深中通道沉管隧道沿線水沙環(huán)境特征研究

金文良，韓志遠，李懷遠，謝華亮

(1.深中通道管理中心，廣州 510600；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

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

深圳至中山跨江通道(簡稱“深中通道”)位于粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)域(見圖1)，連接廣東省深圳市和中山市，橫跨伶仃洋，北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km，是世界級超大的“橋、島、隧、水下互通”集群工程，主體工程全長約24.0 km，采用雙向八車道的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時速100 km/h。深中通道采用“西橋東隧”方案，東端通過深圳機場互通立交(東人工島)與廣深沿江高速銜接，以長約6.8 km的海底隧道下穿東灘、機場支航道及礬石水道，通過西人工島實現(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，通過橫門互通立交對接中開高速。深中通道通車后將成為連接珠江口東西兩岸的重要通道，中山至深圳的通勤時間將由2 h縮減為30 min，更將改變粵西湛江、茂名、陽江等地民眾前往深圳乃至粵東必經(jīng)虎門的交通瓶頸。

深中通道海底隧道為世界首次使用的雙向八車道超寬鋼殼混凝土沉管隧道，能適應(yīng)超寬、深埋、變寬等建設(shè)條件，具有承載能力強、抗裂性能好、耐久性好、對海洋環(huán)境影響較小等優(yōu)勢。海底隧道沉管共分為32個管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長寬為165 m×46 m，每個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)重約8萬t，隧道基槽最深處底標(biāo)高-38 m(理論基面，下同)。

深中通道沉管隧道自西向東穿越礬石淺灘、礬石水道、伶仃東灘兩大地貌單元(見圖1)：東灘上有交椅沙～公沙、公沙水道等次級地貌單元，水深在-2～-4 m之間；礬石水道及礬石淺灘水域由于挖沙形成大規(guī)模的挖沙坑，水深在-11～-15 m之間?；垩鼐€開挖深度，挖沙坑段在5～26 m之間，東灘段在16～23 m之間。2016年5月～2017年5月期間在礬石航道東側(cè)淺灘上進行了回淤觀測試驗工作[1]。

深中通道沉管隧道下穿伶仃洋東灘、機場支航道及礬石水道挖沙坑，沿線灘槽地形變化及水文泥沙情勢較為復(fù)雜。隧道沿線水沙環(huán)境特征是影響隧道基槽回淤的主要原因，也是隧道設(shè)計與施工過程中必須要考慮關(guān)鍵問題之一[1-4]。鑒于此，2017年7月24日～31日(閏六月初二至初九)在深中通道隧道基槽沿線水域開展了同步4站(位置見圖1，2#站位于礬石水道挖沙坑，1#站位于試挖槽北側(cè)，3#～4#站位于東灘)為期8 d的定點連續(xù)水流、含沙量同步監(jiān)測資料，并對隧道沿線的底質(zhì)、浮泥等情況進行了調(diào)查。本文基于深中通道隧道沿線同步水沙監(jiān)測資料[5]，對隧道沿線的水沙環(huán)境特征進行了研究，并探討了其對隧道基槽回淤的影響。

1 深中隧道沿線的水沙環(huán)境特征

1.1 深中隧道沿線潮流特征

深中通道所在伶仃洋水域潮汐屬不規(guī)則半日潮，潮流屬不規(guī)則半日潮流，赤灣站多年平均潮差為1.35 m。觀測期間赤灣站大潮最大潮差2.96 m，平均潮差1.87 m，小潮最大潮差1.06 m，平均潮差0.9 m。隧道沿線各站漲、落潮流速統(tǒng)計見表1，潮流矢量見圖2，由圖表可以看出：

(1)隧道沿線各站表、底層水流均呈往復(fù)流運動，表層歷時較長，為洪季上游來水量較大影響所致。

(2)大潮各站表層平均流速，漲潮為0.39～0.47 m/s，落潮為0.54～0.78 m/s；表層最大流速，漲潮為0.71～0.79 m/s，落潮為1.06～1.47 m/s；各站落潮流速均大于漲潮流速。大潮各站底層平均流速，漲潮為0.2～0.42 m/s，落潮為0.25～0.35 m/s；底層最大流速，漲潮為0.36～0.69 m/s，落潮為0.52～0.63 m/s；2#站漲潮流速大于落潮流速，其他各站落潮流速大于漲潮流速。大潮各站垂線平均流速，漲潮平均為0.33～0.45 m/s，漲潮最大為0.54～0.8 m/s，落潮平均為0.47～0.59 m/s，落潮最大為0.81～1.04 m/s，各站落潮流速均大于漲潮流速。

從隧道沿線大潮期流速分布看，挖沙坑水域表層漲潮流速小于東灘水域，略大于試挖槽水域，略小于東灘水域；挖沙坑水域表層落潮流速明顯大于試挖槽及東灘水域；挖沙坑水域底層漲潮流速大于試挖槽附近及東灘水域，底層落潮流速小于試挖槽及東灘水域；試挖槽水域與東灘差異較小。

(3)小潮各站表層漲潮平均流速為0.09～0.24 m/s，落潮平均流速為0.49～0.53 m/s，漲、落潮最大流速為0.22～0.89 m/s，表層漲潮流速遠小于落潮流速且漲潮歷時很短；小潮各站底層漲、落潮平均流速為0.1～0.3 m/s，最大流速為0.1～0.6 m/s，2#站和4#站漲潮流速大于落潮流速，其他各站漲、落潮流速基本相當(dāng)。小潮各站垂線平均流速為0.2～0.41 m/s，垂線平均最大流速為0.37～0.66 m/s，2#站和4#站漲潮流速大于落潮流速，其他各站漲、落潮流速基本相當(dāng)。

從小潮期隧道沿程流速分布看，挖沙坑水域表層漲潮流速大于試挖槽水域，略小于東灘水域，表層落潮流速與試挖槽及東灘水域基本相當(dāng)；挖沙坑水域底層漲潮流速大于試挖槽及東灘水域，底層落潮流速小于試挖槽及東灘水域；試挖槽附近漲潮流速小于東灘水域，落潮流速與東灘水域基本相當(dāng)。

(4)總的來看，深中隧道沿線洪季潮流均呈往復(fù)運動，表層落潮流速較大且落潮歷時較長；底部流速和垂線平均流速，挖沙坑水域漲潮流較大，東灘及試挖槽水域落潮流較大。表層漲潮流速，挖沙坑水域略大于試挖槽水域而小于東灘水域；表層落潮流速，挖沙坑水域大于東灘及試挖槽水域；底部漲潮流速，挖沙坑水域大于東灘及試挖槽水域，底部落潮流速，挖沙坑水域略小于東灘及試挖槽水域；挖沙坑水域垂線漲、落潮流速均大于東灘及試挖槽水域。

表1 隧道基槽沿線各站漲、落潮平均及最大流速統(tǒng)計Tab.1 Mean and max flow velocity in tidal period along the immerged tunnel of Shenzhong Link m/s

圖2 隧道基槽沿線大、小潮流速矢量Fig.2 Velocity vector of tide flow during flood and neap tide

1.2 深中隧道沿線含沙量特征

深中隧道沿線2017年7月24～31日(閏六月初二至初九)含沙量監(jiān)測結(jié)果見表2及圖3～圖4：

(1)隧道沿線各站漲、落潮垂線平均含沙量，大潮為0.06～0.08 kg/m3，小潮為0.02～0.03 kg/m3，大潮時落潮略大，小潮時漲潮略大。各站漲、落潮垂線平均含沙量分布，以東灘水域3#～4#站較大，挖沙坑水域2#站及試挖槽水域1#站差別不大。

(2)隧道沿線各站漲、落潮底部平均含沙量，大潮為0.1～0.28 kg/m3，小潮為0.03～0.08 kg/m3，大潮時2#和3#漲潮大于落潮，1#和4#漲落潮差異不大；小潮時，2#～4#站漲潮大于落潮，1#站落潮略大于漲潮。各站底部平均含沙量平面分布，大潮時以挖沙坑水域2#站最大，以試挖槽水域1#站最小，東灘水域3#和4#站略大于1#站；小潮時，漲潮平均含沙量以2#站最大，1#站最?。宦涑逼骄沉恳?#站最大，2#～4#站差異不大。

(3)隧道沿線各站底部8 d平均含沙量為0.07～0.13 kg/m3，大潮基本在0.15～0.3 kg/m3之間，小潮基本在0.05 kg/m3以下；以挖沙坑水域2#站最大，東灘水域3#和4#站次之，試挖槽水域1#站最小，2#站約為1#站的2倍，3#、4#站約為1#站的1.3～1.4倍。底部最大含沙量，大潮時2#站為0.7～1.0 kg/m3，1#站及3#、4#站為0.3～0.4 kg/m3；小潮時2#～4#站為0.1 kg/m3左右，1#站為0.05 kg/m3左右。

(4)本次含沙量監(jiān)測經(jīng)歷大潮至小潮的過程，隧道沿線各站垂線平均及底部含沙量變化過程均與潮型和流速變化過程具有較好的相關(guān)性，即含沙量變化呈現(xiàn)大潮大、中潮次之、小潮最小的變化特點。漲、落潮最大含沙量基本出現(xiàn)在漲、落急前后時刻，最小含沙量基本出現(xiàn)在轉(zhuǎn)流前后時刻。

(5)從隧道沿線垂線平均含沙量分布看，東灘水域略大于挖沙坑及試挖槽水域，挖沙坑和試挖槽水域差別不大。從底部含沙量分布看，挖沙坑水域最大，東灘水域次之，試挖槽水域最小。

表2 隧道基槽沿線各站含沙量統(tǒng)計(1#-4#站)Tab.2 Mean and the maximum value of sediment concentration in flood and ebb period at 1#～4# station

圖3 深中隧道基槽沿線各站逐日平均及最大含沙量(1#～4#站)Fig.3 Daily changes of mean and the maximum value of sediment concentration at 1# ～ 4# station

圖4 2#站和3#站逐時含沙量及流速變化過程線Fig.4 Hourly changes of suspended sediment constriction and flow velocity at 2# and 3# station

1.3 深中隧道基槽沿線底質(zhì)特征

根據(jù)2017年7月深中隧道沿線海床表層沉積物取樣結(jié)果分析：

(1)隧道沿線海床底質(zhì)類型，除了試挖槽北側(cè)公沙淺灘局部區(qū)域有粗中細砂、中細砂等砂質(zhì)泥沙分布外，其他區(qū)段底質(zhì)類型以粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土等細顆粒泥沙為主，夾雜有少量的砂-粉砂-粘土。

(2)隧道沿線底質(zhì)中值粒徑為0.003～0.41 mm，平均值為0.027 mm。其中砂質(zhì)泥沙的中值粒徑為0.18～0.41 mm，平均值為0.26 mm；細顆粒泥沙的中值粒徑為0.003～0.02 mm，平均值為0.005 mm。

(3)隧道沿線底質(zhì)分選系數(shù)為0.87～2.3，平均值為1.8。其中砂質(zhì)泥沙的分選系數(shù)在0.87～1.6之間，平均值為1.1，屬分選較好的沉積；細顆粒泥沙的分選系數(shù)在1.3～2.3之間，平均值為1.9，屬分選中常的沉積。

(4)隧道沿線的底質(zhì)粘土百分含量介于0.0%～61%之間。其中砂質(zhì)泥沙的粘土百分含量為0，細顆粒泥沙的粘土百分含量介于26%～61 %之間，平均值為45.3 %。

(5)隧道沿線海床底質(zhì)以細顆粒粘土質(zhì)沉積物為主，平均中粒徑約為0.005 mm；深中隧道附近水域懸沙中值粒徑約為0.006 mm，懸沙物質(zhì)主要為粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土。從懸沙物質(zhì)與海床沉積物基本一致看，這說明本海域懸沙物質(zhì)主要來源以周邊灘面就地起懸搬運為主。

2 討論

2.1 上游水沙對深中隧道沿線水沙特征的影響

根據(jù)珠江1959～2019年資料統(tǒng)計，珠江多年平均徑流量為3 700億m3，多年平均輸沙量約為6 900萬噸，河流輸沙以懸移質(zhì)為主。洪季(4～9月)河流含沙量較大，徑流量占全年70%以上，輸沙量占全年的90%以上，枯水期的徑流量小、含沙量低，輸沙量很少。伶仃洋匯聚了珠江虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門等4個口門(東四門)，東四門的分流比占珠江年徑流量的61.0%。

深中隧道地處虎門落潮通道下游，洪季時受虎門下泄水沙影響顯著。2017年8月中下旬，珠江徑流量基本在1.5～3萬m3/s之間，徑流量屬于偏大的月份，因此深中隧道沿線各站表層落潮流速明顯大于漲潮流速主要受上游洪水影響。同時，由于洪季河口鹽度分層作用明顯，伶仃洋東西槽內(nèi)均存在表層下泄沖淡水流和底層上溯的高鹽補償流構(gòu)成河口縱向凈環(huán)流也是較為顯著，表現(xiàn)為表層向下游而底部凈向上游的水沙凈輸移[5-6]。本次觀測期間挖沙坑內(nèi)2#站在大潮和小潮期間底部漲潮平均流速及含沙量均大于落潮，即與洪季礬石水道(東槽)底部上溯補償流增強有關(guān)。

洪季上游水沙對深中隧道沿線水沙特征的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面洪季上游輸沙量大，會經(jīng)虎門、蕉門等之間輸移至深中隧道附近，直接增大隧道沿線的水體含沙量。另一方面，底部流速增加也會增大床面泥沙起懸量而增加水體含沙量。深中通道試挖槽及伶仃航道等在洪季含沙量較高且回淤強度明顯較大，主要與洪季上游水沙影響有關(guān)。

2.2 地形差異對深中隧道沿線水沙特征的影響

深中隧道挖沙坑段所在礬石水道在地貌上屬虎門潮汐通道體系中的落潮槽，為虎門下泄水沙向外輸移的主要通道[6]，東灘同時受虎門下泄水沙和漲潮輸沙的影響，為緩慢淤積區(qū)。深中隧道沿線灘面底質(zhì)主要為中值粒徑小于0.02 mm的細顆粒泥沙，波流作用下較易于起動搬運，東灘由于水深較淺，灘面波浪掀沙作用較強，而挖沙坑段由于水深較大，波浪掀沙作用較弱，這也是東灘水域垂線平均含沙量大于挖沙坑段的主要原因。

挖沙坑水域被人工挖砂擾動破壞后，再加上新回淤的細顆粒泥沙，床面泥沙在較強漲、落潮流作用下較易起懸，因此挖沙坑水域的底部含沙量則明顯大于東灘水域。由于挖沙坑水域底部漲潮流速大于落潮流速，因此底部最大含沙量多出現(xiàn)在漲急前后時刻。

2.3 深中隧道沿線水沙特征對基槽回淤的影響

深中隧道沿線底部含沙量變化與流速變化密切相關(guān)，最大含沙量基本出現(xiàn)在漲、落急前后時刻，最小含沙量基本出現(xiàn)在轉(zhuǎn)流前后時刻，大潮時含沙量較高而小潮時含沙量較低，水體懸沙物質(zhì)與周邊灘槽細顆粒泥沙基本相同，這表明潮流輸沙是深中隧道附近水域水沙輸移的主要形式。洪季珠江上游來水來沙量增大，對隧道沿線水沙環(huán)境有明顯影響。

據(jù)2016年5月～2017年5月期間深中試挖槽回淤監(jiān)測，試挖槽洪季平均淤強約為2 cm/d，枯季平均淤強小于1 cm/d，試挖槽淤積以懸沙落淤為主，回淤泥沙主要來自隨潮流輸運的泥沙且上游的影響較大[1]。深中隧道沿線水沙輸移均以潮流輸沙為主，隧道基槽開挖后全線回淤都將會以懸沙落淤為主。由于挖沙坑水域和東灘水域底部含沙量大于試挖槽附近，基槽全線開挖后挖沙坑段和東灘段的回淤強度會大于試挖槽附近。

就挖沙坑水域而言，底部含沙量大與挖沙坑底部擾動及新回淤的泥沙易于起動搬運有關(guān)。雖然隧道附近挖沙坑內(nèi)不存在大量流動性浮泥[7]，但是考慮到大潮時底部最大可達1 kg/m3，因此挖沙坑內(nèi)底層泥沙懸揚產(chǎn)生的較高含沙水體對基槽淤積的影響不容忽視。就東灘水域而言，底部含沙量大與上下游淺灘泥沙易于起動搬運有關(guān)，由于基槽沿線東灘水域水深較小，施工過程中船舶的擾動對底部含沙量及深中基槽淤積的影響也值得關(guān)注。

3 結(jié)論

根據(jù)深中隧道沿線洪季同步水沙監(jiān)測資料進行分析，得出主要結(jié)論如下：

(1)隧道沿線潮流均呈往復(fù)運動，大潮流速較大、小潮流速較小，各站大小潮表層落潮流均較強，挖沙坑水域底部漲潮流較強，東灘及試挖槽水域底部落潮流較強。

(2)隧道沿線水域底部含沙量變化與流速變化密切相關(guān)，最大含沙量基本出現(xiàn)在漲、落急前后時刻，大潮時含沙量較高而小潮時含沙量較低。隧道沿線懸沙物質(zhì)與周邊海床底質(zhì)基本一致，潮流輸沙將是基槽水域水沙輸移的主要形式。

(3)隧道沿線挖沙坑水域和東灘水域底部含沙量大于試挖槽水域，因而基槽開挖后挖沙坑段和東灘段的回淤強度會大于試挖槽附近。