港珠澳大橋沉管隧道深基槽回淤監(jiān)測與分析

鄭偉

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510221）

港珠澳大橋沉管隧道深基槽回淤監(jiān)測與分析

鄭偉

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510221）

港珠澳大橋沉管隧道位于珠江口海域，基槽回淤特征明顯。通過多波束監(jiān)測、泥漿密度探測、回淤物容重測量以及人工潛水探摸等多種方法，確定了基槽回淤厚度分布規(guī)律。根據(jù)基槽所處海域地貌格局、海洋流體動力、泥沙環(huán)境和淤積物特征以及衛(wèi)星遙感圖像，結(jié)合現(xiàn)場實際考察，明確了回淤物淤積原因及可疑來源，為防淤減淤提供科學(xué)依據(jù)。

沉管隧道；深基槽；回淤監(jiān)測；浮泥探測；泥沙巡測

1 工程概況

港珠澳大橋是跨越珠江口伶仃洋海域，連接香港、珠海、澳門的大型跨海通道，其主體島隧工程穿越伶仃西航道和銅鼓航道，長約6.7 km，隧道所在海區(qū)水深大、潮流強、紊流交匯、環(huán)境復(fù)雜、回淤物來源不明，且基槽成W形布置，綜合以上各因素，基槽回淤分布不均勻，回淤質(zhì)存在明顯差異。為保證工程各工序順利開展，必須對深水基槽進行回淤監(jiān)測與分析。

2 監(jiān)測內(nèi)容與方法

監(jiān)測任務(wù)圍繞未沉放管節(jié)基槽開展，重點區(qū)域為基槽E17～E29管節(jié)段，如圖1。監(jiān)測采用水下地形測量、泥漿容重測量、浮泥探測及人工探摸等方法，掌握槽底的淤積變化情況及邊坡穩(wěn)定性狀況，分析回淤物特性，探索回淤物來源，進行維護清淤或采取其他措施，保證管節(jié)順利沉放安裝。

圖1 監(jiān)測范圍示意圖Fig.1 M onitoring range graph

2.1 定量分析

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，定期對基槽進行多波束水下地形測量，形成斷面圖、回淤監(jiān)測表、基槽三維模型圖等，監(jiān)測槽底回淤厚度變化，分析邊坡穩(wěn)定性，掌握全槽回淤分布狀況及變化趨勢。

2.2 定面分析

音叉密度儀采集泥漿容重，雙頻測深儀及SILAS系統(tǒng)進行走航式適航水深測量，對基槽內(nèi)浮泥、淤泥及沉積層進行探測。根據(jù)探測數(shù)據(jù)獲得基槽垂直剖面上不同深度的回淤物密度值，并連續(xù)劃分相對應(yīng)的密度層，分析全基槽泥漿沉淀過程中的容重變化，觀察回淤物質(zhì)的狀態(tài)及分布情況。

2.3 定性分析

采用縱橫復(fù)合型取樣器對回淤物質(zhì)取樣、沉淀盒落淤采集、人工探摸等，對回淤物進行室內(nèi)實驗分析，根據(jù)回淤物的成分、顆粒大小、含水量等特性，輔以水文環(huán)境預(yù)報、地質(zhì)監(jiān)測、泥沙巡測及衛(wèi)星遙感圖像等手段，進行海洋環(huán)境流體動力學(xué)分析，進一步研究造成回淤物淤積的可疑因素，對回淤物疑似來源進行深層次探索。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

3.1 多波束監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

自2013年2月開始對基槽E17～E29管節(jié)段定期進行多波束水下地形測量，部分管節(jié)段因船舶施工監(jiān)測而中斷，施工停止后持續(xù)進行回淤監(jiān)測，回淤監(jiān)測工作將一直持續(xù)到本工程結(jié)束。在此期間分階段對回淤監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析研究，指導(dǎo)維護性清淤工作的開展，保證基礎(chǔ)施工質(zhì)量。

多波束水下地形測量數(shù)據(jù)見表1，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析全基槽回淤厚度、分布狀況[1]。在此監(jiān)測期間，基槽回淤除部分管節(jié)受精挖、塊石夯平、清淤等施工因素干擾外，取決于管節(jié)地理分布、水流、地質(zhì)及周邊地形地貌等自然因素，從表1可以看出，E21～E26管節(jié)累計回淤比較嚴(yán)重。進行維護性清淤后，各管節(jié)回淤厚度縱向分布如圖2所示。

表1 回淤監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab le 1 Statistical tableofback siltingm onitoring data

圖2 回淤縱向分布圖Fig.2 Longitudinal distributionm ap of back silting

3.2 回淤物特性分析

為了進一步探索回淤物是否會影響管節(jié)碎石鋪設(shè)以及沉管沉放安裝，多波束監(jiān)測數(shù)據(jù)已無法滿足其要求。為了確定回淤物質(zhì)的流態(tài)、性質(zhì)和穩(wěn)定性，對E17～E29管節(jié)采用泥漿密度測試、適航水深巡測、回淤物取樣、人工潛水探摸等多種手段進行定期監(jiān)測，經(jīng)過實驗室內(nèi)回淤物成分分析、泥漿容重測量、基槽垂直剖面上回淤物密度分層分析等，更深層次探究和掌握基槽回淤物的特性。

為保證E15、E16管節(jié)碎石鋪設(shè)及管節(jié)沉放安裝，提前對E18、E19管節(jié)的回淤物流態(tài)、性質(zhì)和穩(wěn)定性等進行分析。泥漿密度分層、泥漿容重測量如圖3所示。泥漿密度分層厚度如下：E18管節(jié)密度測試點：1.03～1.15 g/mL的厚度為0.05m， 1.15～1.26 g/mL的厚度為0.08 m，1.26～1.41 g/mL的厚度為0.31 m；E19管節(jié)泥漿密度測試點：1.03～1.15 g/mL的厚度為0.04 m，1.15～1.26 g/mL的厚度為0.12 m，1.26～1.41 g/mL的厚度為0.55 m。實驗室內(nèi)回淤物容重、成分分析結(jié)果：E18管節(jié)容重測量平均密度為1.412 g/mL、含泥量42.29%、砂粒含量3.2%，主要成分為砂、粉砂、黏土等，E19管節(jié)容重測量平均密度為1.397 g/mL、含泥量為41.75%、砂粒含量3.7%，主要成分為砂、粉砂、黏土等。

根據(jù)回淤物成分、泥漿密度垂直剖面分層、泥漿容重，結(jié)合人工潛水探摸，分析基槽縱斷面不同泥漿密度層的分布規(guī)律和厚度，確定基槽清淤標(biāo)準(zhǔn)如表2，以科學(xué)指導(dǎo)維護性清淤、碎石基床鋪設(shè)和管節(jié)沉放。

圖3 泥漿密度分層及容重測量Fig.3 M ud density stratification and bulk densitymeasurement

表2 基槽清淤檢測項目及標(biāo)準(zhǔn)Tab le2 The testing itemsand standardsof foundation trench dredging p roject

4 回淤物淤積原因及可疑來源分析

4.1 水文、泥沙巡測分析

進行ADCP走航式海流測量、含沙量巡測，巡測范圍如圖4所示。測區(qū)布置為：沉管基槽區(qū)內(nèi)及基槽區(qū)外南、北兩側(cè)各布置1條3 km長的斷面，從表層一直測量到底層，每條斷面設(shè)13條垂線，進行含沙量巡測，每天按漲落潮時段各測量1次。固定點含沙量測量在E15～E20沉管之間1 km的范圍內(nèi)布置3條垂線，中層0.6H、0.8H、泥面上1 m、0.5 m進行海水含沙量定點連續(xù)觀測，每小時記錄1組數(shù)據(jù)。根據(jù)巡測數(shù)據(jù)分析基槽及周邊流速、流向變化、潮流與巡測、固定點含沙量之間的對比曲線關(guān)系。

圖4 巡測示意圖Fig.4 Tour gauging schem atic diagram

固定點底層含沙量與潮流對比曲線如圖5所示，初步分析結(jié)果為：落潮含沙量大于漲潮含沙量，其比值介于2～5倍之間，海床表層沉積物有粗化跡象，其中主要沉積物成分包含：砂、粉砂、黏土、砂質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)粉砂、細砂等。結(jié)合海流、泥沙巡測等監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步分析，落潮含沙量顯著大于漲潮，泥沙淤積時段為落平初漲時，泥沙應(yīng)來自上游，基槽回淤物質(zhì)來源疑似珠江口上游泥沙運動[2]。

圖5 固定點底層含沙量與潮流對比曲線Fig.5 Contrastcurveof the fixed-pointbottom sediment concen tration and flow

4.2 地貌格局及海洋動力環(huán)境分析

工程位于珠江口，回淤量受周邊地貌格局、自然環(huán)境、人為活動等多種因素影響。為確定疑似回淤物的來源，進行地貌格局、海洋環(huán)境流體動力學(xué)分析。

基槽所處的地貌格局分析：基槽處于銅鼓淺灘南部灘尾，受河口沖淡水和淺灘下泄泥沙的直接影響（圖6），淤積相對較大。特別在冬季，受潮流、風(fēng)、浪等的作用，銅鼓淺灘泥沙再次起動擴散，直接影響隧道基槽區(qū)域。

圖6 海洋環(huán)境流體動力泥沙淤積模型Fig.6 Sedimentationmodelof the fluid dynam ics in ocean environmen t

海洋環(huán)境流體動力學(xué)分析：基槽處于伶仃水道深槽，上層低鹽含沙的河口混合水浮托外送，底部受高鹽、少沙的陸架水入侵控制，伶仃水道內(nèi)的高鹽陸架水上溯在銅鼓淺灘西緣形成一個鋒面，阻滯了銅鼓淺灘向西淤漲，并驅(qū)動水沙向東輸移，致使基槽泥沙淤積沉淀[3]。

根據(jù)以上分析，輔以海洋環(huán)境預(yù)報、水文氣象、泥沙巡測以及衛(wèi)星遙感圖像分析[4]，結(jié)合現(xiàn)場實際考察，經(jīng)綜合研究，確定泥沙疑似來源如圖7所示，基槽上游懸浮泥沙擴散，形成的高含沙渾水以直接輸移和沉積在內(nèi)伶仃淺灘上再搬運方式進入基槽；懸沙運動為表層懸沙，隨著表層泥沙的沉降，中底層的含沙量更大，影響范圍更廣。

Back siltingmonitoring and analysis of deep foundation trench in the Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge immersed tunnel project

ZHENGWei
（CCCCGuangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510221,China）

The Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel is located in the Pearl River estuary,the foundation ditch back silting has obvious features.Through themulti-beam monitoring,mud density detection,bulk density measurement of back silting deposit,and artificial diving explored,we determ ined the back silting thickness distribution of foundation trench. According to the landscape pattern,marine hydrodynamic,sediment environment,deposited sediment characteristics,and satellite remote sensing images in the sea area of foundation trench,combining with the practical field investigation,we has been clearabout the reasons forback siltingmaterialdeposition and suspicious sources,which will provide a scientific basis for preventing and reducing siltsedimentation.

immersed tunnel;deep foundation trench；back siltingmonitoring；fluidmud detection;sediment tour gauging

U655.4；U459.5

A

2095-7874（2015）11-0025-04

10.7640/zggw js201511007

2015-10-19

鄭偉（1982— ），男，河南人，工程師，一級建造師，注冊測繪師，港口與航道工程專業(yè)。E-mail：114122137@qq.com