深中通道試挖槽洪季異常強回淤特征及機理研究

韓志遠，李懷遠，謝華亮，楊 華

(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)

深圳至中山跨江通道工程(簡稱“深中通道”)位于伶仃洋中部，北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km(圖1)，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，全線采用東隧西橋方案，采用雙向八車道的技術(shù)標準，設(shè)計時速100 km/h。深中通道在伶仃洋東岸通過深圳機場互通立交(東人工島)與廣深沿江高速銜接，以約6.8 km長的沉管隧道下穿東灘、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，在伶仃洋西岸的馬鞍島登陸。

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

深中通道水域靠近珠江入海口門，同時受徑流及潮流動力影響，水文泥沙情況復(fù)雜，沉管隧道基槽開挖后泥沙回淤不可避免。隧道基槽回淤問題是影響沉管隧道設(shè)計與施工的關(guān)鍵問題之一，也是沉管隧道基床能否采用先鋪法施工工藝的重要影響因素之一[1-3]。洪季伶仃洋中部水域受珠江上游洪水、臺風等極端水文氣象條件影響，洪季河口水沙環(huán)境更復(fù)雜，隧道基槽也會面臨更為嚴重的泥沙回淤問題[4-5]。深中通道試挖槽2016年5月31日竣工后，開展回淤監(jiān)測，在2016年7月出現(xiàn)了異常強回淤現(xiàn)象[3]，給后續(xù)回淤監(jiān)測及工程方案設(shè)計都帶來了極大的困擾。因此，分析試挖槽洪季短期強回淤現(xiàn)象的過程及機理具有重要的科研價值，可為深中通道隧道基槽回淤預(yù)警預(yù)報及基槽防淤減淤措施研究提供基礎(chǔ)支撐。本文基于深中通道試挖槽洪季回淤監(jiān)測資料，在分析試挖槽回淤特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合試挖槽水域的水沙環(huán)境分析，對試挖槽洪季異常強回淤過程和回淤機理進行了研究。

1 研究方法

本文選取試挖槽洪季(2016年6～8月)水深測量資料、定點水沙監(jiān)測資料、回淤盒觀測資料、淤泥密度測量資料、底質(zhì)取樣資料。監(jiān)測期間的珠江徑流資料搜集自廣東省水文局官方網(wǎng)站。

試挖槽水深數(shù)據(jù)，首先利用ArcGIS軟件進行插值生成5 m×5 m 網(wǎng)格的數(shù)字高程模型(DEM)，插值采用Kriging插值方法；然后用網(wǎng)格體積法計算試挖槽分成槽底、邊坡等分區(qū)(分區(qū)范圍見圖1)的平均水深、平均回淤厚度和回淤強度；最后用GIS軟件提取試挖槽4個南北向斷面和4個東西向斷面的水深數(shù)據(jù)并繪制斷面水深對比圖[6]。

試挖槽槽底回淤盒觀測周期為15 d，中潮前在槽底自西向東放置4組共12個回淤盒(每組3個)，分別在小潮前、小潮后、中潮后及大潮后分別提取回淤盒，并量測各個回淤盒內(nèi)回淤泥沙的厚度，取平均值后得到不同潮型期間的回淤數(shù)據(jù)。

試挖槽定點含沙量監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計計算底部含沙量逐日平均數(shù)據(jù)。

底質(zhì)樣品采用激光粒度儀或全自動篩分儀進行粒度分析，樣品分類和命名采用謝帕德沉積物三角分類圖解法[7]。

2 研究結(jié)果

2.1 試挖槽總體回淤特征

2016年6～8月期間，試挖槽各邊坡的總淤厚介于0.3～0.8 m(圖2-a)，平均淤強在0.4～0.8 cm/d，其中北邊坡最大，東邊次之，西邊坡和南邊坡都很小；槽底總淤厚約為2.94 m(圖2-a)，平均淤強約為3.3 cm/d，槽底淤強為邊坡的4～8倍。

2-a 淤厚 2-b 淤強圖2 試挖槽槽底及各邊坡累積淤厚Fig.2 Changes of back siltation in the trough

從2016年6～8月各月平均淤強看(圖2-b)，北邊坡和西邊坡以8月最大，東邊坡和南邊坡以7月最大，8月南邊坡有所沖刷；槽底以8月最大、7月次之、6月最小。

從7～8月各時段淤強變化看(圖3-a)，7月20～23日期間最大，淤強為16.0 cm/d；7月28日～8月3日期間次之，淤強為11.3 cm/d；8月17～21日和7月15～20日期間也較大，淤強分別為6.8 cm/d和5.2 cm/d；其它時段淤強均在1.0 cm/d 以下。

3-a 水深測量數(shù)據(jù) 3-b 回淤盒觀測數(shù)據(jù)圖3 洪季槽底不同時段淤強變化

試挖槽2016年7月8～23日回淤盒觀測結(jié)果表明(圖3-b)：15 d總淤厚為0.50 m，平均淤強為3.3 cm/d。7月20～23日期間平均淤強為9.0 cm/d，處在大潮時段；7月8～11日和7月15～20日淤強為2.2 cm/d和3.8 cm/d，處在中潮時段；7月11～15日期間淤強為0.4 cm/d，處在小潮時段。由此可見，試挖槽淤積與潮型變化密切相關(guān)，大潮期間的淤強遠大于中小潮期間。另外，回淤盒觀測結(jié)果也表明7月20～23日期間出現(xiàn)異常強淤積。

總的來看，洪季試挖槽槽底回淤強度明顯大于各個邊坡，試挖槽淤積與潮型變化密切相關(guān)，大潮期間的淤強遠大于中小潮期間；洪季槽底7月和8月的平均淤強較大，且都出現(xiàn)了淤強大于10 cm/d的異常強淤積。

從試挖槽強回淤出現(xiàn)前后時段槽內(nèi)回淤平面分布看(圖4)：

7月15～20日期間(圖4-a)，槽底淤積厚度在0.2～0.4 m，且槽底淤厚南北差異不大；各邊坡淤厚多在0～0.4 m，以東邊坡稍大，而南邊坡稍小。

4-a 7月15～20日沖淤分布 4-b 7月20～23日沖淤分布Fig.3 Changes of back siltation in the bottom of the trough

7月20～23日期間(圖4-b)，槽底出現(xiàn)異常強淤積，淤積厚度多在0.4～0.8 m，且槽底北部淤厚最大，槽底南部淤厚較小；北邊坡-12～-16 m等深線之間出現(xiàn)較明顯的沖刷，東邊坡局部邊坡下部也有一定的沖刷，而西邊坡和南邊坡的沖淤變化不明顯。

7月23～28日期間(圖4-c)，槽底淤積不大，淤積厚度在-0.2～0.2 m，槽底北部略有淤積，南部略有沖刷；北邊坡和西邊坡略有沖刷，沖刷深度多在0～0.2 m，局部沖深大于0.2 m；南邊坡和東邊坡略有淤積，淤厚在0～0.2 m。

4-c 7月23～28日沖淤分布 4-d 7月28日～8月3日沖淤分布圖4 試挖槽局部時段沖淤分布Fig.4 Planar distritubion of scouring and deposition in the trough

7月28日～8月3日期間(圖4-d)，試挖槽底部出現(xiàn)異常強淤積，淤積厚度在0.4～1.0 m，淤積主要位于槽底南部，槽底北部淤積較小；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)，其中東邊坡-10～-16 m局部水域沖刷幅度在0.2～1.0 m。

斷面地形對比也顯示(圖5)，7月20～23日(縱斷面N1～N4)北邊坡-12～-16 m等深線之間出現(xiàn)了較為明顯的沖刷，而相應(yīng)坡腳處出現(xiàn)了明顯淤積，邊坡沖刷區(qū)與坡腳附近槽底淤積部位具有一致性；7月28日～8月3日(橫斷面W1～W4)東邊坡和南邊坡局部區(qū)域出現(xiàn)了較明顯的沖刷。

圖5 試挖槽2016年7月下旬至8月初縱斷面(N1～N4)和橫斷面(W1～W4)地形對比Fig.5 Depth comparison of the sections in the trough from late July to early August of 2016

總的來看，異常強回淤出現(xiàn)時段槽內(nèi)淤積分布與其他時段相比有較明顯的差異，除了槽底回淤強度較大外，邊坡局部區(qū)域也出現(xiàn)了較為明顯的沖刷。

2.3 槽內(nèi)回淤物特征

根據(jù)2016年7月回淤盒底質(zhì)取樣結(jié)果、2016年8月槽底底質(zhì)取樣結(jié)果分析可知(表1)：

表1 試挖槽回淤粒度特征和懸沙粒度特征對比Tab.1 Particle size characteristics of the seabed sediment and the suspended sediment

(1)試挖槽回淤盒回淤物為粘土質(zhì)粉砂，其中值粒徑介于0.005 5～0.008 4 mm，平均值為0.006 4 mm；粘土百分含量介于28.3%～39.2%，平均值為35.2%。

(2)試挖槽槽底回淤物質(zhì)主要為粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土，其中值粒徑介于0.004 6～0.008 2 mm，平均值為0.006 6 mm；粘土百分含量介于25.7%～46.5%，平均值為32.2%。

(3)試挖槽周邊2016年6月水文測驗期間的懸沙物質(zhì)主要為粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土，其中值粒徑介于0.003 9～0.007 6 mm，平均值為0.005 9 mm；粘土百分含量介于25.6%～73.4%，平均值為56.4%。

(4)試挖槽槽底2016年6月、8月浮泥(密度在1.05～1.20 kg/L之間)厚度[3]，6月在0.37～0.38 m，8月在0.59～0.98 m。這顯示洪季時試挖槽內(nèi)存在不同厚度的浮泥，8月槽內(nèi)浮泥厚度明顯大于6月。

試挖槽洪季回淤特征表明，槽底回淤物質(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 5 mm，與懸沙物質(zhì)基本相當，且槽底存在不同程度的浮泥，這顯示了試挖槽回淤形式以懸沙落淤為主的特點。

3 討論

3.1 水動力條件的影響

試挖槽為淺灘上開挖的局部深坑，漲落潮水流經(jīng)過試挖槽后，槽內(nèi)流速會明顯降低，同時也會產(chǎn)生不同程度的環(huán)流。從試挖槽大潮期間ADCP走航觀測結(jié)果看[3]，試挖槽水域漲潮主流向基本為NNW—N向，落潮主流向基本為S—SSE向；表層流呈現(xiàn)往復(fù)流特征，漲潮平均流速在0.2～0.4 m/s，落潮平均流速在0.4～0.7 m/s；槽底漲、落潮平均流速在0.1～0.2 m/s。試挖槽底部流速小且存在明顯的橫流是試挖槽內(nèi)泥沙易于落淤的水動力條件。由此可見，基槽開挖后，槽內(nèi)會產(chǎn)生橫流且槽底流速明顯小于邊灘流速，為槽內(nèi)泥沙淤積提供了有利的水動力條件。從槽內(nèi)泥沙淤積物與懸沙物質(zhì)及周邊海床底質(zhì)差異不大、均為中值粒徑0.006 mm的細顆粒泥沙來看，槽內(nèi)淤積形式以懸沙落淤為主。

3.2 洪季上游來沙的影響

珠江來沙為試挖槽所在伶仃洋水域的主要泥沙來源，而珠江洪季輸沙量占全年的90%以上，因此洪季試挖槽回淤較大主要與洪季珠江上游來沙較大有關(guān)[3]。

從洪季6～8月試挖槽月淤強比較來看(圖6)，整個試挖槽7、8月分別為6月的1.3和1.4倍，邊坡7、8月分別為6月的1.2和1.3倍，槽底7、8月分別為6月的2.3和3.2倍。而珠江7、8月輸沙量均約為6月的25%，7、8月輸沙量為6月的55%～60%[8]。試挖槽月淤強最大月份(7～8月)并非徑流量和輸沙量最大月份(6月)，上游來水來沙與試挖槽淤積并沒有直接對應(yīng)的關(guān)系。因此，上游來沙量變化并非是槽底7月和8月回淤整體較大的主要原因。

6-a 月均淤強 6-b 珠江輸沙量圖6 2016年6～9月試挖槽月均淤強及珠江輸沙量Fig.6 Monthly changes of siltation intensity of the trough and river sediment load form July to September of 2016

3.3 潮汐變化的影響

從2016年6～8月試挖槽上游1#定點含沙量測站(圖1)及同期珠江流量變化可以看出(圖6)。

1#站底部多日平均含沙量，6月中上旬、6月下旬至7月上旬分別為0.12 kg/m3和0.08 kg/m3，8月中旬為0.05 kg/m3。從大小潮含沙量差異來看，6月中上旬大潮時為0.15～0.2 kg/m3，小潮時為0.1 kg/m3；6月下旬至7月上旬，大潮時為0.10～0.13 kg/m3，小潮時在0.05 kg/m3左右；8月中旬，大潮時為0.10～0.13 kg/m3，小潮時在0.02 kg/m3左右。試挖槽7～8月出現(xiàn)強回淤時段的含沙量明顯小于大洪水影響的6月中上旬時段。

同期珠江流量，6月中上旬為2～4萬m3/s，6月下旬至8月為1～2.5萬m3/s。因此，6月中上旬試挖槽水域含沙量較大主要與上游大洪水影響有關(guān)，導(dǎo)致其大潮和小潮含沙量都明顯大于沒有大洪水時段。在沒有洪水出現(xiàn)時段，試挖槽含沙量呈現(xiàn)大潮—小潮逐漸降低的變化規(guī)律，這種變化規(guī)律與槽底淤積隨大潮—小潮逐漸減小的變化規(guī)律一致[3]，這說明在沒有大洪水影響條件下，試挖槽淤積變化主要受隨潮汐變化的影響。

3.4 極端水文氣象條件的影響

從2016年6～8月珠江流量過程來看(圖7)，6月流量為1～4萬m3/s，在6月13～22日期間出現(xiàn)了流量達3～4萬m3/s的大洪水；出現(xiàn)強回淤時段7月下旬和8月初的流量為1.0～1.5萬m3/s。因此大洪水并非是槽底7～8月出現(xiàn)異常強回淤的主要原因。同時7月20～23日前后也無臺風影響珠江口水域，因此臺風也并非7月20～23日出現(xiàn)異常強回淤的主要影響因素。

圖7 固定站底部日平均含沙量過程及同期珠江徑流量Fig.7 Daily averaged value of bottom SSC at the fixed stations and the river dicharges

2016年8月2日第4號臺風“妮妲”過境本區(qū)，期間中心最大風力達11級，必將會對試挖槽淤積產(chǎn)生影響。根據(jù)臺風前后7月28日～8月3日斷面地形對比分析(圖6，W1～W4斷面)，試挖槽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。臺風影響期間為中潮向大潮過渡階段，正常情況下試挖槽淤積會顯著大于小潮階段，再加上槽內(nèi)北邊坡和南邊坡泥沙沖刷滑落進入槽底，導(dǎo)致這一時段的試挖槽的淤積也較大。

3.5 局部邊坡回淤泥沙滑落的影響

7月20～23日出現(xiàn)異常強回淤時段既無大洪水發(fā)生，也無臺風影響。從7月20～23日槽內(nèi)地形沖淤分布看(圖4～圖5)，試挖槽北邊坡-12～-14 m水深之間出現(xiàn)了較為明顯的沖刷，而相應(yīng)坡腳處的淤積厚度大于南邊坡坡腳處，這顯示槽底回淤泥沙與邊坡泥沙沖刷滑落有關(guān)。

一般而言，外海新開挖港池航道，在開挖初期試挖槽邊坡回淤到一定程度，邊坡上新回淤泥沙會隨水流或者以浮泥形式進入槽底而增加槽底的回淤。從試挖槽內(nèi)淤積分布看，各個邊坡在6～7月經(jīng)歷了不同程度的回淤，其中以北邊坡和東邊坡回淤相對較大。由于7月20～23日所處大潮階段流速大、含沙量高，正常情況下槽底淤積也會比較大，再加上北邊坡回淤泥沙局部沖刷滑落進入槽底，從而導(dǎo)致槽底出現(xiàn)異常強淤積現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)對深中通道試挖槽洪季異常強回淤時段的回淤過程進行分析，得出主要結(jié)論如下：(1)試挖槽槽底在7～8月兩個時段出現(xiàn)了淤強均超過10 cm/d的異常強回淤，異常強回淤出現(xiàn)時段均位于大潮前后時段。(2)異常強回淤時段不僅槽底回淤強度大，北邊坡和東邊坡局部區(qū)域沖刷幅度也較大。(3)7月下旬異常強回淤，應(yīng)主要與大潮期間北邊坡泥沙沖刷滑落有關(guān)。(4)8月初異常強回淤，應(yīng)主要與大潮前臺風影響過境導(dǎo)致東邊坡和南邊坡泥沙沖刷滑落有關(guān)。