港珠澳大橋對伶仃洋水沙環(huán)境的影響

閆 勇，韓鴻勝

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道（圖1）。其主要功能是解決香港與內地（特別是珠江西岸地區(qū)）及澳門三地之間的陸路客貨運輸需求，建立連接珠江東西兩岸新的陸路運輸通道，是具有國家戰(zhàn)略意義的世界級跨海通道。

從已建的跨海大橋工程實踐表明，如果橋梁墩距較大且建在海底地形比較平坦、水流動力較弱的海域，工程后水沙環(huán)境改變對地形沖淤的影響不會太明顯。如果橋區(qū)附近有航道、水流動力較強或者地形比較復雜，橋墩所造成水流改變對航道淤積以及灘槽地形的影響會明顯增大，輕則造成航道淤積加重，重則造成航道軸線不斷偏移、海床地形出現(xiàn)變遷，給通航及海洋環(huán)境帶來不利影響。

本項研究工作的目的是通過潮位、潮流場、泥沙場和地形變化，研究港珠澳大橋工程對伶仃洋港口、航道的影響及灘槽地形的變化規(guī)律。同時，結合長期地形預報，進一步研究水流變化對伶仃航道和銅鼓航道的淤積影響及變化趨勢，為港珠澳大橋總體方案設計提供技術支持和科學依據。

圖1 港珠澳大橋總平面圖Fig.1 General layout of the HZMB

1 模型設計制作

1.1 相似準則

1.1.1 水流運動相似

根據非恒定流運動方程和連續(xù)方程，并且滿足模型水流應處于阻力平方區(qū)內，要求模型水流雷諾數Re≥1 000，模型垂直比尺應滿足式（4），水流運動相似比尺［1］的關系式如下

式中：λu、λv為流速比尺；λh為垂直比尺；λl為水平比尺；λt為時間比尺。在水流運動相似方面，滿足重力相似（式1）、阻力相似（式2）或垂直比尺限制條件（式4），模型就可滿足水流運動相似。

1.1.2 泥沙運動相似

根據泥沙運動相似理論及其有關方程可得泥沙運動相似關系式如下

式中：λω為泥沙沉降速度比尺；λS為含沙量比尺；λS1為挾沙能力比尺；λt1為懸沙運動沖淤時間比尺；λvc為泥沙起動速度比尺；λqb為推移質輸沙率比尺；e為模型變率；λt2為河床沖淤變形時間比尺。

1.2 模型比尺的確定

模型范圍涵蓋珠江四大口門、廣州港南沙港區(qū)、深圳港西部港區(qū)、深圳灣、珠海、澳門、香港機場和大萬山以北海域，因此模型南邊界選擇在大萬山島附近，北邊界至虎門，原型長度110 km，東西邊界按固定岸線控制，原型最大寬度可達50 km。為滿足上述邊界要求，確定模型水平比尺為1：900。在滿足模型加糙、水流流態(tài)相似、易選擇滿足泥沙沉降和起動相似的模型沙基礎上，確定模型垂直比尺為1：120。

1.3 模型沙的選擇

橋區(qū)附近懸沙中值粒徑為0.007 mm［2］，屬粘土質粉砂。這種粒徑的懸沙是會產生絮凝的，通過計算，絮凝后的當量粒徑約為0.022 mm，對應的靜水沉速約為0.381 mm/s。按這種懸沙的要求，經比較，本模型選擇比重為1.19 kg/m3的褐煤作為模型懸沙，當平均中值粒徑為0.045 mm時，模型沙沉速約為0.252 mm/s，換算成實際沉速比尺為1.51，與計算沉速比尺1.46相比，偏差為3.4%，可以滿足沉降相似要求［3］。

現(xiàn)場實測橋區(qū)附近底質泥沙中值粒徑為0.008 mm［2］，經水槽試驗可知，在水深為5 m時，起動流速為1.22 m/s。本模型也同樣選擇比重為1.19 kg/m3的褐煤作為模型底沙，當平均中值粒徑為0.400 mm時，模型沙起動流速為0.12 m/s，換算成實際起動流速比尺為10.17，與計算起動流速比尺10.95相比，偏差為7.2%。也基本能滿足起動相似的要求［3-5］。

2 驗證試驗

2.1 潮流驗證試驗

本模型分別采用2002年12月4日～5日（枯季）、2007年8月13日～14日（洪季）、2009年3月27日～28日（枯季）和2009年6月22日～23日（洪季）4種潮型進行了驗證。

不同潮型驗證結果表明，各點平均流速差值基本能控制在10%之內，流向差值基本能控制在10°以內，模型逐時流速和流向過程線與原型基本吻合，相位一致，總體驗證結果可以滿足相似要求［1］。

2.2 泥沙驗證試驗

經過1 a天然狀態(tài)下動床泥沙驗證試驗，結果如下：

（1）南沙港區(qū)至橋區(qū)附近的伶仃航道內淤積分布由南沙港區(qū)向橋區(qū)遞減，模型淤積強度介于12.4～81.0 cm/a，平均值為 36.3 cm/a，與原型平均值 41.2 cm/a［6］相比，偏差為 11.9%（圖 2）。

（2）銅鼓航道淤積分布（圖3）是中部淤強最大、向兩側逐漸減小，模型淤積強度介于11.2～76.3 cm/a，平均值為48.0 cm/a，與原型平均值55.0 cm/a［6］相比，偏差為13.1%。

（3）西灘海域淤積強度自岸向伶仃航道呈遞增分布，從上游向下游呈遞減分布，模型淤積強度介于0.3～9.1 cm/a，平均值為4.0 cm/a，與原型平均值3.3 cm/a相比，偏差為21.2%。

（4）大濠水道主要表現(xiàn)為有沖有淤，基本呈沖淤平衡略有沖刷狀態(tài)，沖淤速率介于-1.4～1.4 cm/a，年平均沖刷強度為0.1 cm/a，原型平均值為1.1 cm/a，偏差為1.0 cm/a。

經上述各區(qū)水深變化比較，模型地形與原型地形變化規(guī)律基本一致，各區(qū)沖淤強度平均值與原型也基本相近，總體驗證精度符合規(guī)范要求，模型與原型滿足了相似要求。表明，模型沙和模型控制邊界的選擇是合適的。

圖2 伶仃航道沿程沖淤驗證Fig.2 Verification of erosion and siltation in Lingding Channel

圖3 銅鼓航道沿程沖淤驗證Fig.3 Verification of erosion and siltation in Tonggu Channel

3 潮流方案試驗

3.1 流場變化

（1）工程后，除橋區(qū)上、下游各4～5 km的范圍內流場有變化外，其他區(qū)域流場不變。

（2）受人工島分流和匯流的影響，在人工島南側和北側出現(xiàn)回流區(qū)和較大范圍的弱流區(qū)，最大影響范圍在西人工島海域，東西影響長度約為2 km，南北影響長度約為3 km，在東人工島海域，東西影響長度約為1.6 km，南北影響長度約為2.3 km。

（3）受2個人工島繞島水流的共同作用，兩島之間水流同時出現(xiàn)向東偏轉和向西偏轉的變化，而且水流強度也有所增大，如圖4～圖7所示。

（4）通過模型觀察，無論是110 m橋跨還是75 m橋跨，出現(xiàn)渦旋水流只在橋墩附近，影響范圍也較小。而青州航道橋、江海直達航道橋和九州航道橋，因承臺在海床面以上，承臺和橋墩尺寸相對較大，出現(xiàn)較大的繞墩水流和渦旋水流，而且對局部水流的影響也增大。

圖4 東人工島附近漲急流場Fig.4 Flow field at max flood tide near the eastern man-made island

圖5 東人工島附近落急流場Fig.5 Flow field at max ebb tide near the eastern man-made island

圖6 西人工島附近漲急流場Fig.6 Flow field at max flood tide near the western man-made island

圖7 西人工島附近落急流場Fig.7 Flow field at max ebb tide near the western man-made island

3.2 流速變化

（1）在橋區(qū)附近，因受人工島和橋墩的影響，流速和流向均會發(fā)生變化，就影響范圍和變化幅度而言，人工島區(qū)域大于橋墩區(qū)域，深水區(qū)大于淺水區(qū)，西人工島大于東人工島。

（2）在東、西人工島之間的深槽內，位于隧道上、下游各約4 km區(qū)域，漲、落潮流速呈增加趨勢，平均增加值介于0.01～0.03 m/s，最大增加值為0.08 m/s左右，即工程后該區(qū)最大流速可達1.50 m/s以上。工程后流向變化主要集中在隧道上、下游各0.5 km區(qū)域內，漲潮時，東人工島下游向西偏轉、上游向東偏轉，西人工島下游向東偏轉、上游向西偏轉，平均偏轉角度東人工島介于7°～10°，西人工島介于6°～15°；落潮時，東人工島上游向西偏轉、下游向東偏轉，西人工島上游向東偏轉、下游向西偏轉，平均偏轉角度東人工島介于9°～15°，西人工島介于9°～18°。而距隧道軸線2 km以外深槽內或沿伶仃航道軸線上，各點漲、落潮流向可保持不變。

（3）在西灘橋區(qū)上、下游寬度各為0.5～3.5 km范圍內，漲潮時，橋區(qū)下游流速呈減小趨勢，上游流速呈增加趨勢，落潮時，橋區(qū)上游流速呈減小趨勢，下游流速呈增加趨勢，但平均增減值介于0.01～0.02 m/s，最大增減值為0.03 m/s左右。而流向有變化的區(qū)域，主要集中在橋墩上、下游各0.9 km范圍內，其他區(qū)域流向基本可保持不變。

（4）在香港水域，由于受大濠島自然岸線和赤瀝角機場圍島岸線的阻水和繞島水流影響，天然流速較小，工程后對水流的影響也很小，平均流速增減值不足0.01 m/s。

（5）從橋墩布置來看，110 m橋跨位于流速較大、水深較深的區(qū)域，75 m橋跨位于流速較小、水深較淺的區(qū)域，但這2種橋跨因受不同水深和不同水流的作用，工程后流速增減值并沒有明顯的差別。

（6）在工程區(qū)以外，無論是伶仃航道、銅鼓航道、暗士頓水道，還是南沙港區(qū)、深圳港西部港區(qū)，工程后流速和流向均呈不變趨勢，因此港珠澳大橋的建設基本不會對伶仃洋已有港口、航道造成影響。

（7）港珠澳大橋建成后，對水流動力的影響是局部的，變化量值也很小，基本不會對灘槽形態(tài)造成影響，仍可維持伶仃洋現(xiàn)狀的灘槽格局不會改變。

圖8 水位點布置Fig.8 Water level gauges

3.3 潮位變化

（1）本模型選取3條橫斷面進行了橫向水位測量（圖8），其中上游斷面選擇在赤灣、內伶仃島、金星門一線；中游斷面選擇在赤瀝角島、G03#、G09#、九州港一線；下游斷面選擇在桂山島、三角島、澳門機場一線。從工程前后潮位過程線比較來看，無論工程前還是工程后，橋區(qū)附近（中斷面一線）都有橫向比降出現(xiàn)，漲潮時是呈東低西高變化，兩者平均潮位差值介于0.04～0.08 m；落潮時是呈東高西低分布，兩者平均潮位差值介于0.03～0.08 m。造成該區(qū)橫向水位變化的原因，主要是與銅鼓海域分流或匯流，以及大濠島阻水和灣口斷面明顯縮窄而壅水的影響有關。

（2）工程后，因橋墩阻水的影響，在橋區(qū)上、下游各3～4 km范圍內，平均潮位會有所改變，漲潮時，橋區(qū)下游平均抬高約0.02 m，橋區(qū)上游平均降低不足0.01 m；落潮時，橋區(qū)上游平均抬高約0.02 m，橋區(qū)下游平均降低約0.01 m。特別是在橋區(qū)上下游各500 m區(qū)域，潮位變化更為明顯，水位抬高值可達0.04～0.06 m，這主要是橋墩阻水而產生的局部雍水和跌水所致。而在上述變化區(qū)以外，各點潮位可保持不變。

（3）在流速大、橋墩間距小的區(qū)域，潮位變化要大于流速小、橋墩間距大的區(qū)域。而工程后引起潮位變化，漲、落急時段更為明顯。

3.4 潮量變化

通過橋區(qū)上游1 km（1#）和淇澳島—內伶仃島—赤灣（2#）2條斷面（圖8）2009年枯季大潮的潮量對比，在天然狀態(tài)下，通過1#斷面進的潮量約為43億m3；通過2#斷面進的潮量約為28億m3。方案實施后，通過1#斷面的潮量約為42億m3，減小幅度約為2.3%；通過2#斷面的潮量，約為28億m3，工程前、后基本無變化。由此說明，工程實施后對潮流和潮量的影響僅限于橋區(qū)附近，對內伶仃島以上水域沒有影響。

4 泥沙方案試驗

（1）大橋建設后，西灘下泄泥沙受到阻截，從而造成西灘橋區(qū)上游淤積強度增大，下游淤積強度減小，1～3 a橋軸線北側至內伶仃島之間平均淤強分別為4.9 cm/a、4.6 cm/a和4.5 cm/a，橋軸線南側至桂山島之間平均淤強分別為3.1 cm/a、3.3 cm/a和3.4 cm/a；銅鼓航道1～3 a淤強變化基本相同，分別為48.2 cm/a、47.9 cm/a、48.1 cm/a，與無工程時相同；而伶仃航道，由于受西灘橋區(qū)淤積加快的影響，阻礙了西灘水流向南流動，使橋區(qū)北側西灘水流向伶仃航道內匯入，因西灘水體含沙量較高，必然會不斷增加內伶仃島以南航道段的淤積，該段航道1～3 a平均淤強分別為26.0 cm/a、26.9 cm/a、27.3 cm/a，與工程前相比，分別增加1.4 cm/a，2.3 cm/a和2.7 cm/a。

（2）大橋建設后，人工島周圍地形變化最為劇烈，西人工島第1～3 a沖刷深度最大值分別為3.7 m、6.4 m和7.2 m，東人工島分別為3.3 m、4.5 m和5.1 m；而2個人工島南北兩側為淤積區(qū)，3 a后平均淤強厚度介于0.4～0.6 m/a，但沿島壁兩側會有沖刷溝出現(xiàn)。

（3）在眾多橋墩的影響下，西灘下泄泥沙受到一定阻截，從而造成西灘橋區(qū)上游淤積強度增大，下游淤積強度減小，且在橋區(qū)上、下游各2.5 km范圍內為淤積較重區(qū)，橋軸線北側2.5 km范圍內平均淤強為8.3 cm/a、6.3 cm/a和4.7 cm/a，南側2.5 km范圍內平均淤強分別為6.0 cm/a、4.7 cm/a和3.6 cm/a。

（4）沿橋軸線的各橋墩根部都會出現(xiàn)沖刷，3 a后，西灘區(qū)域沖刷深度最大值0.90 m，香港一側沖刷深度最大值為1.38 m，特別是在西灘的橋區(qū)，沿橋軸線會出現(xiàn)兩側淺、中間深的溝狀地形。

（5）工程后，在珠澳人工島兩側，即島橋結合部均會出現(xiàn)沖刷。1～3 a累積沖刷深度最大值分別為2.40 m、3.10 m和3.50 m。

（6）大濠水道工程后與工程前相比，總體變化趨勢基本相同，其規(guī)律是有沖有淤，呈沖淤平衡略有沖刷狀態(tài)。

（7）工程實施多年后，潮流變化對淤積的影響，僅在內伶仃島以南的伶仃航道，此時因西灘匯入該段航道渾水水量的增加，必然會使內伶仃島以南航道段的淤強增大，但增加量值不會太大，基本不會對灘槽形態(tài)造成影響，伶仃洋仍可維持現(xiàn)狀的灘槽格局不會發(fā)生變化。

5 結論

通過綜合分析，大橋的建成對伶仃洋整體潮位、潮流、潮量及沖淤變化影響均較小，影響范圍僅集中于橋區(qū)上、下游各5 km以內；人工島和橋墩周邊沖刷量值較大，但均出現(xiàn)在局部范圍內；西灘橋區(qū)上游5 km范圍內，淤強增加0.5 cm/a，基本維持工程前西灘原有沖淤變化規(guī)律，對九州港附近海域淤積略有影響，對南沙港區(qū)、深圳西部港區(qū)均不會產生影響；對航道的淤積影響僅集中在伶仃航道內伶仃島以南局部段，對內伶仃島以北伶仃航道、銅鼓航道及礬石水道、暗士頓水道均沒有影響。綜上所述，港珠澳大橋的建設不會改變伶仃洋灘槽格局的現(xiàn)狀，也不會對珠江口港口、航道造成影響。

［1］TJT/T233-98，海岸與河口潮流泥沙模擬技術規(guī)程［S］.

［2］楊樹森，韓志遠，韓西軍，等.港珠澳大橋工程海床演變分析研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.

［3］竇國仁.河口海岸全沙相似理論［J］.水利水運工程學報，2001（3）：1-12.DOU G R.Similarity theory of total sediment transport modeling for estuarine and coastal regions［J］.Hydro science and engineering，2001（3）：1-12.

［4］竇國仁.再論泥沙起動流速［J］.泥沙研究，1999（12）：1-9.DOU G R.Incipient Motion of Coarse and Fine Sediment［J］.Journal of Sediment Research，1999（12）：1-9.

［5］府仁壽，盧永清，陳稚聰.輕質沙的起動流速［J］.泥沙研究，1992（2）：82-91.FU R S，LU Y Q，CHEN Z C.Velocity of Incipient Motion for Particles of Light Matirial［J］.Journal of Sediment Research，1992（2）：82-91.

［6］陳志民，蔡南樹，辛文杰.珠江口伶仃洋航道的回淤分析［J］.海洋工程，2002（8）：61-68.CHEN Z M，CAI N S，XIN W J.Analysis on the sedimentation of the Lingdingyang channel in the Zhujiang estuary［J］.The ocean engineering，2002（8）：61-68.