港珠澳大橋?qū)α尕旰降篮豌~鼓航道回淤影響研究

徐 群，莫思平，季榮耀，辛文杰，王 馳

（南京水利科學研究院，南京210024）

港珠澳大橋?qū)α尕旰降篮豌~鼓航道回淤影響研究

徐 群，莫思平，季榮耀，辛文杰，王 馳

（南京水利科學研究院，南京210024）

通過伶仃洋河口潮流泥沙物理模型試驗，研究了港珠澳大橋建設對伶仃航道和銅鼓航道的回淤影響。研究結(jié)果表明：在假設水文泥沙條件下，港珠澳大橋建設后，伶仃航道內(nèi)淤積厚度及淤積量呈減少態(tài)勢；銅鼓航道內(nèi)淤積厚度及淤積量略有增加。

物理模型；伶仃航道；銅鼓航道；回淤；伶仃洋河口；港珠澳大橋

伶仃洋水下地形具有西部淺、東部深的橫向分布趨勢和灣頂窄深、灣腰寬淺、灣口寬深的縱向分布特點，灘槽分布呈“三灘兩槽”的基本格局［1-3］，其演變過程中受多種因素影響，歸納起來主要有自然因素和人工因素。伶仃洋河口地形三灘兩槽格局的形成，自然因素起到主導作用，而人類活動在近期正逐步增加其影響程度。特別是港珠澳跨海大橋橋墩建成后，增加了橋位水域阻力并減小過水斷面，從而對周圍海區(qū)的水動力環(huán)境產(chǎn)生一定影響［4-9］。本文通過伶仃洋河口潮流泥沙物理模型［3］（水平比尺1 000，垂直比尺120）對大橋設計方案進行模擬試驗，探明大橋建設對伶仃航道和銅鼓航道回淤影響程度，為大橋設計部門提供依據(jù)。

1 伶仃洋河口自然條件

1.1 徑流與泥沙

經(jīng)東四口門注入到伶仃洋的徑流量約為1 742億m3/a，占珠江年總徑流量的55%，年輸沙量約為3 664萬t，占珠江河口總輸沙量的42%。其中洪季輸入到伶仃洋的徑流量約占全年的80%，輸沙量約占全年的90%以上。河流輸水輸沙量的大小決定著伶仃洋西北部河床地貌的變化，徑流動力主要控制伶仃洋西北部區(qū)域［1］。

1.2 潮汐與潮流

伶仃洋為弱潮河口，潮差較小，平均潮差為0.86～1.69 m，最大潮差為2.29～3.36 m。潮差特點是由東向西逐漸遞減，由灣口向灣頂逐漸遞增。伶仃洋水域總體為落潮流大于漲潮流，東、西槽漲潮平均流速大致相近，落潮流速則一般是西槽大于東槽。潮汐動力作用控制虎門以下的河口灣東半部［1］。

1.3 泥沙特性

伶仃洋的懸移質(zhì)含沙量具有深槽小、淺灘大，東部低、西部高、枯季清、汛期渾等主要分布特征，多年平均含沙量在0.1～0.2 kg/m3變化。伶仃洋海域水體懸移質(zhì)的中值粒徑一般為0.002～0.017 mm；床沙的中值粒徑變化范圍在0.002～0.64 mm，航槽和下游深水區(qū)的床沙中值粒徑一般為0.005～0.01 mm。

2 伶仃航道和銅鼓航道概述

伶仃航道廣州港出海航道［4］（圖1），自伶仃洋灣口附近的桂山錨地，經(jīng)榕樹頭水道、伶仃航道、川鼻航道至黃埔新港，全長約115 km。航道全線主要有兩個淺段，即虎門內(nèi)的蓮花山淺段和虎門外的伶仃洋淺段。

伶仃航道自1959年開通后，經(jīng)過一、二期和三期預備工程開挖后，于2007年12月竣工。試挖航段由南沙港區(qū)至伶仃洋口外，全長約66 km，按底寬230 m、底標高-15.5 m（赤灣理論最低潮面，該基準面在珠江基面以下1.91m，下同），滿足10萬t級船舶通航道。銅鼓航道是深圳西部港區(qū)的第二條深水航道，航道開挖段長22.80 km，設計底寬204.4 m，設計底標高-15.8 m，10萬t級集裝箱船單向航道。

圖1 伶仃洋河口形勢及懸沙淤積試驗加沙管布置Fig.1 Terrain of Lingdingyang estuary and testing arrangement

3 伶仃航道和銅鼓航道淤積特點分析

伶仃航道和銅鼓航道開挖后，河床的非均勻變化使得航道內(nèi)水流挾沙能力的降低，導致懸沙在開挖后的航道內(nèi)淤積，這是航道回淤的主要原因。

多年來，伶仃航道和銅鼓航道內(nèi)淤積強度具有洪季明顯大于枯季的變化規(guī)律，主要原因如下：伶仃洋懸移質(zhì)主要來源于珠江徑流攜沙，豐水年多沙，枯水年少沙，受河川徑流、潮流、鹽水入侵及風浪、地形等因素影響，伶仃洋含沙量分布呈西北高、東南低，洪季大于枯季，上段大于下段，西灘大于東灘，西槽大于東槽的特點。航道淤積的泥沙來源主要有3個方面：（1）珠江口東四口門帶來的徑流泥沙；（2）西部淺灘區(qū)多年沉積的泥沙在風浪作用下再搬移；（3）人類活動，如挖沙洗沙，鄰近工程施工等。

近年來，伶仃洋入海泥沙量在銳減，文獻［3］資料顯示，西江、北江和東江3個水文控制站2001～2007年的總輸沙量僅為3 777萬t，比多年平均值的7 587萬t減少一半以上。受此影響伶仃航道回淤出現(xiàn)枯季大于洪季的現(xiàn)象，主要原因如下：（1）伶仃洋入海泥沙量銳減使得洪季含沙量明顯減小，約占全年的90%以上輸沙量的洪季相對枯季而言泥沙減少相對更多，這將導致伶仃航道洪季淤積強度也隨之減?。唬?）洪、枯季節(jié)伶仃航道回淤的泥沙來源存在差異性，上游來沙是洪季發(fā)生航道淤積的主要沙源；伶仃洋河口內(nèi)灘面上受風浪影響再起動的泥沙輸移是枯水季節(jié)航道發(fā)生淤積的主要原因，前者正逐年減少，而后者年際差異不大。

圖2 天然沙與模型沙懸沙粒配曲線Fig.2 Grading curves of natural sand and model sand

表1 定床懸沙淤積試驗模型比尺Tab.1 Model scale of fixed-bed sediment model test

圖3 伶仃航道2008年枯季1～4月沿程懸沙淤積驗證圖Fig.3 Sedimentation test of Lingding channel（January to April,2008）

4 模型沙選擇及比尺確定

懸沙淤積主要考慮泥沙沉降相似和由于風浪掀沙作用的起動相似即要滿足相似條件。根據(jù)伶仃洋海域水體懸移質(zhì)的中值粒徑資料，綜合考慮d50在0.008 mm左右，經(jīng)過試算，選擇容重為1.15 g/cm3，d50m=0.05 mm的木粉為模型沙，粒配曲線見圖2。定床懸沙淤積試驗相關比尺見表1。

5 伶仃航道和銅鼓航道回淤驗證試驗

伶仃航道底寬230 m，底標高-15.5 m，邊坡1：5的三期預備工程于2007年12月竣工，銅鼓航道底寬204.4 m，底標高-15.8 m，邊坡1：7疏浚工程于2007年7月竣工，兩航道開挖回淤資料并不同步，因此在進行航道回淤驗證試驗時分別以其中一個航道進行水文泥沙條件控制，另一個則進行從屬試驗，見圖3～圖6（圖中15 km代表樁號KP15，以此類推，下同）。

試驗資料顯示，在樁號KP13～KP50之間（37 km），伶仃航道2008年枯季1～4月實測平均淤積厚度0.36 m，模型驗證平均淤厚0.43 m，兩者誤差為19%；銅鼓航道在樁號K14～K18段內(nèi)洪季7～10月平均淤厚0.33 m，模型驗證相應航段平均淤厚約0.30 m，兩者誤差為9%。綜合考慮洪、枯季節(jié)兩航道年淤積強度可以推算至：伶仃航道KP13～KP50段年平均淤強為0.62 m/a，銅鼓航道年平均淤強為0.82 m/a。

圖4 銅鼓航道2008年枯季1～4月沿程懸沙淤積分布圖Fig.4 Sedimentation test of Tonggu channel（January to April，2008）

圖5 銅鼓航道2007年洪季7～10月沿程懸沙淤積驗證圖Fig.5 Sedimentation test of Tonggu channel（July to October,2007）

6 大橋?qū)α尕旰降篮豌~鼓航道回淤影響

圖6 伶仃航道2007年洪季7～10月沿程懸沙淤積分布圖Fig.6 Sedimentation test of Lingding channel（July to October，2007）

港珠澳大橋建設后，伶仃航道和銅鼓航道挖槽回淤量變化資料見圖7～圖10。

港珠澳大橋工程實施后，伶仃航道KP13～KP50段內(nèi)年平均淤積厚度及淤積量呈減少態(tài)勢，分別從0.62 m，580萬m3減少到0.59 m和555萬m3。其中橋區(qū)段（樁號KP13～KP25）建橋后航道內(nèi)淤積量由229萬m3減少到187萬m3，淤積量減小了約18.5%；非橋區(qū)段（樁號KP25～KP50）建橋后航道內(nèi)淤積量由351萬m3增加到368萬m3，淤積量略有增加。銅鼓航道KP8～KP26段內(nèi)平均年淤積厚度淤厚及淤積量略有增加，分別從0.82 m和291萬m3增加到0.85 m和296萬m3，從數(shù)量上看，建橋前后基本不變。由此可見，建橋前、后兩航道內(nèi)的淤積厚度及淤積總量的變化幅度不大，這與大橋建設對水域環(huán)境的影響范圍不大有關。

圖7 港珠澳大橋工程實施前后伶仃航道年淤積厚度Fig.7 Sedimentation test of Lingding channel by the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

圖8 港珠澳大橋工程實施前后伶仃航道年淤積強度變化Fig.8 Sedimentation test of Lingding channel by the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

圖9 港珠澳大橋工程實施前后銅鼓航道年淤積厚度Fig.9 Sedimentation test of Tonggu channel by the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

圖10 港珠澳大橋工程實施前后銅鼓航道年淤積強度變化Fig.10 Sedimentation test of Tonggu channel by the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

7 結(jié)論

（1）伶仃航道和銅鼓航道內(nèi)淤積強度多年來具有洪季明顯大于枯季的變化規(guī)律，但近年來隨著伶仃洋入海泥沙量在銳減，該淤積規(guī)律出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，表現(xiàn)為枯季內(nèi)航道淤積大于洪季時的現(xiàn)象。

（2）港珠澳大橋工程實施后，在假設水文泥沙條件下，伶仃航道淤積量呈減少態(tài)勢，銅鼓航道淤積量基本不變。

（3）在大橋施工初期，要密切關注人工島周邊地形的沖刷形成的沙源對航道淤積的影響。

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Impact on sedimentation of Lingding channel and Tonggu channel by Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

XU Qun，MO Si-ping，JI Rong-yao,XIN Wen-jie，WANG Chi
（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China）

The physical model of sediment movement in Lingdingyang estuary was built to study the impact on Lingdingyang channel and Tonggu channel after construction of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge.The results show that，based on the certain hydrology and sedimentation condition，the sedimentation thickness and amount are decreased in Lingdingyang channel，and slightly increased in Tonggu channel.

physical model；Lingding channel；Tonggu channel；sedimentation；Lingdingyang estuary；Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

TV 148.+6；O 242.1

A

1005-8443（2012）05-0393-04

2011-12-07；

2012-02-27

徐群（1965-），男，江蘇省儀征人，博士，教授級高工，主要從事河口海岸工程泥沙研究。Biography：XU Qun（1965-），male，professor.