港珠澳大桥对伶仃洋滩地演变影响试验研究

吴门伍，严 黎，周家俞，吴天胜

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611;2.重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋，连接香港、珠海和澳门三地.港珠澳大桥的建设可明显缩短港、澳、粤三地的交通距离，大大加强三地的沟通和联系，对促进三地及泛珠三角地区的经济发展意义重大［1－2］.但是大桥横跨伶仃洋水域，工程规模巨大，对珠江河口防洪、纳潮、排涝及伶仃洋河势稳定的影响十分关键，倍受社会各方关注.

2004年，中交公路规划设计院有限公司拟定了一地三检(只设珠海澳门口岸)中线桥梁、北线桥遂等5个规划方案，2007年初，又拟定了三地三检(分设珠海、澳门和香港口岸)10个规划方案，针对其中的重点方案我院均采用一、二维联解潮流数学模型、整体物理模型等手段进行了研究.研究结果表明［3－4］:推荐方案阻水比较大，大桥兴建后工程上游海区、口门及网河区水道高潮位普遍降低、低潮位有所抬高、潮差减小，潮汐动力有所减弱、潮波变形、潮汐通道的输沙能力降低、口门地区拦门沙抬高等问题，对珠江三角洲受洪、潮、涝灾影响的约2 012万人口和5 706 km2耕地造成严重影响.同时，潮汐动力减小后不利于珠江三角洲城市群的排污，对当地水生态环境将造成严重影响.2009年初，在前期论证及征询各方意见的基础上，项目设计方对大桥线位及具体设计方案进行了优化，珠江水利科学研究院对优化方案进行了深化研究.研究过程中经与大桥设计单位多次沟通协调，最终确定深化阶段的推荐方案总体布置为:隧道东、西人工岛迎水面长度由1 000 m缩短为625 m，香港口岸人工岛设在机场岛以东水域，珠海澳门侧设珠澳口岸人工岛、珠海连接线人工岛、深水区非通航孔跨径为110 m，浅水区非通航孔跨径为75 m，预留香港侧航道、青州航道、江海直达船航道、九洲航道等主要通航过道.本文为推荐方案总体布置的物理模型试验研究成果，旨在为港珠澳大桥的建设及优化提供科学依据.

1 大桥概况

港珠澳大桥工程从香港大濠岛至珠海拱北、澳门半岛，主线全长约35.525 km.从东向西布置有香港口岸、隧道东、西人工岛及珠海澳门口岸、珠海接线人工岛等5个人工岛，香港口岸总用地面积约1.85 km2，东西人工岛用地面积均为0.10 km2，珠海澳门口岸人工岛总用地面积约2.18 km2(包括珠海接线人工岛占地0.11 km2).整个线位为东西－西南走向，东段上游距离内伶仃岛约13 km，下游距离桂山岛约15 km，西段上游距离淇澳岛约16 km，紧临九洲港，并跨九洲港出海航道.隧道东人工岛西距伶仃航道约3.6 km，隧道西人工岛东距伶仃航道约1.99 km.

从香港机场至珠海澳门口岸布置桥墩约318个，其中，粤港分界线―香港机场为80组桥墩，采用双幅墩式;珠澳人工岛―粤港分界线为238组桥墩，采用整体单幅墩式.大桥工程共设5处通航孔:伶仃西航道及铜鼓航道处采用5 990 m的海底隧道;青州航道桥为(110+126+458+126+110)m两塔钢箱梁斜拉桥;江海直达船航道桥采用(129+2×258+129)m三塔钢箱梁斜拉桥;九洲航道桥采用(75+150+298+150+75)m两塔钢箱梁斜拉桥;香港侧预留通航孔采用3跨150 m的连续梁桥.从香港大濠岛起，主通航孔以东非通航孔为75 m跨，以西为60 m跨，该段桥墩承台出露河床;隧道东、西人工岛岛体长均为625 m;隧道西人工岛至江海直达船航道非通航孔采用110 m跨，江海直达船航道至珠澳口岸非通航孔采用75 m跨，两段非通航孔桥墩承台均埋入河床.

2 河段概况

伶仃洋是珠江口东部4个口门(虎门、蕉门、洪奇沥和横门)注入的河口湾，湾型呈喇叭状，走向接近NNW－SSE方向，湾顶宽约4 km(虎门口)，湾口宽约30 km(澳门至香港大濠岛之间)，纵向长达72 km，水域面积约2 110 km2.湾内分布有舢舨洲、内伶仃岛、淇澳岛、桂山岛、大濠岛等大小岛屿.其中内伶仃岛、淇澳岛、赤湾一线以北水域习惯称为内伶仃洋，以南称外伶仃洋.伶仃洋水域地形具有西部浅、东部深的横向分布特点和湾顶窄深、湾腰宽浅、湾口宽深的纵向分布特点，浅滩分布呈现三滩两槽的基本格局，即西滩、中滩、东滩与西槽、东槽［5］.

珠江流域地处热带、亚热带气候区，径流量相对丰富，根据《珠江流域水资源规划》1956—2000年资料统计，珠江流域多年平均径流量为3 381亿m3，其中西江2 301亿m3，北江510亿m3，东江274亿m3，珠江三角洲295亿m3，分别占珠江流域径流总量的68.1%，15.1%，8.1%和8.7%.根据近20 a资料计算分析，八大口门多年平均径流分配比为［6］:虎门24.5%，蕉门16.8%，洪奇门7.2%，横门12.5%，磨刀门26.6%，鸡啼门4.0%，虎跳门3.9%和崖门4.5%.

珠江三角洲河流输沙主要以悬移质为主，含沙量较小，各主要控制站多年平均值为0.11～0.31 kg/m3，西江马口站最大为0.31 kg/m3.伶仃洋西部水域受蕉门、横门和洪奇沥三大口门来水来沙直接影响，东部水域主要接纳虎门来水来沙及蕉门部分水沙，虎门、蕉门、洪奇沥、横门占四大口门年输沙总量分别为27.2%，36.1%，13.3%和23.4%［7］.伶仃洋潮差较小，属弱潮型，为不正规半日混合潮型.东部自然水深较大，潮汐作用强，西部受河口径流影响，潮势较弱，东岸潮差大于西岸［8］，潮汐系数在0.96～1.77之间(担杆1.77，大万山1.64，赤湾1.21，唐家湾0.96，舢舨洲1.15).根据天津水运工程科学研究所2007年实测资料统计分析［9］，大虎站最大潮差为2.62 m，平均潮差为1.85 m;内伶仃岛站最大潮差为2.51 m，平均潮差为1.52 m;桂山岛站最大潮差为2.17 m，平均潮差为1.21 m;大万山岛站最大潮差为2.02 mm，平均潮差为1.12 m.从外海大万山到虎门，沿程潮差呈递增变化［10］.

伶仃洋海域水体悬移质的中值粒径一般为0.002～0.017 mm，大潮粗，中、小潮细，但差别不大，床沙的中值粒径变化范围在0.002～0.64 mm，有北粗南细、东粗西细、槽粗滩细、峡粗湾细的空间分布特征［11］.据文献［12－13］的研究，伶仃洋西滩的自然沉积速率约为2～5 cm/a，东滩沉积速率仅为1 cm/a，湾内平均沉积速率为1.5～2.5 cm/a，总体处于微淤态势.

3 模型概况

3.1 模型特点

(1)本模型为珠江河口整体潮汐物理模型，主要用于研究口门区和主干道的港口、航道、跨海大桥建设和大型引水工程的可行性论证，以及研究水质污染源的释放和回荡过程及其采用措施的可行性论证，还为网河区的水沙调配提供原型实测资料无法得到的不同径潮组合条件下的边界控制条件等.模型下边界为珠江八大出海口门外海区－25 m等高线，并延长5 km左右的过渡段.模型上边界为:西北江上游至两江交汇处思贤滘附近，广州水道上游至老鸦岗，东江至石龙，并分别向上游延伸2 km作为过渡段.上边界以上用扭曲水道与量水堰连接，用以模拟潮区界段纳潮的长度和容积.所有上、下边界的过渡段都按实测地形模拟，以保证模型水流与原型相似.模型水平比尺为700，垂直比尺为100，变率为7，模拟的原型长度约为140 km，原型宽度约为120 km(见图1).

(2)模型采用计算机自动控制采集及处理数据系统.本模型采用多边界模拟系统，模型的上边界通过量水堰控制径流流量，下边界生潮方式采用多口门变频器控制.模型潮位的量测采用我院研制的GS－3B光栅式跟踪水位仪，精度可达到0.1 mm.流速的量测采用LS－3C光电流速仪.模型加沙系统采用我院研制的CRL自动加沙系统，加沙过程与潮位、潮流控制过程同步.

(3)模型沙选择.经原型资料分析及水槽试验结果，选用密度为1.4 t/m3，中值粒径为0.7 mm的株洲精煤屑作为床沙，江苏靖江生产的密度为1.16 t/m3，中值粒径为0.048 mm的木粉作为悬沙.

图1 珠江河口整体模型Fig.1 Pearl River estuary global physical model

3.2 模型验证

模型是否与天然相似，在几何相似实现后，主要视模型潮位、流速、流向、潮量、流路和地形变化量是否与原型一致而定.本模型的设计及验证成果已于2003年10月通过了水利部国际合作与科技司主持的鉴定［14］.

为进行模型试验，本模型采用新近实测地形进行重新制作，采用“2005.6”(2005年6月24日3∶00—25日3∶00，洪水大潮)、“1998.6”(1998年6月27日0∶00—28日0∶00，洪水大潮)、“2007.8”(2007年8月13日20∶00—14日20∶00，中水大潮)、“2003.7”(2003年7月29日11∶00—30日11∶00，中水大潮)、“2009.3”(2009年3月27日12∶00—28日12∶00，枯水大潮)共5组水文组合对模型进行了重新验证.其中“2005.6”组合是超百年一遇的洪水组合;“1998.6”组合是特大洪水组合，是研究珠江河口整治规划中防洪问题的代表潮型;“2003.7”组合是中水大潮典型组合，重点用以研究伶仃洋海区水动力条件变化;“2007.8”组合是与模型地形施测年代最相近的水文组合;“2009.3”组合是为港珠澳大桥专题施测的最新枯水期水文资料.采用“1999.7”中水径潮组合(含大、中、小潮)+“2001.2”枯水径潮组合(含大、中、小潮)的水沙条件进行泥沙淤积验证，以1954—2007年期间伶仃洋各主要滩地的年平均淤积速率作为模型验证的依据(淤积验证结果见表1).

表1 泥沙淤积验证Tab.1 The verification of sedimentation m

通过反复调试加沙量及加沙时间，最后确定含沙量比尺为0.22，冲淤时间比尺为726.验证试验结果表明:模型的涨、落潮历时及相位与原型基本一致，潮位特征值偏差值一般在±0.10 m(原型值)以内;各测点的涨落潮平均流速、最大流速与原型值比较，误差基本在±10%以内，个别测点误差略大，可能由于局部地形的变化所致;各测点的流向角误差一般在±10°以内;物理模型观测到的流态与数模及遥感的研究成果基本相符;悬沙淤积验证试验中模型验证区域平均淤积强度与多年实测地形资料分析的淤积结果较为相近.由此说明:模型的设计和制作、模型沙确定、加糙方式、试验方法以及原型资料均是正确的.而且模型测试采用计算机自动控制、采集和处理数据，测试数据稳定、可靠，可进行方案试验.

4 方案试验及结果分析

模型方案试验分2个阶段，先进行清水定床潮流试验，其目的是了解港珠澳大桥修建后伶仃洋水域流场变化;然后进行泥沙试验，泥沙试验首先进行港珠澳大桥工程实施后局部动床长时间冲刷试验，将冲刷基本稳定后的地形边界进行固化处理，再进行港珠澳大桥工程实施前后悬沙淤积试验.

根据研究目的，本次研究主要采用“2005.6”洪水组合、“1998.6”洪水组合、“1999.7”中水组合、“2003.7”中水组合、“2001.2”枯水组共5组典型水文组合进行试验，分析评价工程对上游防洪(潮)、排涝、潮排、潮灌和工程附近水域流速、流态的影响.

局部动床范围为:伶仃洋西侧，上游边界距桥轴线约为2.0 km，下游边界距桥轴线约为2.5 km;伶仃洋东侧，上游边界距桥轴线约为5.0 km，下游边界距桥轴线约为4.0 km.试验时动床范围内铺设密度为1.4 t/m3，中值粒径为0.7 mm的株洲精煤屑，试验水文组合采用“1999.7”中水径潮组合(含大、中、小潮)+“2001.2”枯水径潮组合(含大、中、小潮).模型试验时采用这两组水文组合对河床进行冲刷，直至河床基本稳定为止.

悬沙淤积试验是在局部动床长时间冲刷试验的基础上，将局部动床冲刷试验后的地形进行固化，然后再进行悬沙淤积试验.试验水文组合为“1999.7”中水径潮组合(含大、中、小潮)+“2001.2”枯水径潮组合(含大、中、小潮)，试验悬沙采用江苏靖江生产的密度为1.16 t/m3，中值粒径为0.048 mm的木粉.试验时先施放“1999.7”潮型，再施放“2001.2”潮型，落潮时上游加沙，涨潮时下游加沙，为全面了解工程的长期累积影响，模型试验模拟原型时间为10 a，对有工程和无工程2种工况进行了对比研究.

4.1 清水定床试验结果

(1)清水定床条件下，从工程前后潮位变化结果看，港珠澳大桥兴建后工程上游潮位变化总体呈高高潮位降低、低低潮位抬高、潮差减小规律，潮位的变化幅度自海区向上游呈递减变化.从空间分布看，潮位变化以离工程最近的赤湾－内伶仃岛－淇澳岛一线最大，高高潮位最大降低值为0.03 m，低低潮位最大抬高值为0.04 m，潮差最大减小值为0.07 m;工程上游东四口门则以虎门站潮位的变化最大，高高潮位最大降低值为0.01 m，低低潮位最大抬高值为0.03 m，潮差最大减小值为0.04 m，其余三口门变化略小;上游网河区虎门潮汐通道大石以上、西北江三角洲大陇滘以上、磨刀门的灯笼山以上的潮位基本保持不变;几种不同水文组合相比，“2005.6”洪水大潮的潮位变化略大于其他几种潮型组合.因此，港珠澳大桥的兴建将给伶仃洋沿岸、狮子洋及西北江三角洲近口门区一带河道的行洪、排涝带来一定程度的影响，主要影响地区包括广州、东莞、深圳、中山、珠海等河口地区.

(2)港珠澳大桥兴建后流速变化较大的水域为东、西人工岛上、下游及伶仃西航道近桥区航段.东、西人工岛上、下游流速明显减小，伶仃西航道近桥区航段流速明显增大，涨潮流速最大增加0.10～0.14 m/s，落潮流速最大增加0.16～0.25 m/s，而离桥线较远的航段却有所减小，桥址其他部位流速变化相对较小.伶仃洋海区东滩、中滩和西滩工程后流速普遍有所减小.尽管伶仃深槽的流速有增有减，滩地流速亦有改变，但从工程前后总体流场变化结果看，伶仃洋海区涨落潮主流没有明显改变，港珠澳大桥的兴建不会改变伶仃洋三滩二槽分布的总体格局.

(3)工程实施后在人工岛上下游形成明显的回流及漩涡现象.涨潮时，伶仃洋西侧人工岛的回流及漩涡宽约1.0 km，长约2.1 km，东侧人工岛的回流及漩涡宽约1.0 km，长约2.5 km;落潮时，伶仃洋西侧人工岛的回流及漩涡宽约1.1 km，长约2.3 km，东侧人工岛的回流及漩涡宽约1.2 km，长约2.9 km.

(4)潮量变化统计结果(见表2)表明，工程实施后伶仃洋海区(金星门－淇澳岛－内伶仃岛－赤湾断面)和工程上游潮汐通道(虎门断面)的涨落潮量均有所减小，而洪湾水道(马骝洲断面)涨落潮量则略有增大.5种水文组合条件下，工程实施后东四口门涨潮量减小0～3.2%，落潮量减小0～0.7%;金星门－淇澳岛－内伶仃岛－赤湾断面涨潮量减小0.8% ～2.7%，落潮量减小0.6% ～0.9%;马骝洲断面涨潮量增加0～2.9%，落潮量增加0～0.6%.因此，港珠澳大桥实施后伶仃洋海区及虎门潮汐通道的纳潮能力将有所减弱.

表2 工程前后潮量变化统计Tab.2 The statistics of tidal volume changes

4.2 局部动床试验结果

(1)隧道断面河床演变 港珠澳大桥工程实施后，桥墩及东、西人工岛阻水，减小了河道过流面积，人工岛之间水流流速增加，河床发生普遍冲刷.工程实施后，人工岛之间隧道段冲淤示意图见图2.由图可见，由于受工程实施后人工岛头部沉管回填护坡及人工岛的影响，人工岛岛头水流流速增大，水流紊动强度增强，人工岛岛头局部冲刷明显，西人工岛东侧岛头局部冲深约1.78 m，东人工岛西侧岛头局部冲深约2.00 m.从断面平均冲刷深度来看，工程前隧道断面海床平均高程为－12.51 m，工程后海床平均高程为－12.81 m，工程后海床平均冲刷深度约为0.30 m.即工程实施后，主要是人工岛头部局部冲深较大，伶仃西航道深槽有冲有淤，隧道断面其他部位冲淤变化较小，一般不超过0.20 m.

图2 工程实施后人工岛之间隧道断面Fig.2 Sketch of tunnel cross-section between the artificial islands after the project completion

(2)人工岛附近河床演变 港珠澳大桥工程实施后，受桥墩及东、西人工岛阻水影响，工程附近水流流速增大，水流挟沙力增强，人工岛上下游存在明显的回流及漩涡现象，漩涡左右摇摆不定，距人工岛越远，漩涡越宽，强度越小.局部动床清水试验结果表明，人工岛两侧附近河床发生普遍冲刷，人工岛上下游发生少量淤积.东、西人工岛两端冲刷最为明显，最大冲刷深度可达2.00 m，冲刷区内均有明显的沙波.冲刷区宽度以东人工岛岛头向东最大，约0.95 km，西人工岛岛头向西最小，约0.30 km.从冲刷深度看，东人工岛大于西人工岛，各部位最大冲刷深度分别为:东人工岛西侧隧道回填护坡头部约2.00 m，东人工岛东侧约1.45 m，西人工岛东侧隧道回填护坡头部约1.78 m，西人工岛西侧约0.81 m.东、西人工岛下游掩护区均有明显的淤积体出现，东人工岛下游淤积最大厚度约为0.07 m，西人工岛下游淤积最大厚度约为0.06 m.

(3)其他部位河床演变 工程实施后，珠澳人工岛和桥墩附近虽有为数不少的冲刷坑，但仅为桥墩局部冲刷，且冲刷范围和冲刷深度都很小.

局部动床清水试验结果表明，工程后主流区附近桥址断面局部河床将出现明显的冲刷调整，该调整有利于减小工程对潮流进出伶仃洋带来的负面影响.

4.3 悬沙淤积试验成果

悬沙淤积试验结果表明，与无工程相比，工程实施后，伶仃洋各主要浅滩10 a累积淤积厚度有所增大，但量值较小(见图3(a));伶仃洋各主要浅滩发展速度呈增大趋势，但变化幅度不大(见图3(b))，伶仃洋三滩两槽的总体格局基本保持不变.以下是对伶仃洋滩地淤积演变进行具体分析.

图3 伶仃洋滩地淤积厚度和淤长长度Fig.3 The thickness and length of siltation beach

(1)西滩 清水定床试验研究结果表明，港珠澳大桥工程实施后，伶仃洋西滩水域水流流速略有减小，且因西滩水域水流来沙量较大，工程实施后泥沙淤积相对较为明显.悬沙淤积试验结果表明，与无工程相比，蕉门延伸段尾闾浅滩在工程实施后10 a累积淤积厚度为0.020 m，万顷沙尾闾浅滩为0.031 m，横门浅滩为0.022 m，淇澳岛南浅滩为0.033 m，伶仃洋西侧浅滩为0.058 m;工程实施前后西滩10 a累积－5 m等高线也有一定变化，与无工程相比，工程实施后蕉门延伸段尾闾浅滩－5 m等高线基本不变，西滩北部向东拓展10～106 m，淇澳岛南浅滩尾部向南延伸最大值为315 m，东部则向东拓展20～146 m，伶仃洋西侧浅滩向东拓展20～140 m.受南沙、冯马庙、横门来流影响，在蕉门延伸段尾闾浅滩下游、万顷沙下游(中山港对面)均将出现一条冲刷沟.同时，中山港航道深水区将一直延伸到淇澳岛南侧，挟沙水流在此扩散，流速减小，泥沙落淤，使淇澳浅滩及伶仃洋西侧浅滩形成较大淤积.

(2)中滩 东、西人工岛修建之后，人工岛之间的伶仃西航道水流流速增大，涨潮时向上游的潮流动力增强.与无工程相比，中滩内伶仃岛下游浅滩－5 m等高线在工程实施后10 a累积蚀退最大值为173 m，内伶仃岛上游以北浅滩－5 m等高线向北延伸约120 m;该区域工程实施后10 a累积淤积厚度增加0.035～0.040 m.

(3)东滩 东滩位于工程上游左岸，由清水定床试验结果可知，工程实施后，该区域流速变化较小.悬沙淤积试验结果表明，与无工程相比，该区域工程实施后10 a累积淤积厚度变化约为0.011 m，－5 m等高线范围浅滩变化较小，东滩滩头向下游淤长约为57 m，向伶仃西航道方向淤长约为33 m.

(4)东、西人工岛 工程实施后，受东、西人工岛阻流影响，人工岛上下游掩护区内流速减小，两侧流速增大，形成较强的回流及漩涡.悬沙淤积试验结果表明，工程实施后，东、西人工岛的淤积主要位于掩护区一带，淤积平面分布基本呈带状，淤积厚度则呈西岛大于东岛、北侧大于南侧的基本特征.其中，东、西人工岛北侧10 a累积最大淤厚分别为0.6和0.8 m，淤积长度约为5 km;南侧10 a累积最大淤厚分别为0.4和0.5 m，淤积长度约为3 km.

(5)珠澳人工岛 工程实施后，挟沙水流遇珠澳人工岛后，涨潮时在工程西北侧、北侧及上游水域流速明显减小，落潮时在工程下游产生较大回流区，流速减小，因此该区域泥沙主要落淤在珠澳人工岛东侧、南侧及西侧，最大淤积厚度约为0.30 m，而珠澳人工岛北侧即港珠澳大桥与珠海连接线桥以北落淤厚度相对较小，仅约0.02 m.

(6)桥址附近 受桥墩及承台阻水影响，大桥附近上下游水流流速略有减小，桥墩之间流速略有增加.工程实施后，桥墩附近上下游略有淤积，但淤积量很小，桥墩之间基本无变化.

5 结语

(1)清水定床条件下，港珠澳大桥兴建后工程上游潮位变化总体呈高高潮位降低、低低潮位抬高、潮差减小规律，潮位的变化幅度自海区向上游呈递减变化.因此，港珠澳大桥的兴建将给伶仃洋沿岸、狮子洋及西北江三角洲近口门区一带河道的行洪、排涝带来一定程度的影响，主要影响地区包括广州、东莞、深圳、中山、珠海等河口地区.

(2)港珠澳大桥兴建后流速变化较大的水域主要是东、西人工岛上、下游及伶仃西航道近桥区航段.从工程前后总体流场变化结果看，伶仃洋海区涨落潮主流没有明显改变，港珠澳大桥的兴建不会改变伶仃洋三滩二槽分布的总体格局.

(3)局部动床试验结果表明，工程实施后，东、西人工岛两端冲刷最为明显，最大冲刷深度可达2.0 m.工程后主流区附近桥址断面局部河床将出现明显的冲刷调整，该调整有利于减小工程对潮流进出带来的负面影响.

(4)悬沙淤积试验结果表明，工程实施后，东、西人工岛的淤积主要位于南、北两侧掩护区一带，淤积平面分布基本呈带状，而淤积厚度则呈西岛大于东岛、北侧大于南侧的基本特征.

(5)悬沙淤积试验结果表明，与无工程相比，工程实施后伶仃洋各主要浅滩10 a累积淤积厚度有所增大，但量值较小;伶仃洋各主要浅滩发展速度呈增大趋势，但变化幅度不大.从工程前后淤积厚度变化看，工程对西滩南部影响最大，其次为西滩北部和中滩，对东滩影响最小.因此港珠澳大桥工程实施后，伶仃洋三滩两槽的总体格局基本保持不变.

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