隧道深基槽回淤預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究

韓西軍，王汝凱，楊 華

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510230)

關(guān)健詞：深基槽；等效潮差；淤積；預(yù)警預(yù)報(bào)

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市和澳門(mén)特別行政區(qū)，是一條具有國(guó)家戰(zhàn)略意義的世界級(jí)跨海通道。港珠澳大橋采用橋梁、人工島和隧道連接方式，其中海底隧道總長(zhǎng)5 664 m，采用沉管法進(jìn)行施工，基槽開(kāi)挖水深相對(duì)較大，相對(duì)挖深30～40 m，設(shè)計(jì)基槽寬度為41.9 m。

港珠澳大橋深海隧道的對(duì)接是整個(gè)工程最難的部分，也是當(dāng)今世界上最難的海底隧道工程，被工程界稱(chēng)之為與神九和天宮一號(hào)太空對(duì)接比肩的“深海之吻”。

面對(duì)一個(gè)月只能找到1～2個(gè)可以作業(yè)、臺(tái)風(fēng)季節(jié)可能會(huì)幾個(gè)月不能作業(yè)的“氣象窗口”條件，以及創(chuàng)世界之最的基槽開(kāi)挖和碎石基床鋪設(shè)精度要求，對(duì)基槽回淤預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研究也提出了苛刻的要求—快速反應(yīng)、計(jì)算時(shí)間應(yīng)精確到天、基槽泥沙淤積厚度預(yù)報(bào)精確度必須達(dá)到厘米級(jí)。

圖1 隧道基槽海域動(dòng)力環(huán)境Fig.1 The dynamic environment of the tunnel basement

1 基槽附近水沙環(huán)境及地貌特征

(1)港珠澳大橋位于伶仃洋灣口、大濠水道北部，遠(yuǎn)離珠江入?？陂T(mén)，同時(shí)避開(kāi)了珠江入海泥沙向南輸送的主要通道，含沙量遠(yuǎn)低于東四門(mén)，珠江徑流輸沙對(duì)基槽泥沙淤積影響很小[1]。

(2)基槽附近水域漲落潮流基本呈往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沿伶仃航道深槽內(nèi)各站流速較大，淺灘流速稍小。

(3)含沙量分布呈現(xiàn)西側(cè)淺灘高于東側(cè)深槽，落潮大于漲潮的特點(diǎn)。漲潮含沙量介于0.026～0.057 kg/m3之間，平均值為0.042kg/m3，落潮含沙量介于0.024～0.131 kg/m3之間，平均值為0.049 kg/m3。

(4)港珠澳大橋工程附近海床地貌呈“兩槽夾一灘”之勢(shì)[2-3](圖1)。E15管節(jié)以西的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，不利于泥沙落淤；同時(shí)伶仃水道高鹽陸架水上溯在銅鼓淺灘西緣形成一個(gè)鋒面[4]，阻滯了銅鼓淺灘向西淤漲，并驅(qū)動(dòng)水沙向東輸移，致使基槽西部泥沙環(huán)境優(yōu)于東部[5]。因而伶仃水道深槽長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)，基槽西部回淤相對(duì)較小。

(5)E15管節(jié)以東的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，銅鼓淺灘尾部淤積南移，處于有利于泥沙落淤的水動(dòng)力泥沙環(huán)境中[6]，特別在冬、春季，受潮流和東向風(fēng)浪等的作用，銅鼓淺灘泥沙再次起動(dòng)擴(kuò)散，可直接影響E15管節(jié)以東基槽區(qū)域[7]，基槽淤積相對(duì)較大[8]。

2 基槽回淤預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)

2.1 預(yù)報(bào)模式的建立

在海區(qū)自然環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的前提下，潮流、波浪等動(dòng)力條件影響海域含沙量，而含沙量又決定了基槽的淤積大小。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量的潮差、潮流、含沙量、基槽淤積量等資料分析發(fā)現(xiàn)，基槽水域?yàn)┟媪魉倥c潮差關(guān)系明顯[9](圖2)，灘面流速與含沙量關(guān)系明顯[10](圖3)，按照相關(guān)分析法，我們建立了等效潮差與含沙量關(guān)系曲線(圖4)以及潮差與基槽淤積關(guān)系曲線(圖5)，通過(guò)等效潮差可以較好測(cè)算出基槽淤積的大小。在考慮風(fēng)浪對(duì)淤積的影響時(shí)，通過(guò)風(fēng)推算波浪大小，計(jì)算波浪引起的底流速，并轉(zhuǎn)換成等潮差，并與潮流對(duì)應(yīng)的潮差進(jìn)行線性疊加，最終采用“等效潮差”來(lái)反映波浪潮流對(duì)泥沙的影響。

圖2 工程水域潮差與落潮流速關(guān)系Fig.2 The relationship between tidal range and ebb flow velocity圖3 含沙量與流速的關(guān)系(+漲潮、-落潮)Fig.3 The relationship between sediment concentration and velocity

圖4 等效潮差與含沙量的關(guān)系Fig.4 The relationship between tidal range and sediment concentration圖5 基槽淤積與等效潮差的關(guān)系Fig.5 The relationship between silting and tide range

波浪產(chǎn)生的底流速采用《港口與航道水文規(guī)范》(JTS145-2015)附錄T中T.0.4-24公式進(jìn)行計(jì)算，具體公式(以下簡(jiǎn)稱(chēng)公式1)如下

(1)

式中：ub為波浪底流速，m/s；H為波高，m；L為波長(zhǎng)，m；T為周期，s；d為水深，m。

2.2 徑流及波浪影響因素?cái)?shù)值模擬

(1)每日收集珠江上游河道實(shí)測(cè)徑流資料及港珠澳大橋附近未來(lái)7 d海洋環(huán)境預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。其中徑流資料包括珠江上游馬口站、三水站和博羅站流量數(shù)據(jù)，海洋環(huán)境預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)主要包括工程區(qū)附近每日2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速、陣風(fēng)等數(shù)據(jù)。

(2)利用數(shù)學(xué)模型，計(jì)算上游河道徑流變化對(duì)基槽附近流速的影響，將該結(jié)果轉(zhuǎn)換成等效的潮差值，并疊加到潮汐預(yù)報(bào)的潮差中，以獲得每日的等效潮差數(shù)據(jù)。

(3)利用數(shù)學(xué)模型，計(jì)算工程區(qū)附近的波浪分布及波浪底流速變化(底流速計(jì)算見(jiàn)公式1)，將該結(jié)果轉(zhuǎn)換成等效的潮差值，并疊加到潮汐預(yù)報(bào)的潮差中，以獲得每日的等效潮差數(shù)據(jù)。

3 預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的運(yùn)行流程

(1)前期預(yù)報(bào)。在沉管安裝氣象窗口、沉管基槽整平及安裝期間海上施工計(jì)劃初步確定后，研究分析該期間的潮汐、風(fēng)浪預(yù)報(bào)和前期徑流及含沙量等變化，進(jìn)行碎石基床泥沙淤積計(jì)算，在預(yù)判會(huì)上匯報(bào)前期預(yù)報(bào)結(jié)果，為碎石基床鋪設(shè)決策提供基本依據(jù)(見(jiàn)圖6)。

(2)中期跟蹤、預(yù)警。跟蹤及預(yù)警：整平船進(jìn)場(chǎng)開(kāi)始鋪設(shè)碎石基床后，逐日跟蹤現(xiàn)場(chǎng)的含沙量、氣象徑流及基槽內(nèi)泥沙淤積變化，并根據(jù)情況進(jìn)行不同級(jí)別的預(yù)警，為碎石基床鋪設(shè)的繼續(xù)實(shí)施或減淤措施等決策提供基本依據(jù)。

(3)臨近預(yù)報(bào)。在沉管浮運(yùn)前2 d，根據(jù)本期的實(shí)際跟蹤情況，對(duì)前期預(yù)報(bào)值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，對(duì)下一步基床清淤提出建議，提交確認(rèn)報(bào)告。

圖7 E24基床前期預(yù)報(bào)及跟蹤曲線Fig.7 The curve of prediction and tracking

4 預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)作情況

以E24管節(jié)為例，對(duì)本預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的運(yùn)作及效果作一簡(jiǎn)要介紹。

我們于2015年12月8日作出E24管節(jié)碎石基床泥沙淤積的前期預(yù)報(bào)(碎石基床逐日泥沙淤積預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖7)，并提交前期預(yù)報(bào)報(bào)告?？偨?jīng)理部經(jīng)綜合分析氣象窗口和泥沙淤積預(yù)報(bào)結(jié)果，決定從2015年12月9日開(kāi)始鋪設(shè)碎石基床。從該日開(kāi)始，逐日跟蹤各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化，并將每日跟蹤及預(yù)警日?qǐng)?bào)提交總經(jīng)理部。每日碎石基床泥沙淤積跟蹤結(jié)果見(jiàn)圖7。

根據(jù)碎石基床泥沙淤積逐日跟蹤情況，于12月17日提交了臨近預(yù)報(bào)(確認(rèn)報(bào)告)。

(1)本次基槽回淤預(yù)報(bào)方法是基于基槽現(xiàn)場(chǎng)淤積實(shí)測(cè)資料經(jīng)相關(guān)分析所得，經(jīng)E15～E23管節(jié)十次沉放過(guò)程中的基床淤積驗(yàn)證是正確的，又經(jīng)12月9日～16日E24管節(jié)基槽多波束掃測(cè)資料和回淤盒的觀測(cè)資料檢驗(yàn)是合理可信的。

(2)本次臨近預(yù)報(bào)給出E24管節(jié)碎石基床2015年12月10日0時(shí)至12月20日23時(shí)平均累計(jì)淤積厚度為：容重按1.26 t/m3計(jì)，0.080～0.086 m；容重按1.15 t/m3計(jì)，0.148～0.158 m。

(3)根據(jù)五工區(qū)12月10～15日多波束及回淤盒逐日測(cè)量結(jié)果，E24碎石基床淤積基本正常。但近日徑流及風(fēng)浪較大，建議根據(jù)基床回淤監(jiān)測(cè)情況，加大潛水?dāng)_動(dòng)減淤措施，以保證E24碎石基床淤積厚度控制在設(shè)計(jì)要求范圍以內(nèi)。

E24管節(jié)12月20日浮運(yùn)，21日順利完成沉放和對(duì)接安裝。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)工程附近海域的水動(dòng)力和泥沙環(huán)境，抓住了影響泥沙淤積的主要因素，提出了“等效潮差”理論，極大程度簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，本預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)可在2 h內(nèi)得出計(jì)算結(jié)果，達(dá)到了能夠快速反應(yīng)的目的；(2)采用本研究創(chuàng)立的公式，利用逐日的潮汐、風(fēng)浪及徑流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為計(jì)算參數(shù)，本系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間可精確到天，基槽泥沙淤積厚度預(yù)報(bào)精確度達(dá)到厘米級(jí)；(3)港珠澳大橋沉管隧道基槽泥沙淤積預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了E15～E33管節(jié)共19個(gè)管節(jié)的基槽泥沙淤積預(yù)警預(yù)報(bào)，從預(yù)報(bào)后碎石基床泥沙淤積實(shí)測(cè)結(jié)果的跟蹤曲線來(lái)看，每次的泥沙淤積預(yù)報(bào)都是成功的，本系統(tǒng)得到了實(shí)際工程的檢驗(yàn)。