深中通道沉管隧道試挖槽回淤特征研究

金文良，韓志遠(yuǎn)，李懷遠(yuǎn)，謝華亮，楊 華

(1.深中通道管理中心，廣州 510600；2.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)

圖1 研究區(qū)域位置示意圖Fig.1 Sketch of study area

深圳至中山跨江通道工程(簡稱“深中通道工程”)采用東隧西橋方案，北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km。項(xiàng)目起于廣深沿江高速機(jī)場(chǎng)互通立交，在深圳機(jī)場(chǎng)南側(cè)跨越珠江口，在中山馬鞍島登陸，主體工程全長約24.0 km(見圖1)。深中通道通過深圳機(jī)場(chǎng)互通立交(東人工島)與廣深沿江高速銜接，以長約7 km海底隧道下穿東灘、機(jī)場(chǎng)支航道及礬石水道，通過西人工島實(shí)現(xiàn)隧橋轉(zhuǎn)換，以橋梁連續(xù)跨越礬石淺灘、伶仃水道、西灘和橫門東水道，通過橫門互通與中開高速對(duì)接。項(xiàng)目采用雙向八車道的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度41 m，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。深中通道海底隧道總長約7 km，兩端分設(shè)東西兩個(gè)人工島，東人工島位于深圳機(jī)場(chǎng)南側(cè)，呈半島型，西人工島位于伶仃水道與礬石水道之間的中灘上，隧道基槽槽底標(biāo)高-38 m(當(dāng)?shù)乩碚摶?，下?。

深中通道工程沉管隧道下穿東灘、機(jī)場(chǎng)支航道、礬石水道及礬石淺灘，所處礬石水道海域水文泥沙情況復(fù)雜，漲、落潮流強(qiáng)勁，且靠近珠江入?？陂T，因此隧道基槽的回淤問題是影響隧道設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵問題等[1-3]。有鑒于此，2016年5月至2017年5月，在深中通道隧道基槽水域開展了試挖槽回淤監(jiān)測(cè)研究。深中通道試挖槽位于深中通道工程K9+994～K10+094處，處在礬石水道東側(cè)的東灘邊緣(見圖1)，水深介于-3～-6 m之間。試挖槽槽底長100 m，寬25 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-18 m(理論基面)，北邊坡坡比為1:6與1:8，南邊坡坡比為1:5與1:7，東西側(cè)軸線方向取1:10，試挖槽周邊床面高程在-6～-4 m之間，開挖深度介于12～14 m之間。2016年5月31日試挖槽竣工驗(yàn)收后，開展了為期一年的多波速水深測(cè)量、回淤盒觀測(cè)、水沙監(jiān)測(cè)、密度測(cè)量、底質(zhì)取樣等工作。本文基于試挖槽為期一年的監(jiān)測(cè)資料[4-6]，研究了試挖槽回淤特征及水沙環(huán)境，探討了試挖槽回淤的原因。

1 試挖槽回淤特征

1.1 槽底回淤的季節(jié)變化

圖2 槽底各月淤厚及淤強(qiáng)變化Fig.2 Monthly changes of siltation in the trial dredged-trough

根據(jù)試挖槽竣工后2016年5月31日至2017年5月10日多次多波束水深測(cè)圖對(duì)比分析可知(見圖2)：

(1)2016年5月31日至2017年5月10日，試挖槽底部平均總淤厚約為3.21 m，平均淤強(qiáng)約為0.93 cm/d。其中2016年5月31日～9月25日期間平均總淤厚約為2.94 m，2016年9月25日～4月27日期間平均總淤厚約為0.14 m；2017年4月27日～2017年5月10日期間平均淤厚約為0.13 m。洪季回淤厚度明顯大于枯季。

(2)從回淤厚度逐月分布看，以2016年7～8月最大，其月回淤厚度在0.9～1.4 m之間；6月和9月次之，為0.2～0.4 m；2016年10月至2017年4月回淤厚度在-0.1～0.1 m之間，回淤很小。2016年6～9月的平均淤強(qiáng)為0.8～4.0 cm/d，平均淤強(qiáng)為2.5 cm/d，其中以8月最大(包含臺(tái)風(fēng)影響)；2016年10月至2017年4月的平均淤強(qiáng)僅為0.07 cm/d。試挖槽回淤呈現(xiàn)洪季明顯較大、枯季明顯較小的變化特點(diǎn)。

1.2 槽底回淤隨潮型變化

根據(jù)試挖槽內(nèi)2016年7月8～23日和8月6～21日兩次回淤盒觀測(cè)結(jié)果分析(見圖3)：

(1)第1次回淤盒觀測(cè)期間的總淤厚為0.50 m，平均淤強(qiáng)為3.3 cm/d。其中7月8～15日平均淤強(qiáng)為1.1 cm/d，7月15～23日期間的平均淤強(qiáng)為5.3 cm/d。觀測(cè)期間的最大淤強(qiáng)為9.0 cm/d，出現(xiàn)于7月20～23日期間，處在大潮向中潮過渡時(shí)段；最小淤強(qiáng)為0.4 cm/d，出現(xiàn)于7月11～15日期間，處在小潮時(shí)段；7月15～20日淤強(qiáng)為3.8 cm/d，處在中潮向大潮過渡時(shí)段。

圖3 回淤盒觀測(cè)的回淤厚度及淤強(qiáng)Fig.3 Siltation changes in the trial dredged-trough by using silting box

(2)第2次回淤盒觀測(cè)期間的總淤厚為0.33 m，平均淤強(qiáng)為2.2 cm/d。其中8月6～17日和17～21日期間的平均淤強(qiáng)分別為1.2 cm/d和5.2 cm/d；觀測(cè)期間的最大淤強(qiáng)為5.2 cm/d，出現(xiàn)于8月17～21日，處在大潮時(shí)段；最小淤強(qiáng)為0.3 cm/d，出現(xiàn)于8月9～15日，處在小潮時(shí)段。

(3)兩次回淤盒觀測(cè)結(jié)果都反映出試挖槽淤積與潮型(或流速)變化密切相關(guān)。大潮時(shí)淤強(qiáng)基本在3～5 cm/d之間，中小潮時(shí)平均淤強(qiáng)約為1 cm/d。7月20～23日試挖槽底出現(xiàn)了異常強(qiáng)淤積，與該時(shí)段大潮期間回淤較大有關(guān)，再加上北邊坡淤積物滑落較多，導(dǎo)致槽內(nèi)出現(xiàn)異常強(qiáng)淤積。

1.3 試挖槽回淤平面分布

試挖槽2016年5月31日～2017年5月10日期間不同時(shí)段地形沖淤分布特征如下(見圖4)。

2016年5月31日～6月30日淤積2016年6月30日～7月28日淤積2016年7月28日～8月3日淤積

2016年8月3～21日淤積2016年8月21日～9月25日淤積2016年9月25日～11月15日淤積

2016年11月15日～2017年2月22日淤積2017年2月22日～5月10日淤積圖4 試挖槽不同時(shí)段回淤平面分布Fig.4 Siltation distribution in the trial dredged-trough

(1)2016年5月31日～6月30日期間，槽底、北邊坡和東邊坡普遍淤積，淤厚0.2～0.8 m，北邊坡淤積厚度大于底部；南邊坡和西邊坡-12 m以下淤厚0.2～0.4 m，而-12 m以上略有沖刷。試挖槽邊坡和槽底淤積分布均呈北部大于南部、東部大于西部的特點(diǎn)。

(2)2016年6月30日～7月28日期間，槽底淤厚達(dá)0.6～1 m，呈北部大于南部的特點(diǎn)；各個(gè)邊坡整體呈淤積狀態(tài)，淤積厚度在0.2～0.6 m之間，其中以東邊坡最大。槽外灘面地形保持穩(wěn)定。

(3)2016年7月28日～8月3日期間，槽底淤厚0.4～1.0 m，北邊坡和西邊坡整體呈小幅淤積狀態(tài)，南邊坡和東邊坡整體沖刷狀態(tài)，東邊坡-10～-16 m之間局部水域沖刷幅度在0.2～1.0 m之間。槽外灘面地形保持穩(wěn)定。這段時(shí)間槽底出現(xiàn)大幅淤積與8月2日臺(tái)風(fēng)“妮妲”過境影響有關(guān)。

(4)2016年8月3日～8月21日期間，槽底淤厚0.2～0.8 m，呈現(xiàn)東部大于西部的特點(diǎn)；北邊坡和東邊坡下半部呈明顯淤積，淤厚0.2～0.6 m；東邊坡上半部變化不大，南邊坡和西邊坡整體呈沖刷狀態(tài)。2016年8月21日～9月25日期間，槽底淤厚0.4～0.6 m。邊坡淤積幅度整體在0.2 m以下，北邊坡略大。

(5)2016年9月25日～11月15日期間，東、南邊坡呈沖刷狀態(tài)，沖刷幅度在0～0.5 m之間，北邊坡和西邊坡變化不大；槽底基本不淤積，槽外灘面地形保持穩(wěn)定。2016年11月15日～2017年2月22日期間，北邊坡-14 m線以下淤積厚度在0.2～0.4 m之間，東、西邊坡和南邊坡淤積較小；槽底淤厚0.1～0.2 m。2017年2月22日～5月10日期間，北邊坡淤厚在0～0.2 m之間，東、西邊坡和南邊坡淤積較??；槽底淤厚0～0.2 m，槽外灘面地形保持穩(wěn)定。

總的來看，試挖槽邊坡和槽底淤積分布整體呈北部和東部大、南部和西部小的分布特點(diǎn)，同時(shí)，試挖槽外灘面地形保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的沖淤變化。

1.4 試挖槽回淤物特征

根據(jù)2016年6月、8月、11月和2017年4月試挖槽內(nèi)底質(zhì)取樣結(jié)果分析。

(1)2016年6月，槽內(nèi)回淤物主要為粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂，中值粒徑平均值為0.006 2 mm，粘土含量平均值為44.9%。2016年8月，槽內(nèi)回淤物質(zhì)主要為粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土，中值粒徑平均值為0.006 6 mm，粘土含量平均值為32.2%。

(2)2016年11月，槽內(nèi)回淤物質(zhì)主要為粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土，中值粒徑平均值為0.005 3 mm，粘土含量平均值為38.4%。2017年4月，槽內(nèi)回淤物質(zhì)主要為粉砂質(zhì)粘土，中值粒徑平均值為0.004 6 mm，粘土含量平均值為61.0%。

(3)試挖槽4次底質(zhì)取樣結(jié)果顯示，試挖槽內(nèi)回淤物質(zhì)主要為粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土，平均中值粒徑約為0.006 mm，洪季略粗于枯季。

1.5 槽內(nèi)淤泥密度特征

根據(jù)試挖槽2016年6月3次、8月2次、9月1次、10月1次、11月3次、2017年1月1次、2月1次和4月1次共計(jì)13次密度測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知：

(1)試挖槽內(nèi)密度1.05～1.20 kg/L之間的平均浮泥厚度，6月3次測(cè)量結(jié)果為0.37～0.38 m，8月及9月3次測(cè)量結(jié)果在0.59～0.98 m之間，10月1次為0.29 m，11月至翌年4月6次測(cè)量結(jié)果在0.09～0.18 m之間；試挖槽內(nèi)密度大于1.20 kg/L的平均淤泥厚度，6月3次及8月6日測(cè)量結(jié)果為0.16～0.31 m，8月21日以后9次測(cè)量結(jié)果在0.71～1.74 m之間。這顯示洪季及臺(tái)風(fēng)期浮泥層較厚，枯季回淤物質(zhì)逐漸密實(shí)，浮泥層較薄。

(2)洪季時(shí)試挖槽內(nèi)浮泥層整體較厚，而枯季時(shí)浮泥層較薄，這與洪季淤積較多而枯季淤積較少有關(guān)。

圖5 固定站日平均底部含沙量過程線Fig.5 Daily-averaged bottom SSC of fixed survey station

2 討論

2.1 水動(dòng)力條件對(duì)回淤的影響

試挖槽2016年6月21～22日大潮ADCP走航斷面流速測(cè)量結(jié)果分析可知(見圖5)

(1)試挖槽水域漲、落潮主流向，漲潮基本為NNW-N向，落潮基本為S-SSE向。其中表層流呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流特征，試挖槽內(nèi)底部則有明顯的橫流。表層漲潮平均流速基本在0.2～0.4 m/s之間，落潮平均流速基本在0.4～0.7 m/s之間；底部漲潮平均流速基本在0.1～0.5 m/s之間，落潮平均流速在0.1～0.6 m/s之間。

(2)試挖槽內(nèi)底部流速明顯小于其南北兩側(cè)邊坡及槽外邊灘水域，槽底漲落潮平均流速在0.1～0.2 m/s之間。試挖槽底部流速小且存在明顯的橫流是試挖槽內(nèi)泥沙回淤較多的水動(dòng)力條件。

2.2 洪水和臺(tái)風(fēng)的影響

(1)洪水對(duì)試挖槽回淤的影響。

珠江2016年6月最大流量約為4萬m3/s，7～8月最大流量約為1.5～2.5萬m3/s，9～10最大流量分別為1～1.5萬m3/s。11月至翌年2月，珠江流量基本在0.5～1.0萬m3/s之間。因此，試挖槽內(nèi)洪季淤積較大與洪季上游來水來沙量較大有關(guān)，枯季基本不淤與枯季來水來沙量少有關(guān)。

(2)臺(tái)風(fēng)對(duì)試挖槽回淤的影響。

臺(tái)風(fēng)對(duì)試挖槽回淤也有顯著的影響，2016年8月2日第4號(hào)臺(tái)風(fēng)“妮妲”過境本區(qū)，中心最大風(fēng)力達(dá)11級(jí)，造成了試挖槽較強(qiáng)淤積。根據(jù)臺(tái)風(fēng)前后7月28日～8月3日兩次測(cè)圖對(duì)比，試挖槽底平均淤厚約為0.68 m，平均淤強(qiáng)達(dá)11.3 cm/d。試挖槽底部回淤平面分布呈南部大于北部的特點(diǎn)，北邊坡和西邊坡整體呈小幅淤積狀態(tài)，南邊坡和東邊坡整體沖刷狀態(tài)，東邊坡-10～-16 m水深之間局部水域沖刷幅度在0.2～1.0 m之間。臺(tái)風(fēng)過境期間，試挖槽外灘面地形保持穩(wěn)定，試挖槽底部回淤較重主要與東邊坡回淤泥沙滑落有關(guān)。

2.3 試挖槽水域的含沙量特征

根據(jù)試挖槽上、下游500 m處1#(上游)和2#(下游)2個(gè)固定站(位置見圖1)2016年6～7月、8月及11月實(shí)測(cè)含沙量資料進(jìn)行分析可知(見圖5)。

(1)1#和2#固定站底部平均含沙量，6～7月分別為0.1 kg/m3和0.08 kg/m3，8月分別為0.05 kg/m3和0.04 kg/m3，11月為0.03 kg/m3左右。8月和11月小潮時(shí)含沙量差異不大，但大潮時(shí)8月明顯大于11月。洪季含沙量較大，枯季含沙量較小。

(2)2016年6～7月1#和2#站底部含沙量均較大，且上游(1#)大于下游(2#)，這與監(jiān)測(cè)期間大洪水影響有關(guān)。8月和11月底部含沙量，兩站小潮時(shí)差異不大，大潮時(shí)1#站明顯大于2#站。

(3)1#和2#固定站底部日平均含沙量，洪季大潮時(shí)為0.1～0.4 kg/m3，小潮時(shí)有大洪水時(shí)可達(dá)0.1 kg/m3、沒有大洪水時(shí)在0.03 kg/m3以下；枯季大潮時(shí)為0.05～0.08 kg/m3，小潮時(shí)在0.03 kg/m3以下。試挖槽水域含沙量呈現(xiàn)大潮-中潮-小潮逐漸降低的變化特點(diǎn)。

(4)工程海域懸沙平均中值粒徑約為0.006 mm，懸沙物質(zhì)主要為粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土[4]。槽內(nèi)回淤物質(zhì)與懸沙物質(zhì)基本一致，這說明試挖槽回淤形式以懸沙落淤為主。

2.4 試挖槽回淤原因分析

根據(jù)試挖槽水域的水沙環(huán)境及試挖槽淤積特征進(jìn)行綜合分析可知：

(1)洪季(6～9月)上游來沙量大、試挖槽水域水體含沙量較高，回淤量較大；枯季上游來沙量小，試挖槽水域水體含沙量低、回淤量較小。這說明珠江上游來沙對(duì)試挖槽水域含沙量變化有影響，但槽內(nèi)淤強(qiáng)峰值出現(xiàn)時(shí)段與珠江大洪水出現(xiàn)的時(shí)段并不一致。

(2)洪、枯季試挖槽上游含沙量均大于下游，試挖槽邊坡及槽底淤積均有北部大、南部小的分布特點(diǎn)，這說明試挖槽回淤泥沙主要來源于上游方向。

(3)試挖槽水域底部含沙量有隨大潮-中潮-小潮逐漸減小的變化特點(diǎn)。試挖槽淤積強(qiáng)度隨大潮-中潮-小潮逐漸減小的變化趨勢(shì)與含沙量變化特點(diǎn)基本一致，槽內(nèi)淤積物與懸沙物質(zhì)及周邊灘槽細(xì)顆粒泥沙基本相同，這說明試挖槽淤積的泥沙主要為隨潮流搬運(yùn)輸移的泥沙，試挖槽槽內(nèi)淤積形式以懸沙落淤為主。

由此可見，試挖槽回淤泥沙主要來源于上游方向，槽內(nèi)淤積形式以懸沙落淤為主。

3 結(jié)論

根據(jù)深中通道將近一年的回淤觀測(cè)資料進(jìn)行分析，得出主要結(jié)論如下：

(1)試挖槽底部平均總淤厚3.21 m，呈現(xiàn)洪季明顯較大、枯季明顯較小的變化特點(diǎn)。

(2)試挖槽邊坡和槽底淤積分布整體呈北部和東部大、南部和西部小的分布特點(diǎn)。試挖槽外灘面地形保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的沖淤變化。

(3)試挖槽回淤強(qiáng)度呈大潮-中潮-小潮逐漸減小的變化特點(diǎn)，與試挖槽水域底部含沙量隨大潮-中潮-小潮逐漸降低的變化趨勢(shì)基本一致。

(4)試挖槽槽內(nèi)淤積物與懸沙物質(zhì)及周邊灘槽細(xì)顆粒泥沙基本相同，試挖槽淤積的泥沙主要為隨潮流搬運(yùn)輸移的泥沙，上游方向泥沙的影響大于下游方向。試挖槽槽內(nèi)淤積形式以懸沙落淤為主。