港珠澳大桥对伶仃洋水沙环境的影响

闫 勇，韩鸿胜

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道（图1）。其主要功能是解决香港与内地（特别是珠江西岸地区）及澳门三地之间的陆路客货运输需求，建立连接珠江东西两岸新的陆路运输通道，是具有国家战略意义的世界级跨海通道。

从已建的跨海大桥工程实践表明，如果桥梁墩距较大且建在海底地形比较平坦、水流动力较弱的海域，工程后水沙环境改变对地形冲淤的影响不会太明显。如果桥区附近有航道、水流动力较强或者地形比较复杂，桥墩所造成水流改变对航道淤积以及滩槽地形的影响会明显增大，轻则造成航道淤积加重，重则造成航道轴线不断偏移、海床地形出现变迁，给通航及海洋环境带来不利影响。

本项研究工作的目的是通过潮位、潮流场、泥沙场和地形变化，研究港珠澳大桥工程对伶仃洋港口、航道的影响及滩槽地形的变化规律。同时，结合长期地形预报，进一步研究水流变化对伶仃航道和铜鼓航道的淤积影响及变化趋势，为港珠澳大桥总体方案设计提供技术支持和科学依据。

图1 港珠澳大桥总平面图Fig.1 General layout of the HZMB

1 模型设计制作

1.1 相似准则

1.1.1 水流运动相似

根据非恒定流运动方程和连续方程，并且满足模型水流应处于阻力平方区内，要求模型水流雷诺数Re≥1 000，模型垂直比尺应满足式（4），水流运动相似比尺［1］的关系式如下

式中：λu、λv为流速比尺；λh为垂直比尺；λl为水平比尺；λt为时间比尺。在水流运动相似方面，满足重力相似（式1）、阻力相似（式2）或垂直比尺限制条件（式4），模型就可满足水流运动相似。

1.1.2 泥沙运动相似

根据泥沙运动相似理论及其有关方程可得泥沙运动相似关系式如下

式中：λω为泥沙沉降速度比尺；λS为含沙量比尺；λS1为挟沙能力比尺；λt1为悬沙运动冲淤时间比尺；λvc为泥沙起动速度比尺；λqb为推移质输沙率比尺；e为模型变率；λt2为河床冲淤变形时间比尺。

1.2 模型比尺的确定

模型范围涵盖珠江四大口门、广州港南沙港区、深圳港西部港区、深圳湾、珠海、澳门、香港机场和大万山以北海域，因此模型南边界选择在大万山岛附近，北边界至虎门，原型长度110 km，东西边界按固定岸线控制，原型最大宽度可达50 km。为满足上述边界要求，确定模型水平比尺为1：900。在满足模型加糙、水流流态相似、易选择满足泥沙沉降和起动相似的模型沙基础上，确定模型垂直比尺为1：120。

1.3 模型沙的选择

桥区附近悬沙中值粒径为0.007 mm［2］，属粘土质粉砂。这种粒径的悬沙是会产生絮凝的，通过计算，絮凝后的当量粒径约为0.022 mm，对应的静水沉速约为0.381 mm/s。按这种悬沙的要求，经比较，本模型选择比重为1.19 kg/m3的褐煤作为模型悬沙，当平均中值粒径为0.045 mm时，模型沙沉速约为0.252 mm/s，换算成实际沉速比尺为1.51，与计算沉速比尺1.46相比，偏差为3.4%，可以满足沉降相似要求［3］。

现场实测桥区附近底质泥沙中值粒径为0.008 mm［2］，经水槽试验可知，在水深为5 m时，起动流速为1.22 m/s。本模型也同样选择比重为1.19 kg/m3的褐煤作为模型底沙，当平均中值粒径为0.400 mm时，模型沙起动流速为0.12 m/s，换算成实际起动流速比尺为10.17，与计算起动流速比尺10.95相比，偏差为7.2%。也基本能满足起动相似的要求［3-5］。

2 验证试验

2.1 潮流验证试验

本模型分别采用2002年12月4日～5日（枯季）、2007年8月13日～14日（洪季）、2009年3月27日～28日（枯季）和2009年6月22日～23日（洪季）4种潮型进行了验证。

不同潮型验证结果表明，各点平均流速差值基本能控制在10%之内，流向差值基本能控制在10°以内，模型逐时流速和流向过程线与原型基本吻合，相位一致，总体验证结果可以满足相似要求［1］。

2.2 泥沙验证试验

经过1 a天然状态下动床泥沙验证试验，结果如下：

（1）南沙港区至桥区附近的伶仃航道内淤积分布由南沙港区向桥区递减，模型淤积强度介于12.4～81.0 cm/a，平均值为 36.3 cm/a，与原型平均值 41.2 cm/a［6］相比，偏差为 11.9%（图 2）。

（2）铜鼓航道淤积分布（图3）是中部淤强最大、向两侧逐渐减小，模型淤积强度介于11.2～76.3 cm/a，平均值为48.0 cm/a，与原型平均值55.0 cm/a［6］相比，偏差为13.1%。

（3）西滩海域淤积强度自岸向伶仃航道呈递增分布，从上游向下游呈递减分布，模型淤积强度介于0.3～9.1 cm/a，平均值为4.0 cm/a，与原型平均值3.3 cm/a相比，偏差为21.2%。

（4）大濠水道主要表现为有冲有淤，基本呈冲淤平衡略有冲刷状态，冲淤速率介于-1.4～1.4 cm/a，年平均冲刷强度为0.1 cm/a，原型平均值为1.1 cm/a，偏差为1.0 cm/a。

经上述各区水深变化比较，模型地形与原型地形变化规律基本一致，各区冲淤强度平均值与原型也基本相近，总体验证精度符合规范要求，模型与原型满足了相似要求。表明，模型沙和模型控制边界的选择是合适的。

图2 伶仃航道沿程冲淤验证Fig.2 Verification of erosion and siltation in Lingding Channel

图3 铜鼓航道沿程冲淤验证Fig.3 Verification of erosion and siltation in Tonggu Channel

3 潮流方案试验

3.1 流场变化

（1）工程后，除桥区上、下游各4～5 km的范围内流场有变化外，其他区域流场不变。

（2）受人工岛分流和汇流的影响，在人工岛南侧和北侧出现回流区和较大范围的弱流区，最大影响范围在西人工岛海域，东西影响长度约为2 km，南北影响长度约为3 km，在东人工岛海域，东西影响长度约为1.6 km，南北影响长度约为2.3 km。

（3）受2个人工岛绕岛水流的共同作用，两岛之间水流同时出现向东偏转和向西偏转的变化，而且水流强度也有所增大，如图4～图7所示。

（4）通过模型观察，无论是110 m桥跨还是75 m桥跨，出现涡旋水流只在桥墩附近，影响范围也较小。而青州航道桥、江海直达航道桥和九州航道桥，因承台在海床面以上，承台和桥墩尺寸相对较大，出现较大的绕墩水流和涡旋水流，而且对局部水流的影响也增大。

图4 东人工岛附近涨急流场Fig.4 Flow field at max flood tide near the eastern man-made island

图5 东人工岛附近落急流场Fig.5 Flow field at max ebb tide near the eastern man-made island

图6 西人工岛附近涨急流场Fig.6 Flow field at max flood tide near the western man-made island

图7 西人工岛附近落急流场Fig.7 Flow field at max ebb tide near the western man-made island

3.2 流速变化

（1）在桥区附近，因受人工岛和桥墩的影响，流速和流向均会发生变化，就影响范围和变化幅度而言，人工岛区域大于桥墩区域，深水区大于浅水区，西人工岛大于东人工岛。

（2）在东、西人工岛之间的深槽内，位于隧道上、下游各约4 km区域，涨、落潮流速呈增加趋势，平均增加值介于0.01～0.03 m/s，最大增加值为0.08 m/s左右，即工程后该区最大流速可达1.50 m/s以上。工程后流向变化主要集中在隧道上、下游各0.5 km区域内，涨潮时，东人工岛下游向西偏转、上游向东偏转，西人工岛下游向东偏转、上游向西偏转，平均偏转角度东人工岛介于7°～10°，西人工岛介于6°～15°；落潮时，东人工岛上游向西偏转、下游向东偏转，西人工岛上游向东偏转、下游向西偏转，平均偏转角度东人工岛介于9°～15°，西人工岛介于9°～18°。而距隧道轴线2 km以外深槽内或沿伶仃航道轴线上，各点涨、落潮流向可保持不变。

（3）在西滩桥区上、下游宽度各为0.5～3.5 km范围内，涨潮时，桥区下游流速呈减小趋势，上游流速呈增加趋势，落潮时，桥区上游流速呈减小趋势，下游流速呈增加趋势，但平均增减值介于0.01～0.02 m/s，最大增减值为0.03 m/s左右。而流向有变化的区域，主要集中在桥墩上、下游各0.9 km范围内，其他区域流向基本可保持不变。

（4）在香港水域，由于受大濠岛自然岸线和赤沥角机场围岛岸线的阻水和绕岛水流影响，天然流速较小，工程后对水流的影响也很小，平均流速增减值不足0.01 m/s。

（5）从桥墩布置来看，110 m桥跨位于流速较大、水深较深的区域，75 m桥跨位于流速较小、水深较浅的区域，但这2种桥跨因受不同水深和不同水流的作用，工程后流速增减值并没有明显的差别。

（6）在工程区以外，无论是伶仃航道、铜鼓航道、暗士顿水道，还是南沙港区、深圳港西部港区，工程后流速和流向均呈不变趋势，因此港珠澳大桥的建设基本不会对伶仃洋已有港口、航道造成影响。

（7）港珠澳大桥建成后，对水流动力的影响是局部的，变化量值也很小，基本不会对滩槽形态造成影响，仍可维持伶仃洋现状的滩槽格局不会改变。

图8 水位点布置Fig.8 Water level gauges

3.3 潮位变化

（1）本模型选取3条横断面进行了横向水位测量（图8），其中上游断面选择在赤湾、内伶仃岛、金星门一线；中游断面选择在赤沥角岛、G03#、G09#、九州港一线；下游断面选择在桂山岛、三角岛、澳门机场一线。从工程前后潮位过程线比较来看，无论工程前还是工程后，桥区附近（中断面一线）都有横向比降出现，涨潮时是呈东低西高变化，两者平均潮位差值介于0.04～0.08 m；落潮时是呈东高西低分布，两者平均潮位差值介于0.03～0.08 m。造成该区横向水位变化的原因，主要是与铜鼓海域分流或汇流，以及大濠岛阻水和湾口断面明显缩窄而壅水的影响有关。

（2）工程后，因桥墩阻水的影响，在桥区上、下游各3～4 km范围内，平均潮位会有所改变，涨潮时，桥区下游平均抬高约0.02 m，桥区上游平均降低不足0.01 m；落潮时，桥区上游平均抬高约0.02 m，桥区下游平均降低约0.01 m。特别是在桥区上下游各500 m区域，潮位变化更为明显，水位抬高值可达0.04～0.06 m，这主要是桥墩阻水而产生的局部雍水和跌水所致。而在上述变化区以外，各点潮位可保持不变。

（3）在流速大、桥墩间距小的区域，潮位变化要大于流速小、桥墩间距大的区域。而工程后引起潮位变化，涨、落急时段更为明显。

3.4 潮量变化

通过桥区上游1 km（1#）和淇澳岛—内伶仃岛—赤湾（2#）2条断面（图8）2009年枯季大潮的潮量对比，在天然状态下，通过1#断面进的潮量约为43亿m3；通过2#断面进的潮量约为28亿m3。方案实施后，通过1#断面的潮量约为42亿m3，减小幅度约为2.3%；通过2#断面的潮量，约为28亿m3，工程前、后基本无变化。由此说明，工程实施后对潮流和潮量的影响仅限于桥区附近，对内伶仃岛以上水域没有影响。

4 泥沙方案试验

（1）大桥建设后，西滩下泄泥沙受到阻截，从而造成西滩桥区上游淤积强度增大，下游淤积强度减小，1～3 a桥轴线北侧至内伶仃岛之间平均淤强分别为4.9 cm/a、4.6 cm/a和4.5 cm/a，桥轴线南侧至桂山岛之间平均淤强分别为3.1 cm/a、3.3 cm/a和3.4 cm/a；铜鼓航道1～3 a淤强变化基本相同，分别为48.2 cm/a、47.9 cm/a、48.1 cm/a，与无工程时相同；而伶仃航道，由于受西滩桥区淤积加快的影响，阻碍了西滩水流向南流动，使桥区北侧西滩水流向伶仃航道内汇入，因西滩水体含沙量较高，必然会不断增加内伶仃岛以南航道段的淤积，该段航道1～3 a平均淤强分别为26.0 cm/a、26.9 cm/a、27.3 cm/a，与工程前相比，分别增加1.4 cm/a，2.3 cm/a和2.7 cm/a。

（2）大桥建设后，人工岛周围地形变化最为剧烈，西人工岛第1～3 a冲刷深度最大值分别为3.7 m、6.4 m和7.2 m，东人工岛分别为3.3 m、4.5 m和5.1 m；而2个人工岛南北两侧为淤积区，3 a后平均淤强厚度介于0.4～0.6 m/a，但沿岛壁两侧会有冲刷沟出现。

（3）在众多桥墩的影响下，西滩下泄泥沙受到一定阻截，从而造成西滩桥区上游淤积强度增大，下游淤积强度减小，且在桥区上、下游各2.5 km范围内为淤积较重区，桥轴线北侧2.5 km范围内平均淤强为8.3 cm/a、6.3 cm/a和4.7 cm/a，南侧2.5 km范围内平均淤强分别为6.0 cm/a、4.7 cm/a和3.6 cm/a。

（4）沿桥轴线的各桥墩根部都会出现冲刷，3 a后，西滩区域冲刷深度最大值0.90 m，香港一侧冲刷深度最大值为1.38 m，特别是在西滩的桥区，沿桥轴线会出现两侧浅、中间深的沟状地形。

（5）工程后，在珠澳人工岛两侧，即岛桥结合部均会出现冲刷。1～3 a累积冲刷深度最大值分别为2.40 m、3.10 m和3.50 m。

（6）大濠水道工程后与工程前相比，总体变化趋势基本相同，其规律是有冲有淤，呈冲淤平衡略有冲刷状态。

（7）工程实施多年后，潮流变化对淤积的影响，仅在内伶仃岛以南的伶仃航道，此时因西滩汇入该段航道浑水水量的增加，必然会使内伶仃岛以南航道段的淤强增大，但增加量值不会太大，基本不会对滩槽形态造成影响，伶仃洋仍可维持现状的滩槽格局不会发生变化。

5 结论

通过综合分析，大桥的建成对伶仃洋整体潮位、潮流、潮量及冲淤变化影响均较小，影响范围仅集中于桥区上、下游各5 km以内；人工岛和桥墩周边冲刷量值较大，但均出现在局部范围内；西滩桥区上游5 km范围内，淤强增加0.5 cm/a，基本维持工程前西滩原有冲淤变化规律，对九州港附近海域淤积略有影响，对南沙港区、深圳西部港区均不会产生影响；对航道的淤积影响仅集中在伶仃航道内伶仃岛以南局部段，对内伶仃岛以北伶仃航道、铜鼓航道及矾石水道、暗士顿水道均没有影响。综上所述，港珠澳大桥的建设不会改变伶仃洋滩槽格局的现状，也不会对珠江口港口、航道造成影响。

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