徐六涇深槽穩(wěn)定性對中俄東線天然氣管道長江盾構(gòu)隧道的影響分析

楊 陽,李文斌,孫思瑞,魏 猛,黃衛(wèi)東

(1.長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局,湖北 武漢 430010; 2.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司 西氣東輸分公司,上海 200122; 3.長江科學(xué)院 河流研究所,湖北 武漢 430010)

0 引 言

中俄東線天然氣管道工程(簡稱“中俄東線”)是構(gòu)筑中國東北油氣戰(zhàn)略通道的重要工程,有利于促進中國天然氣進口氣源多元化,保障中國天然氣供應(yīng)安全,其中長江盾構(gòu)隧道是中俄東線的控制性工程。中俄東線在蘇通大橋下游約6 km處以盾構(gòu)隧道的形式穿越長江口徐六涇節(jié)點河段。兩岸工作井之間隧道水平投影長度約為10.23 km,設(shè)計隧道外徑為7.6 m,穿江隧道頂部最低點設(shè)計高程為-60.20 m(1 985國家高程基準(zhǔn),下同)[1]。

徐六涇節(jié)點河段河床演變復(fù)雜,影響因素眾多,且穿越斷面位于徐六涇深槽槽尾處,其河床演變規(guī)律、尤其是徐六涇深槽的穩(wěn)定性是工程設(shè)計關(guān)注的重點之一。為此,本文在參考以往相關(guān)研究的基礎(chǔ)上重點分析徐六涇深槽近期演變特性和深槽穩(wěn)定性的影響因素,并通過物理模型試驗預(yù)測徐六涇深槽的演變趨勢,進一步分析徐六涇深槽穩(wěn)定性對長江盾構(gòu)隧道的影響,為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 河道概況

中俄東線長江盾構(gòu)隧道位于長江口徐六涇節(jié)點河段,河勢見圖1。徐六涇節(jié)點河段起于徐六涇、止于白茆河口,上接通州沙汊道段,下接白茆沙汊道段,全長約15 km。河段進口河寬約5.7 km,往下逐漸放寬,白茆河口附近約7.5 km,河道南、北兩岸分別有白茆小沙和新通海沙,均為水下暗沙,中間為徐六涇深槽。徐六涇節(jié)點段進口處主流偏南岸,過白茆小沙后北偏進入白茆沙汊道段,在白茆沙頭分流進入白茆沙南、北汊道,且自1958年來南汊一直為主汊[2-3]。

注:使用1985國家高程基準(zhǔn)。圖1 徐六涇節(jié)點河段河勢

徐六涇節(jié)點河段河勢變化多年來主要受圍墾、護岸工程等人類活動影響,近幾十年從水流分散、洲灘密布的河勢格局演變至河寬束窄、水流集中歸順的節(jié)點河段,目前總體河勢得到初步控制,灘槽格局基本穩(wěn)定[4-5]。

2 徐六涇深槽近期演變特性分析

2.1 平面變化

2001～2019年間6個測次徐六涇節(jié)點河段徐六涇深槽-20,-40,-50,-60 m特征值統(tǒng)計見表1,特征等高線見圖2。

表1 徐六涇深槽特征值統(tǒng)計

中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面位于徐六涇深槽-20 m 槽尾處,2001～2018年間,-20 m槽尾呈逐年下挫的趨勢。由表1特征值統(tǒng)計可知,-20 m槽槽尾2001～2018年累計下挫約1.82 km,與隧道斷面的距離從上游0.36 km下挫至下游1.46 km;2019年較2018年深槽槽尾稍有上提,上提約150 m。-40 m槽主要位于蘇通大橋橋位斷面上游,且主要受狼山沙東水道主流線擺動的影響,深槽頭部年際間變幅較大,有逐年上提的趨勢,槽尾位置相對穩(wěn)定,下距蘇通大橋橋位斷面420～780 m。蘇通大橋建成后(2005年8月主橋橋墩建成),-40 m槽發(fā)展至蘇通大橋橋位下游,橋位下游-40 m槽上邊緣距離蘇通大橋約850 m,分為上下兩部分,且2006～2019年間位置相對穩(wěn)定。由表1特征值統(tǒng)計可知,橋位下游-40 m槽大小有逐年增大的趨勢,槽尾與中俄東線長江盾構(gòu)隧道間的距離為3.05～3.31 km。

2006年后蘇通大橋下游開始出現(xiàn)-50 m槽(槽1),距離蘇通大橋橋址斷面約1.2 km,面積約0.012 km2;至2016年,槽1下移約200 m,面積增加至0.046 km2;2018年,槽1面積增加至0.16 km2,且在槽1下游約1.8 km處形成一個新的-50 m槽(槽2),面積約0.045 km2,槽尾距擬建工程斷面約3.1 km。由表1特征值統(tǒng)計可知,-50 m槽與中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面距離逐漸減小,2001～2018年共下移4.96 km,平均下移速率275 m/a。2019年,-50 m槽的槽1面積減小至0.15 km2,槽2面積進一步增大為0.065 km2。2016年后蘇通大橋下游開始出現(xiàn)-60 m槽,面積約0.008 km2,槽尾距中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面約4.85 km;2018年面積增大至0.040 km2,槽尾距中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面約4.78 km。

2.2 縱剖面變化

圖3給出了徐六涇節(jié)點河段1998～2018年深泓縱剖面變化情況,表2給出了1998～2019年徐六涇深槽縱剖面特征值統(tǒng)計情況。由圖表可知,徐六涇深槽深泓縱剖面年際間變幅較大,且20 a來有較顯著的沖刷下切趨勢,最深點高程由1998年的-41.0 m下切至2019年的-62.9 m,下降約21.9 m,平均下降速率為1.04 m/a,2016～2019年間,深槽有顯著下移。中俄東線長江盾構(gòu)隧道穿越斷面所在的白茆河口附近深泓縱剖面年際間較為穩(wěn)定,且有沖有淤,上下變幅在7 m左右。

圖3 徐六涇節(jié)點河段深泓縱剖面變化

表2 徐六涇深槽縱剖面特征值統(tǒng)計

2.3 工程斷面沖淤變化

中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面1978～2018年間10個測次的實測斷面線見圖4。隧道由左至右依次穿越了新江海河河口、徐六涇深槽槽尾、白茆小沙沙尾、白茆河口,總體呈“W”形。斷面沖淤變化可分2個階段:① 1992年前為“劇烈沖淤”階段,斷面深槽顯著沖深且向右岸發(fā)展,深槽由偏“V”形演變?yōu)椤癠”形,斷面深泓顯著右移;② 1992年后為“緩慢沖淤”階段,斷面總體形態(tài)基本保持不變,深泓點在河道中心線附近擺動且略有下切,斷面局部有沖有淤。斷面最深點高程變化范圍為-24.17～-15.67 m,斷面最深點橫向變幅2 196 m左右;河演包絡(luò)線最深點高程為-24.17 m,出現(xiàn)在1998年11月測次。

圖4 中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面沖淤變化

3 深槽穩(wěn)定性影響因素分析

3.1 來水來沙條件

2003年三峽水庫蓄水后,長江中下游河段徑流量變化不大,但輸沙量明顯減少。2003～2018年,長江下游大通水文站年均徑流量為8 597億m3,年均懸移質(zhì)年輸沙量為1.34億t,與1950～2002年多年平均值相比分別減少了5.0%和68.6%。

河床的沖淤變化主要是水流的不平衡輸沙造成的,含沙量是反映來水來沙條件對河床沖淤作用的一個重要指標(biāo):同一河段,較大的含沙量有利于河床淤積,較小的含沙量有利于河床沖刷。圖5是大通水文站三峽蓄水前后多年平均含沙量的變化情況,從圖中可以反映出三峽蓄水后長江口河段汛期水流含沙量大幅的減小,來水來沙條件的變化使河段具有沖刷的傾向,是徐六涇節(jié)點河段近期總體呈沖刷趨勢的原因。

圖5 大通站多年平均含沙量變化過程

3.2 整治工程建設(shè)

近年來,長江南京以下12.5 m深水航道整治工程、新通海沙圍墾工程等使得徐六涇節(jié)點河段及上、下游河道岸線及主要洲灘大部分得以穩(wěn)定。隨著今后河道及航道整治工程的繼續(xù)實施以及沿江岸線的開發(fā)利用,將進一步限制河道橫向演變的空間,現(xiàn)有的灘槽格局將維持較長時間基本不變,徐六涇節(jié)點河段整體河勢將進一步向穩(wěn)定的方向發(fā)展。

3.3 河床組成

中俄東線長江盾構(gòu)隧道穿越斷面附近河床表層主要為淤泥質(zhì)土和粉土,根據(jù)2019年11月隧道斷面附近3個斷面共9個取樣點的床沙顆分成果,樣本粒徑范圍為0.009～0.150 mm,中值粒徑d50=0.102 mm,采用張瑞瑾起動流速公式[6]計算床沙樣本d50在水深為10～50 m下的起動流速,得到床沙起動流速范圍為0.48～1.04 m/s。

根據(jù)2019年11月(枯季)隧道斷面實測流速,斷面垂線平均流速范圍為0.53～0.90 m/s,根據(jù)水動力模型試驗研究成果[7],隧道斷面徐六涇深槽區(qū)域落潮平均流速一般在0.8～2.5 m/s,基本均大于床沙起動流速。由此可知隧道斷面附近河床泥沙在現(xiàn)有水流條件下易起動。

3.4 蘇通大橋建設(shè)

根據(jù)前文分析可知,蘇通大橋橋位下游-40 m槽出現(xiàn)于蘇通大橋建成后,上邊緣距離蘇通大橋約850 m,且2006～2018年間位置相對穩(wěn)定,說明蘇通大橋建設(shè)引起了橋位下游出現(xiàn)局部沖刷。

2006年后蘇通大橋下游開始出現(xiàn)-50 m槽(槽1),距離蘇通大橋橋址斷面約1.2 km; 2018年槽1面積進一步增大且下游約1.8 km處形成一個新的-50 m槽(槽2)。根據(jù)相關(guān)研究成果[8],蘇通大橋建設(shè)對河道地形影響范圍約為橋址上、下游1.5 km以內(nèi)。槽1距橋址斷面約1.2 km且正對蘇通大橋主墩,2006年后該局部沖刷坑位置較為固定,面積略有增大,初步判斷其形成與蘇通大橋建設(shè)有關(guān)。槽2距橋址斷面約3.2 km,從形成時間和位置來看,槽2的形成與蘇通大橋關(guān)系不大。

3.5 大洪水作用

大洪水對河道河床造床能力強,河床局部沖刷強度和幅度均較大,甚至可能引起河勢發(fā)生較大的變化。2016,2017年長江下游連續(xù)發(fā)生較大洪水,其中2016年大通站實測最大流量70 700 m3/s,日均流量大于45 000 m3/s(河段平灘流量)的時間達到120 d,為1998年以來的首位,2017年來水也相對偏豐,大通站實測最大流量也達到70 600 m3/s。2018年擬建工程線位上游出現(xiàn)-50 m槽可能與此相關(guān)。

3.6 小 結(jié)

綜合以上分析認(rèn)為,三峽水庫蓄水運行后的不飽和輸沙是徐六涇節(jié)點河段沖刷的趨勢性原因;多年來整治工程的實施限制了河道演變的橫向發(fā)展,穩(wěn)定了河段的灘槽格局,使得沖刷以沖槽為主;河段水動力泥沙條件復(fù)雜且床沙易起動,且主要受大洪水作用及人類活動的影響,河床易形成相當(dāng)規(guī)模的局部沖刷坑。

4 物理模型試驗

4.1 模型概況

物理模型試驗?zāi)M范圍上起狼山沙尾、下至白茆沙頭部,干流全長約18 km,對長江口北支進行了適當(dāng)簡化,其中動床部分模擬范圍上起常滸河口、下至白茆沙洲頭。模型平面比尺λl=400,垂直比尺λh=120,模型變率η=3.33。模型布置見圖6,本文對模型的制作、驗證不做詳細(xì)介紹。

圖6 物理模型現(xiàn)場實景(下游視角)

4.2 試驗條件

4.2.1 起始地形條件

徐六涇節(jié)點河段灘槽格局趨于穩(wěn)定,近期實測地形基本能反映目前及未來一定時期內(nèi)的整體河勢情況,根據(jù)掌握資料的情況,采用2018年11月實測河道地形成果作為動床模型試驗初始地形。

4.2.2 進口水沙過程

三峽水庫蓄水以來,徐六涇節(jié)點河段以沖刷下切為主,大水小沙的進口水沙條件對徐六涇深槽穩(wěn)定更為不利。選取大通水文站1998年實測流量過程作為典型流量過程,并按洪峰流量放大法得到100 a一遇典型年和300 a一遇典型年2個試驗典型年的進口流量過程;含沙量過程采用大通水文站1990～2016年流量-輸沙量關(guān)系曲線的下包線進行確定。

選取系列組合水文年進口水沙條件應(yīng)考慮三峽蓄水運行的影響,2009～2018年實際水沙過程涵蓋了三峽水庫175 m蓄水以來長江口河段徑流量最大的年份(2016年)、輸沙量最小的年份(2011年),且包含了中水中沙、中水小沙、小水小沙3種不同的典型年份,可以代表三峽水庫運行以來河口段的系列年水沙過程。

4.2.3 下邊界控制條件

下邊界潮位過程考慮了最高潮差和月份分布的影響,在各典型年內(nèi)選取了不同時段(洪、中、枯期)的大、中、小潮作為試驗的代表潮型。

4.3 試驗結(jié)果分析

圖7為徐六涇深槽特征等高線平面變化,模型試驗結(jié)果如下:

圖7 徐六涇深槽特征等高線平面變化(模型預(yù)測)

(1) 工程河段河床沖淤交替,總體以沖刷為主。在“2009～2018年+300 a一遇水文年”試驗條件下,試驗河段總體沖刷量為7 747萬m3,平均沖刷深度為1.93 m,最低點高程由-67.3 m降為-74.8 m,灘槽格局及河段深泓平面位置未發(fā)生顯著改變。

(2) 徐六涇深槽以沖刷且向下游發(fā)展為主,其中-30 m槽槽尾向下游延伸,并發(fā)展至中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面下游,蘇通大橋下游兩個-40 m槽沖刷貫通。在“2009～2018年+300 a一遇水文年”試驗條件下,-40 m槽貫通為長3 205 m、寬550 m的長條形深槽,槽尾向下游延伸約122 m,與中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面距離約2.8 km,且在隧道斷面上游約230 m處出現(xiàn)一個面積約0.09 km2的局部沖刷坑(最深高程-42.7 m);蘇通大橋下游2個-50 m槽位置變化不大,面積有所增加,向下游發(fā)展幅度在300 m 以內(nèi),存在沖刷貫通的可能性;-60 m 槽變化不大。

(3) 中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面主要表現(xiàn)為主槽展寬、下切以及右側(cè)邊灘和白茆小沙尾部的沖刷。在“2009～2018年+300 a一遇水文年”試驗條件下,隧道斷面深泓附近河床下切約18.3 m,斷面最深點達到-39.5 m,最深點擺幅約232 m。

5 深槽穩(wěn)定性對隧道工程影響

5.1 演變趨勢分析

徐六涇節(jié)點河段在經(jīng)歷了較長時期的自然演變和一系列的人類活動后,河段邊界基本穩(wěn)定,現(xiàn)有灘槽格局將維持較長時間不變,具備建設(shè)過江隧道的宏觀河勢條件,但實測資料分析表明徐六涇深槽近期有沖刷下切及下移的變化趨勢。

三峽水庫蓄水運行以來,長江河口段的不飽和輸沙是徐六涇節(jié)點河段近期沖刷的趨勢性原因。徐六涇節(jié)點上下游河段多年來整治工程的逐步實施穩(wěn)定了河段的灘槽格局,限制了河道演變的橫向發(fā)展,河道沖刷將以沖槽為主,徐六涇深槽未來一定時期內(nèi)都將持續(xù)沖刷下切。中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面附近床沙在現(xiàn)有水流條件下易起動,主要受大洪水作用及人類活動的影響,河床易形成相當(dāng)規(guī)模的局部沖刷坑。

物理模型試驗研究表明,在現(xiàn)狀邊界條件下考慮不利水沙條件,徐六涇深槽未來以沖刷下切和向下游發(fā)展為主,其中-20,-30,-40 m槽下移發(fā)展明顯,-50,-60 m槽位置基本不變、面積有所增加,且河床可能會出現(xiàn)新的局部沖刷坑。

5.2 隧道埋深符合性分析

GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》6.1.6節(jié)規(guī)定,“水域盾構(gòu)、頂管法隧道上部所需覆土層的最小厚度,應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、設(shè)備類型因素決定,應(yīng)大于2.0倍隧道直徑,且低于設(shè)計沖刷線以下1.5倍隧道直徑”。 中俄東線長江盾構(gòu)隧道設(shè)計外徑為7.6 m,計算得2.0倍隧道直徑為15.2 m,1.5倍隧道直徑為11.4 m。根據(jù)設(shè)計文件,在新江海河港池水域隧頂最小埋深為21.37 m(>15.2 m),在白茆河口附近水域隧頂最小埋深為16.9 m(>15.2 m),在長江主槽水域范圍內(nèi)隧頂距河演+模型試驗綜合包絡(luò)線大于11.4 m,滿足設(shè)計規(guī)范的要求。

隧道穿越斷面附近河床有形成局部沖刷坑的條件,根據(jù)物理模型試驗成果,穿越斷面上游230 m處形成1個新的局部沖刷坑,最深高程為-42.7 m,且有向下游沖刷發(fā)展的可能,隧道設(shè)計最深點隧頂高程按-60.2 m控制是必要的,考慮徐六涇深槽沖刷發(fā)展的可能性,目前的設(shè)計方案隧道埋深基本合理。

6 結(jié) 論

(1) 徐六涇節(jié)點河段在經(jīng)歷了較長時期的自然演變和一系列的人類活動后,灘槽格局、河道邊界條件及總體河勢趨于穩(wěn)定,具備建設(shè)過江隧道的宏觀河勢條件。

(2) 徐六涇節(jié)點河段總體呈沖刷趨勢,并以沖槽為主,且徐六涇深槽存在進一步?jīng)_刷下切及下移的趨勢。

(3) 三峽水庫蓄水運行后的不飽和輸沙是徐六涇節(jié)點河段沖刷的趨勢性原因;多年來整治工程的實施了限制河道演變的橫向發(fā)展,穩(wěn)定了河段的灘槽格局,使得沖刷以沖槽為主;河段水動力泥沙條件復(fù)雜且床沙易起動,且主要受大洪水作用及人類活動的影響,河床易形成相當(dāng)規(guī)模的局部沖刷坑。

(4) 物理模型試驗研究表明,未來徐六涇深槽將以沖刷且向下游發(fā)展為主,在系列年+300 a一遇典型年試驗條件下,-30 m深槽將發(fā)展至中俄東線長江盾構(gòu)隧道斷面,隧道斷面最深點達-39.5 m,且在隧道斷面上游約230 m處形成一個最深高程-42.7 m的局部沖刷坑。

(5) 考慮徐六涇深槽沖刷發(fā)展的可能性,隧道設(shè)計最深點隧頂高程按-60.2 m控制基本合理。