廣佛過江隧道工程沖刷試驗(yàn)研究

吳 娟 邊紅娟 陳 思

（珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611）

廣佛過江隧道工程沖刷試驗(yàn)研究

吳 娟 邊紅娟 陳 思

（珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611）

介紹了一項沉管式隧道的最大沖深物理模型試驗(yàn)。沉管式隧道修筑過程中需要先開挖后回填，隧道覆蓋層與原河道之間存在軟硬交界面，在河道發(fā)生沖刷時可能形成攔河潛壩，導(dǎo)致局部沖刷加強(qiáng)，影響堤防及隧道本身的安全，開展物理模型試驗(yàn)是論證隧道工程合理性的有效技術(shù)手段。針對位于珠江三角洲東平水道上的廣佛過江隧道工程實(shí)例，根據(jù)抗沖性的要求選用不同模型沙以模擬河道分層地質(zhì)和隧道覆蓋層，開展隧道河段在極端洪水作用下沖刷試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)成果優(yōu)化埋深和覆蓋層沖刷防護(hù)措施，為過江隧道方案設(shè)計和施工提供合理依據(jù)。

隧道；沖刷試驗(yàn)；物理模型

1 前 言

沖刷始終是河流動力學(xué)研究的關(guān)鍵問題，一般地，河床沖刷分為下面兩大類。

(1)河道沖刷：在較長河段,具有相同水沙條件的河槽內(nèi)發(fā)生河床連續(xù)沖刷的現(xiàn)象。這種沖刷是由于水流挾沙力不飽和所致,其沖刷深度主要決定于河床沖刷率和沖刷歷時。

(2)局部沖刷：由于河道局部縮窄、橋墩、閘、堰造成水流速度和湍流強(qiáng)度局部強(qiáng)化,造成沖刷坑，如果水流保持恒定,局部沖刷有確定的最大沖深。關(guān)于橋墩、閘、堰等局部沖刷的研究成果很多，一般根據(jù)水流、泥沙等條件可估算出沖刷深度。

在河道內(nèi)設(shè)置工程時，即使不改變河道邊界，也需要考慮到河道可能達(dá)到的最大沖刷深度，在工程安全計算時考慮到?jīng)_坑導(dǎo)致的穩(wěn)定影響。但是在天然河道中，由于存在如導(dǎo)流墻、礁石等不易沖刷的河勢控制節(jié)點(diǎn)，河道局部產(chǎn)生較深的沖刷坑，在河勢控制節(jié)點(diǎn)的形式多種多樣的條件下，預(yù)測其局部最大沖坑深度則困難得多。在河道地質(zhì)條件不變的情況下，河道的最大沖坑深度主要取決于洪水等級。一般，根據(jù)與工程設(shè)計等級相匹配的洪水條件下估算河道可能出現(xiàn)的最大沖深為工程設(shè)計提供依據(jù)。

由于河口地區(qū)較為發(fā)達(dá)，存在大量的聯(lián)系河道兩岸的交通設(shè)施建設(shè)需求。河口地區(qū)地質(zhì)沉積層較深，出于施工方便和節(jié)省投資的需要，沉管式隧道在河口地區(qū)愈來愈多。沉管隧道建設(shè)需要經(jīng)歷開挖沉管基槽，沉管沉放，基槽回填等工序，形成了沉管段和上下游產(chǎn)生了不同性質(zhì)的河床。由于沉管覆蓋層一般不易發(fā)生沖刷，成為影響附近河床演變的節(jié)點(diǎn)。在某些情況下，上下游河床出現(xiàn)了沖刷，則沉管及其覆蓋層高出上下游河床成為水下潛壩，附近產(chǎn)生螺旋流，進(jìn)一步促進(jìn)與沉管臨近的河床出現(xiàn)局部沖刷。

沖刷深度可由經(jīng)驗(yàn)公式計算，常借用縮窄斷面沖刷或橋墩沖刷的經(jīng)驗(yàn)公式估計可能的最大沖深。但是經(jīng)驗(yàn)公式一般適用于特定狀況，其計算結(jié)果一般較實(shí)際情況大，而沖刷深度取值過大，增加工程量和投資。在水流條件復(fù)雜時，往往采用物模的方法確認(rèn)埋深及防護(hù)方案，以節(jié)省投資和增加項目的安全性。

筆者介紹了珠江三角洲的一條沉管隧道設(shè)計埋深的試驗(yàn)情況，此隧道為公路、鐵路合建隧道，設(shè)計寬度大，又位于人口稠密地帶，為了兩側(cè)交通連接方便，埋深不能太大。同時，工程位于一個彎道，由于彎道及局部沖刷節(jié)點(diǎn)的影響，水流條件比較復(fù)雜，在此主要介紹動床模型設(shè)計方法及試驗(yàn)成果。

2 模型設(shè)計及驗(yàn)證

2.1 模型設(shè)計

隧址河段呈微彎型河道，基本呈東西走向。河段寬度沿程變化不大，河寬大致在200～300m，有零星礁石分布，見圖 1。工程處于珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)承泄珠江流域積水面積45萬km2的徑流，經(jīng)過網(wǎng)河區(qū)河道分流后，進(jìn)入隧址河段300年一遇洪水流量為7411m3/s。

與河床局部沖淤密切相關(guān)的主要是床沙中的推移質(zhì)部分，模型設(shè)計時主要考慮水流運(yùn)動相似條件、底沙運(yùn)動相似條件。物理模型范圍為：工程上游為 1.3km，下游為 1.8km，上、下游另設(shè)延伸過渡段，見圖 2。選取物理模型平面比尺為 100、垂直比尺為50，模型長約36m、寬約10m。模型流速比尺為7.07，流量比尺為35355，糙率比尺為1.36。

模型控制系統(tǒng)采用分布式工業(yè)控制系統(tǒng)，中央監(jiān)控機(jī)主要存儲模型試驗(yàn)的各種參數(shù)、發(fā)布命令、顯示實(shí)時監(jiān)控圖表等。模型的上、下邊界采用變頻器和電磁流量計控制。模型上采用變頻調(diào)速器直接調(diào)節(jié)水泵提供給模型的供水量，系統(tǒng)根據(jù)給定的流量控制曲線調(diào)控每個變頻器的輸出頻率，從而滿足流量控制的需要。模型潮位的量測采用GS-3B光柵式跟蹤水位儀，精度可達(dá)到 0.1mm。流速的量測采用Acoustic Dopp1er Ve1ocimeter (ADV)。

2.2 模型沙的選擇

在極限沖刷試驗(yàn)中根據(jù)河床組成及沉管覆蓋層材料的抗沖性選擇合適的模型沙。首先需要進(jìn)行地質(zhì)勘探，根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果（圖3），隧址處地質(zhì)分層自下而上分別為弱風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖和細(xì)沙，其中我們需要模擬強(qiáng)風(fēng)化巖和細(xì)沙，弱風(fēng)化巖一般認(rèn)為不可沖刷。圖4為沉管覆蓋層回填典型剖面圖，沉管管段底部采用“灌砂法”進(jìn)行基礎(chǔ)處理；兩側(cè)采用具有良好排水性能的10～20mm砂石回填，碎石回填采用 2～3cm級配碎石，片石回填層中每塊片石的重量為50～100kg，具有一定的級配，使拋填防護(hù)層具有較高的密實(shí)度，對于隧道覆蓋層來說，表層片石回填層厚度大，抗蟲性強(qiáng)，在模型中主要模擬片石覆蓋層。因此，模型中需要選配模型沙的組成為：床沙、強(qiáng)（全）風(fēng)化巖、片石覆蓋層。

對于細(xì)沙及沉管覆蓋層等散粒體來說，起動流速的計算已較為成熟，但模型沙較細(xì)，一般要求采用水槽試驗(yàn)的方法確定。一般原型散粒體泥沙起動流速可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計算：

式中，Uc為泥沙起動流速，h為水深，d為等效粒徑，γs為泥沙容重，γ為水體容重。g為重力加速度，系數(shù)k與d有關(guān)，一般可取1.146。

河床表層為細(xì)沙，中值粒徑約為 0.3mm，在10～16m模型沙水深下起動流速約為 0.46～0.77m/s。按起動相似要求，模型沙的起動流速為7～11cm/s。選用容重1.6g/cm3、中值粒徑為0.2mm的煤沙作床沙，粒徑比尺為1.45，經(jīng)水槽試驗(yàn)，該模型沙的起動流速為 8～12cm/s，能滿足床沙起動相似的要求。

強(qiáng)風(fēng)化巖埋深較淺，在河道左側(cè)直接出露水下。強(qiáng)風(fēng)化巖的沖刷歷時較長，觀測條件復(fù)雜，對其抗沖性目前未得到充分的研究。根據(jù)地質(zhì)特性分析，強(qiáng)風(fēng)化巖的抗剪應(yīng)力（40kPa）略大于粘土的抗剪應(yīng)力（35kPa），根據(jù)粘土的抗沖流速可取為0.75～1m/s，在本文中采用強(qiáng)風(fēng)化巖抗沖流速為1m/s，而下層的弱風(fēng)化巖抗沖性較好，埋深較大，所以在模型中作為不可沖層考慮。按起動相似要求，模擬強(qiáng)風(fēng)化巖的模型沙的抗沖流速為0.15cm/s。經(jīng)水槽試驗(yàn)，容重1.56g/cm3、粒徑0.4mm的煤沙抗沖流速為 0.14～0.17m/s，基本能滿足強(qiáng)風(fēng)化巖的抗沖性能要求。

沉管覆蓋層回填中片石回填層中每塊片石的重量為 50～100kg，等效粒徑約為 200mm，起動流速約為4.5m/s，按起動相似要求，模擬強(qiáng)風(fēng)化巖的模型沙的抗沖流速為 0.63cm/s，選用中值粒徑為0.6cm的小塊石模擬頂層的拋填塊石。

2.3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證的內(nèi)容包括水流運(yùn)動和底沙運(yùn)動相似性驗(yàn)證。在根據(jù)工程附近實(shí)測水文條件進(jìn)行水流相似性驗(yàn)證，模型中測量沿程水位，流速的變化。根據(jù)河道形狀計算出模型實(shí)際糙率比尺為1.18，如計算值基本接近。由于模型范圍較短，河道水位試驗(yàn)值與計算值相差在模型1mm、原型5cm以內(nèi)，流速值相對誤差在10%以內(nèi)。

底沙相似性驗(yàn)證選擇1998年2月至1999年2月之間的地形變化作為驗(yàn)證依據(jù)，在這一年的時間，珠江流域發(fā)生了50年一遇的洪水。將1998年2月至1999年2月的天然來水過程概化成洪中枯水文組合進(jìn)行沖淤驗(yàn)證，但洪水對局部河道的塑造作用明顯，枯水時段長，但作用不明顯，因此驗(yàn)證時主要考慮洪水和中水的作用，洪水組合隧址流量5332 m3/s，中水組合隧址流量 3231 m3/s。初始地形為1998年2月地形，通過反復(fù)調(diào)整輸沙率比尺及河床沖淤時間比尺，最后確定輸沙率比尺為219，沖淤時間比尺為57，模型得到1999年2月地形與實(shí)測基本相似，-10m等高線位置接近，見圖5。

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 埋深試驗(yàn)

現(xiàn)狀河床極限沖刷試驗(yàn)?zāi)康臑榍蟮煤拥垃F(xiàn)狀地形下在遭遇300年一遇洪水時，工程附近可能出現(xiàn)的最大沖深，主要為沉管隧道的埋深提供參考?，F(xiàn)狀落潮水流在經(jīng)過約 800m縮窄段河道的調(diào)整后進(jìn)入第一彎道，主流位于彎道凹岸，凸岸則形成弱流區(qū)。由于隧址左側(cè)水下礁石的存在，其頭部底流速較大。水流經(jīng)過縮窄河段時，水流與上屈龍礁石以及其西側(cè)護(hù)岸交角近似正交。水流越過上屈龍礁石后，在礁石下游的深坑內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流。

工程前沖刷形態(tài)見圖 6。由于隧址左側(cè)礁石抗沖能力較強(qiáng)，位于彎道凹岸水流主流區(qū)，對水流的影響相當(dāng)于淹沒丁壩，水流對壩頭和壩后均造成嚴(yán)重沖刷。沖坑最深點(diǎn)位于壩頭下游，300年一遇洪水時最低沖刷高程為-20.4m，較現(xiàn)狀地形局部最深高程低約3.4m。研究河道形態(tài)彎曲，流量增加后，彎道水流相應(yīng)調(diào)整，凸岸回流區(qū)范圍加大，使得凸岸淤積。

3.2 防護(hù)層試驗(yàn)

工程前，由于下屈龍礁石對底層水流具有導(dǎo)向作用，隧址左側(cè)礁石開挖后，凹岸水流更為集中，隧址段右側(cè)表底流速減小，北側(cè)流速增大，尤其是隧址左側(cè)底部流速明顯增加，瀾石碼頭東側(cè)堤防附近流速進(jìn)一步增大，最大流速可達(dá)3.28m/s。下游堤防的凸岸突入彎道水流主流區(qū)，工程后對上游來流有顯著阻擋和挑流作用，水流直沖堤腳及附近河床，位于該區(qū)域底部上升流流速較大，底部上升流較大極易引起泥沙的揚(yáng)動。

當(dāng)下游不加防護(hù)時，上下游泥沙逐漸被水流帶走，拋石防護(hù)層出露河床，隧道沉管覆蓋層形成水下潛壩，水流越壩后形成壩后環(huán)流，加強(qiáng)壩下沖刷。過壩水流形成壩后軸向環(huán)流，形成了與壩軸線平行的沖刷形態(tài)。由于凹岸水流較大，壩下游中間至左側(cè)部位沖深較大，下游堤防堤腳及河床沖刷有所加強(qiáng)，沿堤岸彎段走勢堤腳處及附近河床形成不同程度的帶狀沖刷區(qū)（見圖 7a），300年一遇洪水最低沖刷高程分別至-22.4m。由于工程后壩下沖刷最深點(diǎn)位于左岸，靠近現(xiàn)有堤防，易淘刷堤腳形成堤防險段，該段堤防及堤腳須進(jìn)行沖刷防護(hù)措施。

采用與沉管覆蓋層相同的塊石對堤腳進(jìn)行拋石防護(hù)后（見圖7b），拋填塊石基本能保持抗沖刷穩(wěn)定性，推薦的拋填材料和拋填范圍能有效控制水流對瀾石碼頭西側(cè)凹岸堤防堤腳及河床的淘刷，采用的防護(hù)工程措施以及防護(hù)范圍合理、有效。

4 結(jié) 論

通過物理模型對水流和泥沙沖刷的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，局部沖刷主要是由附近水流突變引起的。水流突變決定于河道邊界條件的變化。

工程前，局部最大沖刷深度是由礁石形成的“淹沒丁壩”形成的水流集中引起的，最大沖深位置位于礁石頭部下游。

工程后，礁石被去除后，下游的導(dǎo)流墻形成新的挑流形態(tài)，水流進(jìn)一步向彎道的凹岸集中。隧道高出現(xiàn)有河床形成潛壩，水流與潛壩約成45°角，下游形成螺旋流，同時下游臨近的堤防壓縮凹岸主流，局部形成挑流，因此兩者共同作用使得局部沖刷深度加大，要求沉管覆蓋層和堤防堤腳需要將強(qiáng)防護(hù)。試驗(yàn)得出的防護(hù)材料和范圍能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計提供依據(jù)。

試驗(yàn)證明在天然河道內(nèi)局部沖刷問題受河道邊界條件的影響而變得非常復(fù)雜，在復(fù)雜情況下開展物理模型試驗(yàn)是非常必要的。

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10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.017

TV149

B

1008-1305（2014）01-0051-04

吳 娟（1979年-），女，工程師。