汕頭灣海底隧道工程河段最大沖刷深度研究

楊 晨，高勝杰，陳冠名，張鑠涵

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635；3.廣東省河口水利工程實驗室，廣東 廣州 510635)

橋梁和隧道等過江工程的規劃設計，尤為關注所在河段最大沖刷深度，包括河流自然沖刷和工程局部沖刷2種類型。其中，對橋梁工程建設產生的局部沖刷，Sumer等[1]和郭健等[2]對研究進展做過系統總結；Ghodsi等[3]采用模型試驗，研究了不同形態的復雜橋墩局部最大沖刷深度。對于隧道工程，其建設和運行基本不干擾河流的水沙運動，自然條件下的最大沖刷深度決定著隧道的合理埋深，也影響工程投資和運營安全。但目前研究成果相對較少，國內外學者主要采取河演分析、數學模型和河工模型試驗等方法，研究長江及主要支流[4-8]、黃河[9]、錢塘江[10-13]、珠江流域[14-15]等特定工程河段最大沖刷深度，其中河工模型試驗是研究水沙運動和沖淤演變的一項重要方法[16]。本文以汕頭灣海底隧道工程為例，采用河工模型試驗開展河段沖刷研究，預測了榕江河口隧址河床的最大沖刷深度，為隧道工程的埋深設計提供依據。

1 工程概況

汕頭灣海底隧道工程為新建汕尾至汕頭鐵路下穿汕頭灣通道，是構建東南沿海高速鐵路通道的重要環節。隧道工程全長9.77 km，設計時速350 km/h，采用單洞雙線模式，建設規模見表1。海底段采用礦山法結合盾構法建設，隧道外徑14 m。工程主體結構設計使用年限為100年，結構安全等級為一級，設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為300年一遇[17]。

表1 汕頭灣隧道工程建設規模

圖1 汕頭灣海底隧道工程附近水系

汕頭灣位于汕頭市龍湖區與濠江區之間，水面寬1 150～3 300 m，上經礐石與牛田洋連接，納韓江、榕江之水，下經媽嶼島與南海相通，工程附近水系見圖1。工程位于汕頭海灣大橋下游，媽嶼島與鹿嶼島之間，工程河段較為順直，為西北—東南走向。上游蘇埃灣水域較寬，主槽居左；下游重新束窄，受媽嶼島阻水束流影響，分為南北兩汊，深槽最深處分別約為-26.7、-21.3 m；媽嶼島下游中部為淺灘，主流經南側深槽向下，在導流防沙堤影響下平順入海，具體位置見圖2。

圖2 汕頭灣海底隧道工程位置示意

2 工程地質及河床演變分析

2.1 工程地質

從工程附近地質資料可見，工程附近海底表層沉積物以黏土質粉砂為主，表層為全新統三角洲相沉積層淤泥，厚度約為0～10 m；第二層次為粉砂夾淤泥，厚度約為10～15 m；第三層為淤泥質粉質黏土，厚度約0～14 m，局部發育中砂，厚度約0～5 m；局部夾粉質黏土，厚度約0～10 m；最下邊為基巖花崗巖。隧道工程主要穿過弱風化花崗巖，隧道與河床面之間主要為全風化強風化花崗巖、粉砂、中砂和以淤泥及淤泥質黏土為主的覆蓋層。

2.2 河床演變分析

1972—1988年，媽嶼島西北側深槽有所淤積，南側深槽沖刷擴大。1988—2002年，媽嶼島北側深槽沖刷向上游擴展，南側深槽有所淤窄。2002—2013年，媽嶼島兩側河道主槽縮窄淤淺。2013—2017年，南側深槽范圍沖刷加大。總體來說，工程河道有沖有淤，變化幅度不大，灘槽分布格局基本穩定。

1988—2002年，工程附近河段深泓線有較大幅度淤高，上游深泓高程變化不大。2002—2013年，上游媽嶼島南側深槽有較明顯的淤積，厚度達3 m，可能與港池的開挖和泥沙的回淤有關，工程位置深泓線略有下切。2013—2017年，上游南側深槽有較明顯的下切，最大幅度達5 m，工程位置深泓變化不大。整體來看，隧址位于工程河道偏深槽的區域，深泓縱向演變有前期淤高、后期下切的特點。

3 模型設計與驗證

3.1 模型設計

根據河道情況及水流特性，考慮試驗場地限制條件，模擬范圍選定工程上游7.3 km至下游5.2 km的河段，其中隧址上游1.5 km至下游1.8 km為動床范圍。模型按重力相似準則設計成變態模型，平面比尺πL取350，垂向比尺πh取70，幾何變率e=5[18]。定床模型用于模型率定與流態分析，動床模型用于河床沖刷試驗，得出最大沖刷深度成果。

動床模型的相似包括水流運動相似和泥沙運動相似[19-20]。本文研究河段沖刷，要求模型的沖刷過程與原形相似，起動相似是模型選沙最重要的原則之一[21]。工程河段懸移質輸沙量占輸沙總量的絕大部分，模型設計主要考慮懸移質中的床沙質運動相似。考慮到表層河床質主要以淤泥為主，粒徑極細，黏性較好，其下部為粉細砂，表層沉積物以黏土質粉砂為主，偏于安全考慮，動床試驗選取廣泛分布偏易于啟動的粉細砂作為研究對象，其中值粒徑為0.14 mm。根據常見模型沙物理特性及其沉降、起動來選擇[22-23]，經試驗比選，選用重率為1.15 t/m3的塑料沙作為模型沙，床沙粒徑比尺λd為0.56，基本滿足懸浮相似和起動相似。

3.2 模型制作

模型用漿砌紅磚作邊墻，河道根據2017年4月實測地形充填密實河沙塑造，采用水泥漿護面。水泥砂漿刮制成粗糙面，視率定情況適當密實加糙[24-25]，使之滿足水流運動相似。橋梁橋墩、碼頭工程采用杉木精刨，用石蠟拋光。模型下邊界生潮方式采用多口門變頻器控制，上邊界采用變頻調速器調節水泵控制供水量。水位通過固定測針測量，流速由旋槳流速儀測量，沖刷情況采用鋼尺和測針測量換算。

3.3 模型驗證

考慮到隧址沿線較大沖刷主要由洪水時落潮動力引起的，漲潮水流動力相對影響較小，且落急時刻流速大于漲急時刻流速，故選定3組落急時刻水文測驗數據作為驗證工況。驗證測流斷面布設情況見圖3，實測與試驗數據對比結果見表2。由表2可知，模型模擬的水位、流速與原型基本吻合，模型水流運動同實際水流特征相似，偏差符合規程規范的精度要求[26]，模型設計是合理的，可繼續下階段的試驗。

圖3 定床模型試驗測流斷面及流速分布(P=1%)

表2 各組次實測水位、流速與試驗值對比結果

4 試驗成果分析

4.1 試驗水文組次

試驗需研究不利水文組合下河床的最大沖刷深度，考慮到工程設計及河道防洪標準，不利水文組次選擇300、100、50年一遇洪水遭遇下游河口對應洪水潮型低潮位。上游流量及下游控制水位見表3。

表3 試驗水文組次

4.2 工程河段水流運動特性

在P=0.33%、1.00%、2.00%試驗工況下，工程河段水流平順，測流斷面布設位置見圖3。其中，CS1斷面為進口段，斷面最大流速較大。CS2斷面較寬，右側寬淺，在低潮位落急時刻邊灘局部裸露，主槽居左，流速較大。CS3斷面為媽嶼島上游，受媽嶼島阻水影響，最大流速有所減小。經黃厝圍溝斷面重又束窄，主流方向由河道左側轉向右側。CS4斷面水流分為南北兩汊，經媽嶼島與鹿嶼島束流，右側主槽流速大，中部流速小。之后下游的CS5、CS6、CS7斷面最大流速有所減小。不同斷面最大流速隨著流量的增加均呈增加的趨勢，各斷面最大流速見表4。

由表4可知，不利水文組合下主槽流速遠大于床沙起動流速，河床將出現沖刷。工程附近河段主流居右，相應沖刷部位主要集中在河道中心偏右岸的主槽內。工程下游河段主流逐漸向河道中心過渡，則相應沖刷部位會偏向河道中部。

表4 測流斷面最大流速

4.3 動床模型沖刷試驗

動床模型試驗主要研究河床最大沖刷深度，在300、100、50年一遇不利水文條件下，研究河段整體呈沖刷下切態勢，主槽沖刷明顯，灘地局部區域微淤，沖刷后局部深泓有所擺動。各試驗工況河道沖刷形態具有一定的相似性，洪水頻率越小，沖刷幅度越大。本文主要以300年一遇洪水工況下沖刷試驗結果進行分析。

4.3.1河床沖淤平面變化

沖刷區域主要位于媽嶼島兩側深槽，深槽等高線總體趨勢為向兩岸及下游擴展。工程河段主槽居右，主槽刷深的同時微向河道中間偏移。河道中部流速較緩，局部區域略微淤積。在300年一遇水文條件下，右側主槽-10 m等高線向河心擴張較明顯，幅度在40～80 m，左側深槽-10 m等高線向下游延伸明顯，延展長度約1 600 m；兩側深槽-15 m等高線向下游延伸約340 m，右側主槽-15 m等高線向左岸移動距離約50～110 m；-20 m等高線向河道左側及下游延伸。試驗工況后河段等高線分布見圖4。

各試驗工況后工程河段主槽居右，與初始地形相比，左側深槽最低點平面基本重合，僅工程下游局部有一定幅度的擺動，最大擺幅約60 m。隧址處深泓平面變化不大，靠近鹿嶼島洲頭隧址上、下游沖刷后深泓趨直，向左岸方向擺動較明顯，擺幅最大約170 m，位于隧址深泓點下游300 m。

a)-10 m等高線分布

4.3.2典型斷面沖刷分析

選取隧址斷面分析沖刷情況，河床沖淤變化結果見圖5，斷面呈偏“W”型，右側主槽深泓點略向左側河道中心移動，左側主槽沖刷加深。斷面形態總體上變化不大，主要表現為主槽沖刷明顯，沖刷幅度P=0.33%落急工況最大，P=0.5%、1.0%工況次之。隧址斷面沖刷情況統計見表5，在300、100、50年一遇水文組合試驗后，斷面最低點高程分別為-22.80、-21.50、-19.86 m，相應沖刷深度分別為6.40、5.10、3.56 m，距右岸距離分別約242、242、272 m；最大沖刷深度分別為6.40、5.24、4.10 m，相應河床高程分別為-22.80、-11.24、-10.20 m，距右岸距離分別約為242、112、112 m。

圖5 隧址斷面河床沖淤變化

表5 隧址斷面沖刷情況統計 單位：m

5 結論

以汕頭灣海底隧道工程為例，通過河工模型試驗研究河段最大沖刷深度，得到的結論如下。

a)模型的幾何比尺設計和模型沙選擇是適宜的，能夠滿足水流運動及河床沖刷的相似，可用于進一步模擬工程河段在不利水文條件下的水動力條件和沖刷情況。

b) 隧址斷面主槽居右，流速較大，在300、100、50年一遇水文組合條件下最大流速分別可達1.92、1.70、1.57 m/s。主槽流速遠大于起動流速，將出現明顯沖刷。工程河段沖刷部位主要集中在河道左、右兩側主槽，隨著流量的增大，流速有所增大，沖刷幅度也會有所增加。

c)動床沖刷模型試驗表明，隧址斷面現狀深泓點高程為-16.7 m，在300年一遇水文組合條件下，試驗后斷面最大沖刷深度為6.40 m，最低點高程為-22.80 m，距右岸距離約242 m；100年一遇水文組合條件下，試驗后斷面最大沖刷深度為5.24 m，最低點高程為-21.50 m，距右岸距離約242 m。隧址斷面最大沖深位于右側主槽，沖刷包絡線可為隧道工程設計提供參考及依據。