韓志遠(yuǎn)，李懷遠(yuǎn)，謝華亮，楊 華

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

深圳至中山跨江通道工程(簡(jiǎn)稱“深中通道”)位于伶仃洋中部，北距虎門(mén)大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km(圖1)，是世界級(jí)超大的“橋、島、隧、水下互通”集群工程，主體工程全長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h。深中通道在伶仃洋東岸通過(guò)深圳機(jī)場(chǎng)互通立交(東人工島)與廣深沿江高速銜接，以約6.8 km長(zhǎng)的沉管隧道下穿東灘、機(jī)場(chǎng)支航道及礬石水道，通過(guò)西人工島實(shí)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(mén)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?？陂T(mén)，同時(shí)受徑流及潮流動(dòng)力影響，水文泥沙情況復(fù)雜，沉管隧道基槽開(kāi)挖后泥沙回淤不可避免。隧道基槽回淤問(wèn)題是影響沉管隧道設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵問(wèn)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(tái)風(fēng)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(huì)面臨更為嚴(yán)重的泥沙回淤問(wèn)題[4-5]。深中通道試挖槽2016年5月31日竣工后，開(kāi)展回淤監(jiān)測(cè)，在2016年7月出現(xiàn)了異常強(qiáng)回淤現(xiàn)象[3]，給后續(xù)回淤監(jiān)測(cè)及工程方案設(shè)計(jì)都帶來(lái)了極大的困擾。因此，分析試挖槽洪季短期強(qiáng)回淤現(xiàn)象的過(guò)程及機(jī)理具有重要的科研價(jià)值，可為深中通道隧道基槽回淤預(yù)警預(yù)報(bào)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(cè)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(duì)試挖槽洪季異常強(qiáng)回淤過(guò)程和回淤機(jī)理進(jìn)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(cè)量資料、定點(diǎn)水沙監(jiān)測(cè)資料、回淤盒觀測(cè)資料、淤泥密度測(cè)量資料、底質(zhì)取樣資料。監(jiān)測(cè)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(jìn)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(jì)算試挖槽分成槽底、邊坡等分區(qū)(分區(qū)范圍見(jiàn)圖1)的平均水深、平均回淤厚度和回淤?gòu)?qiáng)度；最后用GIS軟件提取試挖槽4個(gè)南北向斷面和4個(gè)東西向斷面的水深數(shù)據(jù)并繪制斷面水深對(duì)比圖[6]。

試挖槽槽底回淤盒觀測(cè)周期為15 d，中潮前在槽底自西向東放置4組共12個(gè)回淤盒(每組3個(gè))，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(cè)各個(gè)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(diǎn)含沙量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)計(jì)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(dòng)篩分儀進(jìn)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?gòu)?qiáng)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??；槽底總淤厚約為2.94 m(圖2-a)，平均淤?gòu)?qiáng)約為3.3 cm/d，槽底淤?gòu)?qiáng)為邊坡的4～8倍。

2-a 淤厚 2-b 淤?gòu)?qiáng)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?gòu)?qiáng)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(shí)段淤?gòu)?qiáng)變化看(圖3-a)，7月20～23日期間最大，淤?gòu)?qiáng)為16.0 cm/d；7月28日～8月3日期間次之，淤?gòu)?qiáng)為11.3 cm/d；8月17～21日和7月15～20日期間也較大，淤?gòu)?qiáng)分別為6.8 cm/d和5.2 cm/d；其它時(shí)段淤?gòu)?qiáng)均在1.0 cm/d 以下。

3-a 水深測(cè)量數(shù)據(jù) 3-b 回淤盒觀測(cè)數(shù)據(jù)圖3 洪季槽底不同時(shí)段淤?gòu)?qiáng)變化

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

總的來(lái)看，洪季試挖槽槽底回淤?gòu)?qiáng)度明顯大于各個(gè)邊坡，試挖槽淤積與潮型變化密切相關(guān)，大潮期間的淤?gòu)?qiáng)遠(yuǎn)大于中小潮期間；洪季槽底7月和8月的平均淤?gòu)?qiáng)較大，且都出現(xiàn)了淤?gòu)?qiáng)大于10 cm/d的異常強(qiáng)淤積。

從試挖槽強(qiáng)回淤出現(xiàn)前后時(shí)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)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??；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(duì)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(duì)比Fig.5 Depth comparison of the sections in the trough from late July to early August of 2016

總的來(lái)看，異常強(qiáng)回淤出現(xiàn)時(shí)段槽內(nèi)淤積分布與其他時(shí)段相比有較明顯的差異，除了槽底回淤?gòu)?qiáng)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(duì)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(cè)驗(yàn)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(shí)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(dāng)，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(diǎn)。

3 討論

3.1 水動(dòng)力條件的影響

試挖槽為淺灘上開(kāi)挖的局部深坑，漲落潮水流經(jīng)過(guò)試挖槽后，槽內(nèi)流速會(huì)明顯降低，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不同程度的環(huán)流。從試挖槽大潮期間ADCP走航觀測(cè)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(dòng)力條件。由此可見(jiàn)，基槽開(kāi)挖后，槽內(nèi)會(huì)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(dòng)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(xì)顆粒泥沙來(lái)看，槽內(nèi)淤積形式以懸沙落淤為主。

3.2 洪季上游來(lái)沙的影響

珠江來(lái)沙為試挖槽所在伶仃洋水域的主要泥沙來(lái)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(lái)沙較大有關(guān)[3]。

從洪季6～8月試挖槽月淤?gòu)?qiáng)比較來(lái)看(圖6)，整個(gè)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?gòu)?qiáng)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(lái)水來(lái)沙與試挖槽淤積并沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，上游來(lái)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?gòu)?qiáng) 6-b 珠江輸沙量圖6 2016年6～9月試挖槽月均淤?gòu)?qiáng)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(diǎn)含沙量測(cè)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(lái)看，6月中上旬大潮時(shí)為0.15～0.2 kg/m3，小潮時(shí)為0.1 kg/m3；6月下旬至7月上旬，大潮時(shí)為0.10～0.13 kg/m3，小潮時(shí)在0.05 kg/m3左右；8月中旬，大潮時(shí)為0.10～0.13 kg/m3，小潮時(shí)在0.02 kg/m3左右。試挖槽7～8月出現(xiàn)強(qiáng)回淤時(shí)段的含沙量明顯小于大洪水影響的6月中上旬時(shí)段。

同期珠江流量，6月中上旬為2～4萬(wàn)m3/s，6月下旬至8月為1～2.5萬(wàn)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(méi)有大洪水時(shí)段。在沒(méi)有洪水出現(xiàn)時(shí)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(shuō)明在沒(méi)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(guò)程來(lái)看(圖7)，6月流量為1～4萬(wàn)m3/s，在6月13～22日期間出現(xiàn)了流量達(dá)3～4萬(wàn)m3/s的大洪水；出現(xiàn)強(qiáng)回淤時(shí)段7月下旬和8月初的流量為1.0～1.5萬(wàn)m3/s。因此大洪水并非是槽底7～8月出現(xiàn)異常強(qiáng)回淤的主要原因。同時(shí)7月20～23日前后也無(wú)臺(tái)風(fēng)影響珠江口水域，因此臺(tái)風(fēng)也并非7月20～23日出現(xiàn)異常強(qiáng)回淤的主要影響因素。

圖7 固定站底部日平均含沙量過(guò)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(hào)臺(tái)風(fēng)“妮妲”過(guò)境本區(qū)，期間中心最大風(fēng)力達(dá)11級(jí)，必將會(huì)對(duì)試挖槽淤積產(chǎn)生影響。根據(jù)臺(tái)風(fēng)前后7月28日～8月3日斷面地形對(duì)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(tái)風(fēng)影響期間為中潮向大潮過(guò)渡階段，正常情況下試挖槽淤積會(huì)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(jìn)入槽底，導(dǎo)致這一時(shí)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(qiáng)回淤時(shí)段既無(wú)大洪水發(fā)生，也無(wú)臺(tái)風(fēng)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(kāi)挖港池航道，在開(kāi)挖初期試挖槽邊坡回淤到一定程度，邊坡上新回淤泥沙會(huì)隨水流或者以浮泥形式進(jìn)入槽底而增加槽底的回淤。從試挖槽內(nèi)淤積分布看，各個(gè)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(duì)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(huì)比較大，再加上北邊坡回淤泥沙局部沖刷滑落進(jìn)入槽底，從而導(dǎo)致槽底出現(xiàn)異常強(qiáng)淤積現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)深中通道試挖槽洪季異常強(qiáng)回淤時(shí)段的回淤過(guò)程進(jìn)行分析，得出主要結(jié)論如下：(1)試挖槽槽底在7～8月兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)了淤?gòu)?qiáng)均超過(guò)10 cm/d的異常強(qiáng)回淤，異常強(qiáng)回淤出現(xiàn)時(shí)段均位于大潮前后時(shí)段。(2)異常強(qiáng)回淤時(shí)段不僅槽底回淤?gòu)?qiáng)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(qiáng)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(qiáng)回淤，應(yīng)主要與大潮前臺(tái)風(fēng)影響過(guò)境導(dǎo)致東邊坡和南邊坡泥沙沖刷滑落有關(guān)。