广佛过江隧道工程冲刷试验研究

吴 娟 边红娟 陈 思

（珠江水利科学研究院，广州 510611）

广佛过江隧道工程冲刷试验研究

吴 娟 边红娟 陈 思

（珠江水利科学研究院，广州 510611）

介绍了一项沉管式隧道的最大冲深物理模型试验。沉管式隧道修筑过程中需要先开挖后回填，隧道覆盖层与原河道之间存在软硬交界面，在河道发生冲刷时可能形成拦河潜坝，导致局部冲刷加强，影响堤防及隧道本身的安全，开展物理模型试验是论证隧道工程合理性的有效技术手段。针对位于珠江三角洲东平水道上的广佛过江隧道工程实例，根据抗冲性的要求选用不同模型沙以模拟河道分层地质和隧道覆盖层，开展隧道河段在极端洪水作用下冲刷试验，根据试验成果优化埋深和覆盖层冲刷防护措施，为过江隧道方案设计和施工提供合理依据。

隧道；冲刷试验；物理模型

1 前 言

冲刷始终是河流动力学研究的关键问题，一般地，河床冲刷分为下面两大类。

(1)河道冲刷：在较长河段,具有相同水沙条件的河槽内发生河床连续冲刷的现象。这种冲刷是由于水流挟沙力不饱和所致,其冲刷深度主要决定于河床冲刷率和冲刷历时。

(2)局部冲刷：由于河道局部缩窄、桥墩、闸、堰造成水流速度和湍流强度局部强化,造成冲刷坑，如果水流保持恒定,局部冲刷有确定的最大冲深。关于桥墩、闸、堰等局部冲刷的研究成果很多，一般根据水流、泥沙等条件可估算出冲刷深度。

在河道内设置工程时，即使不改变河道边界，也需要考虑到河道可能达到的最大冲刷深度，在工程安全计算时考虑到冲坑导致的稳定影响。但是在天然河道中，由于存在如导流墙、礁石等不易冲刷的河势控制节点，河道局部产生较深的冲刷坑，在河势控制节点的形式多种多样的条件下，预测其局部最大冲坑深度则困难得多。在河道地质条件不变的情况下，河道的最大冲坑深度主要取决于洪水等级。一般，根据与工程设计等级相匹配的洪水条件下估算河道可能出现的最大冲深为工程设计提供依据。

由于河口地区较为发达，存在大量的联系河道两岸的交通设施建设需求。河口地区地质沉积层较深，出于施工方便和节省投资的需要，沉管式隧道在河口地区愈来愈多。沉管隧道建设需要经历开挖沉管基槽，沉管沉放，基槽回填等工序，形成了沉管段和上下游产生了不同性质的河床。由于沉管覆盖层一般不易发生冲刷，成为影响附近河床演变的节点。在某些情况下，上下游河床出现了冲刷，则沉管及其覆盖层高出上下游河床成为水下潜坝，附近产生螺旋流，进一步促进与沉管临近的河床出现局部冲刷。

冲刷深度可由经验公式计算，常借用缩窄断面冲刷或桥墩冲刷的经验公式估计可能的最大冲深。但是经验公式一般适用于特定状况，其计算结果一般较实际情况大，而冲刷深度取值过大，增加工程量和投资。在水流条件复杂时，往往采用物模的方法确认埋深及防护方案，以节省投资和增加项目的安全性。

笔者介绍了珠江三角洲的一条沉管隧道设计埋深的试验情况，此隧道为公路、铁路合建隧道，设计宽度大，又位于人口稠密地带，为了两侧交通连接方便，埋深不能太大。同时，工程位于一个弯道，由于弯道及局部冲刷节点的影响，水流条件比较复杂，在此主要介绍动床模型设计方法及试验成果。

2 模型设计及验证

2.1 模型设计

隧址河段呈微弯型河道，基本呈东西走向。河段宽度沿程变化不大，河宽大致在200～300m，有零星礁石分布，见图 1。工程处于珠江三角洲网河区承泄珠江流域积水面积45万km2的径流，经过网河区河道分流后，进入隧址河段300年一遇洪水流量为7411m3/s。

与河床局部冲淤密切相关的主要是床沙中的推移质部分，模型设计时主要考虑水流运动相似条件、底沙运动相似条件。物理模型范围为：工程上游为 1.3km，下游为 1.8km，上、下游另设延伸过渡段，见图 2。选取物理模型平面比尺为 100、垂直比尺为50，模型长约36m、宽约10m。模型流速比尺为7.07，流量比尺为35355，糙率比尺为1.36。

模型控制系统采用分布式工业控制系统，中央监控机主要存储模型试验的各种参数、发布命令、显示实时监控图表等。模型的上、下边界采用变频器和电磁流量计控制。模型上采用变频调速器直接调节水泵提供给模型的供水量，系统根据给定的流量控制曲线调控每个变频器的输出频率，从而满足流量控制的需要。模型潮位的量测采用GS-3B光栅式跟踪水位仪，精度可达到 0.1mm。流速的量测采用Acoustic Dopp1er Ve1ocimeter (ADV)。

2.2 模型沙的选择

在极限冲刷试验中根据河床组成及沉管覆盖层材料的抗冲性选择合适的模型沙。首先需要进行地质勘探，根据工程地质勘察成果（图3），隧址处地质分层自下而上分别为弱风化岩、强风化岩和细沙，其中我们需要模拟强风化岩和细沙，弱风化岩一般认为不可冲刷。图4为沉管覆盖层回填典型剖面图，沉管管段底部采用“灌砂法”进行基础处理；两侧采用具有良好排水性能的10～20mm砂石回填，碎石回填采用 2～3cm级配碎石，片石回填层中每块片石的重量为50～100kg，具有一定的级配，使抛填防护层具有较高的密实度，对于隧道覆盖层来说，表层片石回填层厚度大，抗虫性强，在模型中主要模拟片石覆盖层。因此，模型中需要选配模型沙的组成为：床沙、强（全）风化岩、片石覆盖层。

对于细沙及沉管覆盖层等散粒体来说，起动流速的计算已较为成熟，但模型沙较细，一般要求采用水槽试验的方法确定。一般原型散粒体泥沙起动流速可用下列经验公式计算：

式中，Uc为泥沙起动流速，h为水深，d为等效粒径，γs为泥沙容重，γ为水体容重。g为重力加速度，系数k与d有关，一般可取1.146。

河床表层为细沙，中值粒径约为 0.3mm，在10～16m模型沙水深下起动流速约为 0.46～0.77m/s。按起动相似要求，模型沙的起动流速为7～11cm/s。选用容重1.6g/cm3、中值粒径为0.2mm的煤沙作床沙，粒径比尺为1.45，经水槽试验，该模型沙的起动流速为 8～12cm/s，能满足床沙起动相似的要求。

强风化岩埋深较浅，在河道左侧直接出露水下。强风化岩的冲刷历时较长，观测条件复杂，对其抗冲性目前未得到充分的研究。根据地质特性分析，强风化岩的抗剪应力（40kPa）略大于粘土的抗剪应力（35kPa），根据粘土的抗冲流速可取为0.75～1m/s，在本文中采用强风化岩抗冲流速为1m/s，而下层的弱风化岩抗冲性较好，埋深较大，所以在模型中作为不可冲层考虑。按起动相似要求，模拟强风化岩的模型沙的抗冲流速为0.15cm/s。经水槽试验，容重1.56g/cm3、粒径0.4mm的煤沙抗冲流速为 0.14～0.17m/s，基本能满足强风化岩的抗冲性能要求。

沉管覆盖层回填中片石回填层中每块片石的重量为 50～100kg，等效粒径约为 200mm，起动流速约为4.5m/s，按起动相似要求，模拟强风化岩的模型沙的抗冲流速为 0.63cm/s，选用中值粒径为0.6cm的小块石模拟顶层的抛填块石。

2.3 模型验证

模型验证的内容包括水流运动和底沙运动相似性验证。在根据工程附近实测水文条件进行水流相似性验证，模型中测量沿程水位，流速的变化。根据河道形状计算出模型实际糙率比尺为1.18，如计算值基本接近。由于模型范围较短，河道水位试验值与计算值相差在模型1mm、原型5cm以内，流速值相对误差在10%以内。

底沙相似性验证选择1998年2月至1999年2月之间的地形变化作为验证依据，在这一年的时间，珠江流域发生了50年一遇的洪水。将1998年2月至1999年2月的天然来水过程概化成洪中枯水文组合进行冲淤验证，但洪水对局部河道的塑造作用明显，枯水时段长，但作用不明显，因此验证时主要考虑洪水和中水的作用，洪水组合隧址流量5332 m3/s，中水组合隧址流量 3231 m3/s。初始地形为1998年2月地形，通过反复调整输沙率比尺及河床冲淤时间比尺，最后确定输沙率比尺为219，冲淤时间比尺为57，模型得到1999年2月地形与实测基本相似，-10m等高线位置接近，见图5。

3 试验成果及分析

3.1 埋深试验

现状河床极限冲刷试验目的为求得河道现状地形下在遭遇300年一遇洪水时，工程附近可能出现的最大冲深，主要为沉管隧道的埋深提供参考。现状落潮水流在经过约 800m缩窄段河道的调整后进入第一弯道，主流位于弯道凹岸，凸岸则形成弱流区。由于隧址左侧水下礁石的存在，其头部底流速较大。水流经过缩窄河段时，水流与上屈龙礁石以及其西侧护岸交角近似正交。水流越过上屈龙礁石后，在礁石下游的深坑内形成旋转流。

工程前冲刷形态见图 6。由于隧址左侧礁石抗冲能力较强，位于弯道凹岸水流主流区，对水流的影响相当于淹没丁坝，水流对坝头和坝后均造成严重冲刷。冲坑最深点位于坝头下游，300年一遇洪水时最低冲刷高程为-20.4m，较现状地形局部最深高程低约3.4m。研究河道形态弯曲，流量增加后，弯道水流相应调整，凸岸回流区范围加大，使得凸岸淤积。

3.2 防护层试验

工程前，由于下屈龙礁石对底层水流具有导向作用，隧址左侧礁石开挖后，凹岸水流更为集中，隧址段右侧表底流速减小，北侧流速增大，尤其是隧址左侧底部流速明显增加，澜石码头东侧堤防附近流速进一步增大，最大流速可达3.28m/s。下游堤防的凸岸突入弯道水流主流区，工程后对上游来流有显著阻挡和挑流作用，水流直冲堤脚及附近河床，位于该区域底部上升流流速较大，底部上升流较大极易引起泥沙的扬动。

当下游不加防护时，上下游泥沙逐渐被水流带走，抛石防护层出露河床，隧道沉管覆盖层形成水下潜坝，水流越坝后形成坝后环流，加强坝下冲刷。过坝水流形成坝后轴向环流，形成了与坝轴线平行的冲刷形态。由于凹岸水流较大，坝下游中间至左侧部位冲深较大，下游堤防堤脚及河床冲刷有所加强，沿堤岸弯段走势堤脚处及附近河床形成不同程度的带状冲刷区（见图 7a），300年一遇洪水最低冲刷高程分别至-22.4m。由于工程后坝下冲刷最深点位于左岸，靠近现有堤防，易淘刷堤脚形成堤防险段，该段堤防及堤脚须进行冲刷防护措施。

采用与沉管覆盖层相同的块石对堤脚进行抛石防护后（见图7b），抛填块石基本能保持抗冲刷稳定性，推荐的抛填材料和抛填范围能有效控制水流对澜石码头西侧凹岸堤防堤脚及河床的淘刷，采用的防护工程措施以及防护范围合理、有效。

4 结 论

通过物理模型对水流和泥沙冲刷的试验结果可以看出，局部冲刷主要是由附近水流突变引起的。水流突变决定于河道边界条件的变化。

工程前，局部最大冲刷深度是由礁石形成的“淹没丁坝”形成的水流集中引起的，最大冲深位置位于礁石头部下游。

工程后，礁石被去除后，下游的导流墙形成新的挑流形态，水流进一步向弯道的凹岸集中。隧道高出现有河床形成潜坝，水流与潜坝约成45°角，下游形成螺旋流，同时下游临近的堤防压缩凹岸主流，局部形成挑流，因此两者共同作用使得局部冲刷深度加大，要求沉管覆盖层和堤防堤脚需要将强防护。试验得出的防护材料和范围能够为工程设计提供依据。

试验证明在天然河道内局部冲刷问题受河道边界条件的影响而变得非常复杂，在复杂情况下开展物理模型试验是非常必要的。

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10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.017

TV149

B

1008-1305（2014）01-0051-04

吴 娟（1979年-），女，工程师。