南渡江過江隧道河段極限沖刷深度預測

藍霄峰，張金明，鄭國賢

（珠江水利科學研究院，廣州 510611）

0 前言

過江隧道工程具有占地少、不影響河道正常通航等特點，近年來廣受重視，在進行越江隧道的設計和修建中，隧道的埋深往往是影響隧道建設的關鍵因素，不同埋深對合理選取施工組織方式、掘進速度等極為重要[1]。埋深小，可一定程度上減少投資，但一旦河床沖刷較大，出現隧道上方覆土層厚度小于設計標準或使隧道頂部出露，則工程運營安全將受到嚴重威脅，同時河床、堤岸穩定也受到威脅；埋深過大，工程安全可得以保障，工程投資及施工難度會增加[2]。

目前國內外河道極限沖刷這類研究較少，近年來，史英標等[3-4]人對錢塘江河口過江隧道河段極端洪水條件下的沖刷深度開展了深入研究，取得了較好的成果，但研究主要針對河道受洪潮共同作用，底、懸泥沙粒徑差異不大，河底表層覆蓋層為粉質黏土層情況；張為等[5]對長江下游南京河段過江隧道最大沖刷深度采用數學模型進行了研究，主要考慮三峽水庫的影響，基于河床覆蓋層為床沙質和沖瀉質。楊芳等[6]對珠江三角洲東平水道河段最大沖刷進行相關研究，基于感潮河道特性及全風化泥層。吳門伍等[7]對內河邕江最大沖刷進行相關研究，基于典型內河特性及河床覆蓋層為圓礫層。南渡江是我國唯一的一條大型熱帶河流，其水文等自然條件與我國其他大型河流存在較大差異，河口更是經常受到風暴潮的影響，河道坡降平緩，沙洲、小丘及淺灘較多，河床覆蓋層以粗砂為主，目前尚未見報道相關研究工作，因此有必要對南渡江河口處穿越南渡江隧道河段進行極限沖刷深度預測，為過江隧道的合理埋設提供科學依據。

1 工程概況

1.1 河道概況

?？谑续P翔東路越江通道項目橫跨南渡江，連接江西主城和江東新區，主城區接線為現狀主干路鳳翔東路，江東接線為規劃四號路，距離上游海瑞大橋1400 m，距離下游瓊州大橋2200 m，為東西向城市主干道。

南渡江是海南省第一大河流。發源于白沙縣南峰山，流經白沙縣、儋州市、瓊中市、屯昌縣、澄邁縣、定安縣和?？谑校诤？谑腥摯逑虮绷魅氕傊莺{。干流全長333.8 km，落差703 m，平均坡降0.72‰。多年平均流量219 m3/s[8]。

松濤水庫壩址以上為南渡江上游，河長137 km，為中低山地區，河谷狹窄，坡降大，急灘多，兩岸地形陡峻，高程都在500 m 以上，最高點鸚歌嶺1812 m。松濤水庫壩址以下至九龍灘為南渡江中游，河長83 km，屬低山丘陵，南高北低，一般山頂高程200～500 m，最高點黎母嶺1411 m，山間谷溝發育，河道迂回彎曲，兩岸坡陡。九龍灘以下為南渡江下游，河長114 km，屬丘陵臺地及濱海平原三角洲，地勢南高北低，河道寬闊，坡降平緩，沙洲、小丘及淺灘較多，兩岸是平坦的臺地，大部分為農田，其中潭口以下為河口段，最下游的梯級龍塘大壩離河口26 km。

1.2 水文特征

南渡江為山區性河流，流域內徑流由降雨形成，由于流域上中下游地理位置和氣候特性不同，造成徑流在時間和空間分布上差異較大。汛期（5～10月）徑流量集中，占全年總徑流量的70%以上，夏秋臺風暴雨時，常出現潮水倒灌現象，時有洪潮災害。據龍塘站水文資料統計：實測最大年平均流量296 m3/s，徑流量93.3億m3（1973年）；實測最小年平均流量74.5 m3/s，徑流量23.5 億m3（2004 年）；實測多年平均流量182 m3/s，徑流量57.4億m3（1955—2014年系列）；實測最小流量1.40 m3/s（1976年）；實測最大流量9300 m3/s（2000年）。

1.3 泥沙特征

南渡江具有豐水少沙特點，據龍塘水文站統計，多年平均徑流量為66.81×10 m3，平均輸沙量為53.12×104t。流域水沙主要來源于南渡江干流和龍州河[9]。南渡江徑流和輸沙主要集中在汛期，季節分配不均，其中汛期徑流量占到全年的80%左右，輸沙量占全年的90%左右，汛期河流攜帶大量泥沙入海[10]。根據龍塘水文站懸移質泥沙觀測資料統計（見表1），1959年松濤水庫建成后，平均含沙量呈減小趨勢，懸移輸沙量明顯減少。南渡江河口不具備“夏儲冬輸”的泥沙特征，而是具有臺風季節特征，河口水體含沙量近岸大于離岸，底層大于表層，洪季含沙量明顯高于枯季[11]。南渡江泥沙變化特點使得隧址河段極限沖刷深度研究變得非常必要。

表1 龍塘水文站懸移質含沙量和輸沙量變化

1.4 河床邊界條件

南渡江下游流域地貌特征屬河流沖積階地與玄武巖剝蝕臺地地貌，地形總體趨勢南高北低。南渡江下游段向北匯入瓊州海峽，在入?？谔幮纬涩F代河口。河道大致自南渡江大橋后加入開闊的一級階地三角洲平原區，其上游為玄武巖噴出巖剝蝕二級階地，高程5～10 m，二級階地表面普遍履蓋了幾米厚的紅色全風化黏土，地形略有起伏。河道河漫灘及江心洲發育完整。河床及河漫灘表面為現代河砂沉積，東岸土堤大部分座落于河漫灘松軟沉積層上。

工程地勘資料顯示，河床表層粗砂，厚度為4.2～9.5 m，平均厚度為5.8 m，泥沙粒徑為1.0～0.5 mm；第二層為粉質黏土，厚度為15.0～17.0 m，平均厚度為16.4 m，泥沙粒徑為0.03～0.05 mm；第三層為礫砂，厚度為4.5～5.6 m，平均厚度為5.0 m，泥沙粒徑為1～2 mm；第四層為粉質黏土，泥沙粒徑為0.04～0.05 mm。隧道穿越的土層為第二、三、四層。從河道河床覆蓋層來看，其泥沙粒徑及構成相對于其他大型河流河口河床的有明顯不同。

2 河床演變

工程區處于南渡江河口段，屬低階地和平原區，河床充填砂礫質沉積物，江心洲和淺灘發育。根據歷史遙感圖影響顯示，河口段左、右岸堤防未建之前，南渡江出龍塘峽谷后，洪水一經出槽便似放射狀漫流入海，自然狀況下南渡江河口段具游蕩性河流的特點，主槽常有偏移，歷史上河流改道時有發生。

（1）河床沖淤變化。隧址河段沖淤變化如圖1所示。2008—2011年，整體上隧址河段呈現槽沖灘淤的態勢，工程上下游有幾處沖刷深度達數米，其中工程下游左岸局部沖刷達4 m，工程下游司馬坡島左汊總體呈淤積態勢，右汊呈沖刷趨勢；2011—2018 年，工程下游司馬坡島左汊繼續呈淤積態勢，右汊輕微沖刷，“左支右干”態勢更加明顯；2018—2021 年，隧址河段總體呈現緩慢回淤的態勢，沖刷坑基本消失，工程下游司馬坡島左汊邊灘淤積明顯，右汊也有輕微淤積。總體來看，隧址河段呈“槽沖灘淤”的態勢。

圖1 隧址河段2008—2021年沖淤變化圖

（2）深泓線高程變化（見圖2）。由圖2可見，隧址河段近13年來深泓線有抬升亦有下切，整體以下切為主。2008—2011 年，深泓線整體明顯下切，最大下切幅度約1.3 m，平均下切幅度約0.9 m；2011—2018 年，深泓線有抬升也有下切，最大下切幅度約為2.6 m，最大抬升幅度約為0.5 m，整體下切約為0.6 m；2018—2021年，深泓線有抬升也有下切，最大下切幅度約為0.1 m，最大抬升幅度約為0.6 m，整體抬升約為0.3 m。

圖2 隧址河段沿程深泓線高程變化圖

（3）隧址斷面高程變化（見圖3）。由圖3可見，2008—2011 年，左支主槽明顯出現沖刷，最大沖刷深度約為4.1 m，右汊主槽整體也呈略沖刷形態，平均沖刷深度約0.4 m；2011—2018年，左支主槽略微淤積，最大淤積幅度約為0.3 m，右汊主槽出現很大沖刷，最大沖刷深度約為3.4 m；2018—2021 年，斷面略微回淤。

圖3 隧址斷面多年地形變化圖

由于隧址河段近年來呈“槽沖灘淤”的態勢，深泓下切幅度很大，隧址斷面也出現沖刷深度很大現象，因此進行隧址河段的極限沖刷試驗研究是非常必要的。

3 物理模型設計及驗證

3.1 模型設計

過江隧道工程位于河流分汊段，為確保水流相似，物理模型上、下游邊界須選取河道順直段。根據研究內容和相關規范，考慮到工程河段的水流特性、河道地形等因素，選定物理模型（見圖4）模擬范圍為距離工程位置上、下游各約3 km 原型；動床模擬范圍為隧址軸線上下游各0.8 km 的河道。根據研究問題的特點確定模型為變態模型，模型平面比尺λl為180，垂直比尺λh為100，相應的變率η為1.8，這樣可以減輕因變率偏大引起的泥沙運動相似性偏離之程度，同時經計算亦可滿足避免表面張力影響的要求。根據相似原理可得相應的模型流量比尺λ0為180 000，流速比尺λv為18，糙率比尺λn為1.61。

圖4 物理模型示意圖

根據試驗任務及要求，試驗按最不利因素考慮河床的極限沖刷，因此，模型試驗不考慮懸移質泥沙運動，而只考慮泥沙推移質運動。通過對多種不同模型沙起動流速進行分析比較，確定選用中值粒徑為0.3 mm，容重為1.15 t/m3的塑料沙作為模型沙。通過水槽起動試驗測得，該模型沙在水深5～10 cm時（相當原型5～10 m）的起動流速為5.0～7.0 cm/s，與試驗所需起動流速基本一致，基本滿足研究的起動相似要求。按文獻[12]設計模型的有關相似條件。

3.2 清水定床模型驗證及動床相似性分析

物理模型對清水定床和渾水動床兩方面進行驗證。清水定床試驗采用數值模擬計算結果[13]，100年一遇洪峰流量對模型進行水動力相似驗證，試驗布共設了11個流速流向測點和5個水位測點，測點位置見圖5，驗證結果見表2 和表3，驗證結果符合規范要求[14]。動床模型試驗主要采用規范公式計算來確定各類比尺，試驗主要從以下兩方面考慮：①在模型控制上，動床模型與定床驗證試驗水流控制條件相同；②合理選擇模型沙，本次試驗進行了模型沙的起動流速水槽試驗，模型選用模型沙的特性與原型沙在起動相似較為一致。因此，河道沖淤變形的精度滿足河工模型試驗規程的要求，為過江隧道河段的動床沖刷試驗奠定了可靠基礎。

圖5 驗證點位置示意圖

表2 模型流速驗證成果

表3 模型水位驗證成果m

4 隧址河段極限沖刷深度預測

4.1 邊界條件

根據項目水文測驗及分析計算成果[13]可知，河口感潮河段水位受洪潮共同影響，但河口分汊段以下河段百年一遇洪水位普遍高于百年一遇風暴潮位，即使洪水與天文潮遭遇，河口段仍由洪水控制。風暴潮發生在前，洪峰出現在后，河口段洪峰總滯后于風暴潮1～2 d，當洪峰到達?？跁r，此時風暴潮亦消失，因此，龍塘最高洪峰水位與風暴潮水位遭遇的機率極小。南渡江區域洪水主要由暴雨形成，洪水發生時間與暴雨一致，而天文大潮持續時間長，洪水遭遇外海低潮位的幾率較大。結合隧道工程防洪標準按100年一遇設計，300年一遇校核，本次物理模型試驗上游水文邊界選取50 年（10 500 m3/s）、100年（11 800 m3/s）和300年一遇典型頻率洪水（13 500 m3/s）遭遇河口多年平均低水位進行河床沖刷試驗分析。

4.2 極限沖刷深度預測

隧址河段水流流態見圖6～8，隧址河段河床沖刷形態見圖9～11。

圖6 隧址河段水流流態（P=2%）

圖7 隧址河段水流流態（P=1%）

圖8 隧址河段水流流態（P=0.33%）

圖9 隧址河段河床沖刷形態（P=2%）

圖10 隧址河段河床沖刷形態（P=1%）

圖11 隧址河段河床沖刷形態（P=0.33%）

（1）隧址上游斷面沖刷。隧址上游河床沖刷主要發生于主槽內，兩側高邊灘高程基本沒有變化，主槽平均沖刷深度在2.52～3.01 m之間，最大沖刷深度在3.93～4.43 m 之間，最深點高程在-6.6～-7.2 m之間，斷面最深點向下游有增大趨勢。

（2）隧址斷面沖刷。兩側高邊灘地形變化較小，主槽河床整體下切，平均沖刷深度2.58 m；河床最大沖刷深度位置出現在主槽左側，最大沖刷深度約3.91 m，沖刷深度后河床高程為-6.80 m。斷面最深點河床沖刷深度約3.06 m，沖刷后最深點高程至-7.90 m。

（3）隧址下游斷面沖刷。隧址下游750 m范圍內，河床沖刷主要發生在司馬坡島的兩側，這主要受司馬坡島分流、堤防硬邊界以及紊亂的水流綜合影響，主槽平均沖刷深度在1.98～3.38 m 之間，最大沖刷深度在2.97～5.25 m之間，最深點高程在-8.4 m左右，斷面最深點向下游有增大趨勢。

5 結語

洪潮及臺風作用下的南渡江河口河床沖淤幅度較大，在此該河段埋設隧道，極端洪水情況下極限沖刷深度是設計關鍵的參數之一。本文通過河演分析和物理模型試驗多學科研究手段對過江隧道河段極限沖刷深度進行預測。結果表明：在不同水文年條件下工程引起的河床沖淤變化，隧址段河床沖刷主要發生在現狀主槽內及司馬坡島的兩岸附近，河道等高線總體趨勢表現為向兩側推進，主槽寬度加大；受司馬坡島分流、堤防硬邊界以及紊亂水流的綜合影響，斷面最大沖刷深度向下游有增大趨勢；隧址河段主槽最深點沖刷深度3.06 m，對應的最小底高程為-7.90 m。預測成果可作為過江隧道的合理埋設提供科學依據。