港珠澳大橋?qū)α尕暄笏抄h(huán)境的影響

閆 勇，韓鴻勝

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(nèi)地（特別是珠江西岸地區(qū)）及澳門三地之間的陸路客貨運(yùn)輸需求，建立連接珠江東西兩岸新的陸路運(yùn)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(shí)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(qiáng)或者地形比較復(fù)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(xiàng)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(shí)，結(jié)合長期地形預(yù)報(bào)，進(jìn)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(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

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

1 模型設(shè)計(jì)制作

1.1 相似準(zhǔn)則

1.1.1 水流運(yùn)動相似

根據(jù)非恒定流運(yùn)動方程和連續(xù)方程，并且滿足模型水流應(yīng)處于阻力平方區(qū)內(nèi)，要求模型水流雷諾數(shù)Re≥1 000，模型垂直比尺應(yīng)滿足式（4），水流運(yùn)動相似比尺［1］的關(guān)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(shí)間比尺。在水流運(yùn)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(yùn)動相似。

1.1.2 泥沙運(yùn)動相似

根據(jù)泥沙運(yùn)動相似理論及其有關(guān)方程可得泥沙運(yùn)動相似關(guān)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(yùn)動沖淤時(shí)間比尺；λvc為泥沙起動速度比尺；λqb為推移質(zhì)輸沙率比尺；e為模型變率；λt2為河床沖淤變形時(shí)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(jī)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(dá)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(chǔ)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(zhì)粉砂。這種粒徑的懸沙是會產(chǎn)生絮凝的，通過計(jì)算，絮凝后的當(dāng)量粒徑約為0.022 mm，對應(yīng)的靜水沉速約為0.381 mm/s。按這種懸沙的要求，經(jīng)比較，本模型選擇比重為1.19 kg/m3的褐煤作為模型懸沙，當(dāng)平均中值粒徑為0.045 mm時(shí)，模型沙沉速約為0.252 mm/s，換算成實(shí)際沉速比尺為1.51，與計(jì)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(shí)測橋區(qū)附近底質(zhì)泥沙中值粒徑為0.008 mm［2］，經(jīng)水槽試驗(yàn)可知，在水深為5 m時(shí)，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(dāng)平均中值粒徑為0.400 mm時(shí)，模型沙起動流速為0.12 m/s，換算成實(shí)際起動流速比尺為10.17，與計(jì)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(yàn)證試驗(yàn)

2.1 潮流驗(yàn)證試驗(yàn)

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(jìn)行了驗(yàn)證。

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

2.2 泥沙驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)過1 a天然狀態(tài)下動床泥沙驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如下：

（1）南沙港區(qū)至橋區(qū)附近的伶仃航道內(nèi)淤積分布由南沙港區(qū)向橋區(qū)遞減，模型淤積強(qiáng)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(qiáng)最大、向兩側(cè)逐漸減小，模型淤積強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度為0.1 cm/a，原型平均值為1.1 cm/a，偏差為1.0 cm/a。

經(jīng)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(qiáng)度平均值與原型也基本相近，總體驗(yàn)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(yàn)證Fig.2 Verification of erosion and siltation in Lingding Channel

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

3 潮流方案試驗(yàn)

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(nèi)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(cè)和北側(cè)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(gè)人工島繞島水流的共同作用，兩島之間水流同時(shí)出現(xiàn)向東偏轉(zhuǎn)和向西偏轉(zhuǎn)的變化，而且水流強(qiáng)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(dá)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(nèi)，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(dá)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(nèi)，漲潮時(shí)，東人工島下游向西偏轉(zhuǎn)、上游向東偏轉(zhuǎn)，西人工島下游向東偏轉(zhuǎn)、上游向西偏轉(zhuǎn)，平均偏轉(zhuǎn)角度東人工島介于7°～10°，西人工島介于6°～15°；落潮時(shí)，東人工島上游向西偏轉(zhuǎn)、下游向東偏轉(zhuǎn)，西人工島上游向東偏轉(zhuǎn)、下游向西偏轉(zhuǎn)，平均偏轉(zhuǎn)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(nèi)或沿伶仃航道軸線上，各點(diǎn)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(nèi)，漲潮時(shí)，橋區(qū)下游流速呈減小趨勢，上游流速呈增加趨勢，落潮時(shí)，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(nèi)，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(jī)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(shè)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(diǎn)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(jìn)行了橫向水位測量（圖8），其中上游斷面選擇在赤灣、內(nèi)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(jī)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(shí)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(shí)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(guān)。

（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(nèi)，平均潮位會有所改變，漲潮時(shí)，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(shí)，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(dá)0.04～0.06 m，這主要是橋墩阻水而產(chǎn)生的局部雍水和跌水所致。而在上述變化區(qū)以外，各點(diǎn)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(shí)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(nèi)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(jìn)的潮量約為43億m3；通過2#斷面進(jìn)的潮量約為28億m3。方案實(shí)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(shí)施后對潮流和潮量的影響僅限于橋區(qū)附近，對內(nèi)伶仃島以上水域沒有影響。

4 泥沙方案試驗(yàn)

（1）大橋建設(shè)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(qiáng)度增大，下游淤積強(qiáng)度減小，1～3 a橋軸線北側(cè)至內(nèi)伶仃島之間平均淤強(qiáng)分別為4.9 cm/a、4.6 cm/a和4.5 cm/a，橋軸線南側(cè)至桂山島之間平均淤強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(cè)西灘水流向伶仃航道內(nèi)匯入，因西灘水體含沙量較高，必然會不斷增加內(nèi)伶仃島以南航道段的淤積，該段航道1～3 a平均淤強(qiáng)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(shè)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(gè)人工島南北兩側(cè)為淤積區(qū)，3 a后平均淤強(qiáng)厚度介于0.4～0.6 m/a，但沿島壁兩側(cè)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(qiáng)度增大，下游淤積強(qiáng)度減小，且在橋區(qū)上、下游各2.5 km范圍內(nèi)為淤積較重區(qū)，橋軸線北側(cè)2.5 km范圍內(nèi)平均淤強(qiáng)為8.3 cm/a、6.3 cm/a和4.7 cm/a，南側(cè)2.5 km范圍內(nèi)平均淤強(qiáng)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(cè)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(cè)淺、中間深的溝狀地形。

（5）工程后，在珠澳人工島兩側(cè)，即島橋結(jié)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(shí)施多年后，潮流變化對淤積的影響，僅在內(nèi)伶仃島以南的伶仃航道，此時(shí)因西灘匯入該段航道渾水水量的增加，必然會使內(nèi)伶仃島以南航道段的淤強(qiáng)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(jié)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(nèi)；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(nèi)；西灘橋區(qū)上游5 km范圍內(nèi)，淤強(qiáng)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(chǎn)生影響；對航道的淤積影響僅集中在伶仃航道內(nèi)伶仃島以南局部段，對內(nèi)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(shè)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。

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