn)象。

基槽第一階段成槽91 d后，淤積現(xiàn)象越發(fā)明顯，淤積面積也逐步增加。依然以底腳部位淤積最為明顯，厚度約為5 cm，基底中部淤積厚度約為1.8 cm。在此期間兩側(cè)側(cè)邊坡的淤積厚度增加明顯，達(dá)到1.5 cm左右，但仍呈現(xiàn)北側(cè)大于南側(cè)的趨勢(shì)。

5.3 施工第二階段模擬結(jié)果

基槽施工第二階段將完成兩岸部分的開挖，此階段內(nèi)基槽將經(jīng)歷約120 d的枯季沖淤。與第一階段不同的是，第二階段的基槽還將影響近岸流域內(nèi)的流場(chǎng)變化。第二階段基槽開挖兩次沖淤模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 第二階段60 d淤積結(jié)果和120 d成槽結(jié)果Fig.7 Simulation result of siltation 60 days and 120 days after the second stage of trench formation

基槽第二階段成槽60 d后，河流交匯處基槽已成槽120 d。此時(shí)一期基槽的回淤量持續(xù)增大，邊坡淤積厚度為1.7 cm左右，基底淤積厚度約3 cm，底腳淤積厚度達(dá)6.5 cm。二期基槽回淤現(xiàn)象較弱，西側(cè)基槽基底淤積約為1.5 cm，邊坡淤積約為0.8 cm。而右側(cè)基槽整體回淤量較小，淤積厚度約0.7 cm。

進(jìn)入枯季河流含沙量降低，整體表現(xiàn)為水豐沙少，這也是交匯基槽回淤強(qiáng)度降低的主要原因。兩岸基槽較淺，且原始地貌下河流流速低，流量小，因而回淤強(qiáng)度更不及交匯處。

第二階段基槽成槽120 d后，三段基槽的淤積厚度均稍有增加。一期基槽基總體表現(xiàn)出北側(cè)淤積大于南側(cè)，同時(shí)回淤分布越來越廣。最大回淤厚度出現(xiàn)在基底，達(dá)7.5 cm，且在基底范圍內(nèi)淤積分布逐漸均勻。南北兩側(cè)邊坡淤積厚度也增加到3 cm。東西側(cè)兩段基槽淤積厚度分別達(dá)到2.3 cm和1.5 cm，回淤緩慢。

5.4 施工第三階段模擬結(jié)果

第三階段將挖出剩余泥沙，完成沉管基槽的貫通。本階段歷時(shí)90 d，河流從枯季進(jìn)入洪季。第三階段基槽開挖兩次沖淤模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 第三階段31 d淤積結(jié)果和90 d成槽結(jié)果Fig.8 Simulation result of siltation 31 days and 90 days after the third stage trench formation

新開挖的部位迅速出現(xiàn)回淤，淤積厚度達(dá)到2 cm，這與前期開挖的基槽已經(jīng)形成一定厚度的淤積有關(guān)。交匯處基槽淤積厚度緩慢增加，最大處達(dá)8 cm，東西兩段基槽最大淤積厚度約3 cm。

此階段河流由枯季轉(zhuǎn)為洪季，含沙量逐漸增加，因而淤積強(qiáng)度開始提升?；壅w回淤也有相當(dāng)程度上的增加。

基槽淤積厚度整體呈現(xiàn)中間大兩端小，北側(cè)大南側(cè)小。從坡頂?shù)降啄_，回淤厚度逐漸遞增，且坡頂回淤現(xiàn)象比底部弱得多。在淤積現(xiàn)象最嚴(yán)重的交匯區(qū)基槽，大部分區(qū)域淤積厚度超過了10 cm，最厚處出現(xiàn)在基底，達(dá)到了近12 cm。東西兩段基槽也有近5 cm的淤積?；赜倬禐?0 cm左右，并且淤積影響范圍較大,有蔓延出基槽的趨勢(shì)。

繪制基槽底部中部淤積厚度各階段演化曲線，如圖9所示。

圖9 基槽底部淤積厚度演化曲線Fig.9 Evolution curve of siltation thickness at thebottom of foundation trench

圖9表明基槽底部淤積厚度不斷增加，施工第一階段厚度微弱增加，第二及第三階段基槽底部淤積厚度劇烈增大，對(duì)后期管線平順度及標(biāo)高控制將產(chǎn)生較大影響，須采取適宜措施進(jìn)行控制。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)擬建工程水文資料建立了數(shù)值分析模型，并結(jié)合實(shí)地勘測(cè)資料進(jìn)行模型參數(shù)率定和驗(yàn)證，檢驗(yàn)了所構(gòu)建模型的適用性。

(2)計(jì)算模型結(jié)果顯示在內(nèi)河交匯處基槽淤積厚度整體呈現(xiàn)中間大兩端小、北側(cè)大南側(cè)小的特點(diǎn)。

(3)回淤隨空間分布差異明顯，基槽底腳淤積顯著，且坡頂淤積厚度明顯小于坡底；回淤隨時(shí)間變化大，基槽竣挖前期迅速淤積，隨后回淤強(qiáng)度逐漸減弱。

(4)沉管隧道基槽全部成槽后，基槽大部分區(qū)域回淤超過了10 cm，對(duì)后期管線平順度及標(biāo)高控制將產(chǎn)生較大影響，須采取適宜措施進(jìn)行控制。