港珠澳大桥沉管隧道基槽泥沙回淤研究总述及创新实践

2018-05-10王汝凯韩西军解鸣晓

水道港口 2018年2期

杨华,王汝凯, 韩西军, 解鸣晓

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230)

图1 港珠澳大桥总平面图图2 沉管安放示意图Fig.1 Planar layout of the HKZM Bridge Fig.2 Placement of the immersed tube

图3 岛隧布置示意图Fig.3 General layout of the immersed tube tunnel

港珠澳大桥是我国的“世纪工程”，采用桥、岛、隧相结合的形式(见图1)，海底隧道采用沉管工法进行(见图2)，自西向东分别为E1～E33管节(见图3)，基槽开挖水深达30～40 m，是当今世界上最难的海底隧道工程，沉管对接被誉为“深海之吻”。基槽床面的平整度是沉管对接的地形基础。在E1～E14管节的安放过程中，基槽内泥沙回淤较小，管节安放相对顺利。2014年11月，在E15节管节的浮运安装过程中，基槽内出现了异常的泥沙淤积现象，管节安装工作被迫中止，严重制约了建设进度，造成了巨大的经济损失。

为保障海底隧道建设的安全、顺利实施，找到基槽发生异常回淤的内在原因，攻克泥沙回淤的难题成为重中之重。港珠澳大桥位于伶仃洋海域，在珠江大型河口湾的复杂动力影响下，水沙条件本就极为复杂，加之沉管基槽最大深度超过40 m，动力环境与普通的港口、航道挖槽存在巨大差异。目前，对深水基槽内的水沙特征缺乏资料支撑，相关研究尚属国际空白。其次，沉管施放窗口期仅为15 d左右，现有泥沙回淤预报的时、空尺度较大，不能实现对基槽内淤积实现精细化、高效的预警，必须研发全新的预警预报技术。

隧道工程建设工期极为紧张，攻克基槽内的泥沙回淤问题已迫在眉睫。鉴于以上背景，中交第四航务工程勘察设计院有限公司、天津水运工程科学研究所、南京水利科学研究院和中山大学等多家权威单位共同组成了联合攻关组，针对沉管基槽出现的泥沙淤积现象，开展了大量、自主的创新研究工作，全面攻克了基槽泥沙回淤问题，保障了隧道的安全、快速和顺利施工。目前，港珠澳大桥沉管隧道已全面贯通，证实研究成果是成功的，显著提高了我国的工程泥沙学科水平，并可为其它类似工程提供绝佳的参考依据。

本文中系统性总述了攻关组围绕港珠澳大桥沉管隧道基槽泥沙回淤问题的研究历程、研究内容，并重点介绍了主要的创新性工作。

1 国内外研究现状及存在问题

(1)深基槽淤积测量精度相对较低。

港珠澳大桥海底隧道施工中，对沉管对接处的地形平整度要求极高，在对应淤泥容重1.26 t/m3的条件下，泥沙回淤不得超过4 cm，精确测量泥沙回淤厚度成为控制沉管施放的重要阈值。目前，国内外在对地形测量方面精度最高的为多波束回声扫测。由于基槽水深平均在30 m以上，最深处可达46 m，底部存在浮泥现象，多波束测量基于声学理论和船舶动态测量，地形测量精度为0.2 m左右，误差较难精确控制在厘米量级，同时由于床面淤泥具有较大密度梯度，对声学反射的交界面选取存在一定潜在误差，亟待提高现有精度。

(2)深基槽淤积预报缺乏经验。

对挖槽淤积的预报，国内外一般采用经验公式、物理模拟、数值模拟等手段。由于沉管基槽开挖深度远大于一般的港池、航道水深，且坡度可达1:5～1:2.5，槽内水动力泥沙结构复杂性超过港池航道。因此，以往基于港池航道回淤的经验公式不能直接应用，物理模拟在深基槽边坡处的“比尺效应”将进一步放大，影响了预测精度。在数值模拟方面，由于基槽内存在显著的次生涡旋、槽内螺旋流系等细部动力过程，对数值模拟的分辨率和计算效能提出了更高的要求，目前国内外未见针对此类地形条件下的三维精细化模拟案例。

(3)回淤预报精度与实际需求存在较大差距。

以往对挖槽回淤的研究着眼于长时间尺度，采用代表潮、浪的方式对年际淤积进行模拟，至多模拟一场风暴过程条件下的泥沙骤淤，在有大量实测资料验证的基础上，预报精度一般在分米量级。对沉管施放而言，沉管沉放至基床后的晾晒时间在10～15 d左右，淤积阈值仅为4 cm，对泥沙淤积的时、空预报精度必须达到逐日、厘米级。目前，国内外尚未达到这一水平，是对泥沙回淤预报理论的重大考验。

(4)回淤预报响应的时效性较低。

隧道工期极为紧张，沉管预制、窗口晾晒、最终沉放必须“一气呵成”。在泥沙回淤预报中，必须做到高时效性，做到“提供数据的当天便要给出7 d内的预报结果”这一响应速度。基槽位于珠江口下游的河口区，同时受珠江复杂河网和伶仃洋水沙环境的双重影响，特别是汛期径流、海上风浪等参数时刻变换，随机性强，又有陆架水和冲淡水的影响，对如此高效的预报响应速度提出了近乎严苛的要求。目前，国内外回淤常规预报技术均无法达到这一标准。

基于以上分析，对港珠澳大桥沉管基槽泥沙回淤问题的研究，是一个全新的课题，目前在资料获取、理论分析和模拟技术方面均是一个空白，亟待突破。

2 创新性研究工作总述

面向以上背景，研究核心点主要包括3个方面：(1)收集现场资料“大数据”，深刻了解基槽水域的水沙特征；(2)通过多种手段综合分析，明晰基槽异常回淤原因；(3)发展高精度、高时效性的基槽回淤预警预报技术，以下分别阐述。

2.1 开展了“大数据”现场测量

本项研究的现场测量项目包括：多波束地形测量、回淤盒淤积物厚度及容重测量、固定点含沙量测量、基槽内外断面含沙量巡测、基槽纵横断面ADCP走航流速流向测量、底质泥沙取样分析、柱状泥沙取样分析、基槽内淤积物容重测量、基槽内悬沙取样分析、采沙船调查、内伶仃岛东北侧至基槽含沙量巡测、大范围底质泥沙取样分析等[1]。

图4 三个阶段固定含沙量测量位置示意Fig.4 Locations of the fixed SSC measurement stations of three phases

(1)固定点含沙量测量。

2014年12月20日～2015年3月31日，在E15～E20沉管间1 km范围内布置4个座底固定站(见图4)，进行含沙量定点连续观测，自动测量中层(0.6H)、0.8H和底层(海床上0.4 m、1.0 m)的逐时含沙量。2015年4月1日～12月31日，同时进行3个固定站的含沙量测量，其中4月1日～7月3日为1#、2#和7#，7月4日～12月31日为2#、7#和9#(见图4左图)。 2016年1月1日～2017月4月30日，同时进行2个固定站的含沙量测量(见图4右图)。

(2)含沙量巡测。

5-a 2014.12-2016.3 5-b 2016.4-2017.4图5 含沙量巡测路线示意图Fig.5 The SSC mobile survey route

为掌握内伶仃岛北侧采砂区至基槽水域沿程的含沙量变化，开展了含沙量巡测工作，从2014年12月开始，一直持续到2017年5月，即沉管全部沉放为止。巡测长度20 km，沿程布设24个测站，测站间距在500～1 500 m间(见图5)，测量项目包括含沙量、流速、流向、粒度、温度和盐度。含沙量测量层次分别为2 m以上平均水深处、2 m以下每0.2 m设一层，共12层。温度和盐度分别测取表层、中层、底层共三层。含沙量巡测在采砂区开放期每天巡测一次；在关闭期：每3 d巡测一次，碎石基床铺设期间每2 d巡测一次。从2014年12月～2017年5月总计巡测了452次。

(3)发展了回淤盒监测手段。

图6 潜水员准备下水作业图7 回淤盒实验照片Fig.6 Preparation of the underwater Fig.7 Photography of the sedimentation operation sample box

本项目创新采用了现场回淤盒法，由潜水员放置在基槽床面上(见图6)，由钢架固定。取回至实验室后，回淤盒内泥沙先量测初始厚度值，然后搅拌均匀，再静水沉降密实24 h后，进行一系列试验，得到最终的淤积厚度、泥沙粒径和淤积物容重等重要数据(见图7)。该方法测量精度可达毫米级。

(4)基槽内多波束回淤监测。

为突破现有多波束测量的精度瓶颈，选择大型专用测量船，采用船底安装换能器减小安装角度变化带来的误差，通过对各设备位置精确校准，消除相对位置偏差。同时，通过测深波束开角设定研究及声速剖面模型构建，修正声速变化引起的测深误差，利用数据信号融合方法提高多波束测深精度，针对影响测深精度的因素，持续系统开展了误差分析、参数优化、比对训练，提高多波束测深精度达到厘米级。

2.2 厘清了沉管基槽异常回淤的原因

基于以上“大数据”现场水沙实测资料，结合多因素分析手段对沉管基槽发生异常回淤的原因开展了分析[2-6]：

(1)采砂活动调查。

2015年1月6、7、8日在内伶仃岛附近分别进行3次现场调查工作，发现洗沙导致该水域出现与伶仃洋天然水沙环境截然不同的高含沙的浑水带(见图8)，表层含沙量达0.6～2.5 kg/m3，远高于基槽水域正常含沙量(一般在0.1 kg/m3以内)，悬沙中值粒径0.031～0.05 mm，与基槽异常回淤物性质一致。

图8 内伶仃岛北侧采砂实拍照片Fig.8 Photographs of the sediment mining around Neilingding Island

(2)卫星遥感影像分析。

根据大量卫星遥感影像分析(图9)，采砂引起的浑水带表层含沙量0.6 kg/m3以上，形态呈“梭状”分布；落潮期间浑水带南端可向基槽运移。从悬沙运动趋势及泥沙来源角度，定性判断高含沙浑水落潮阶段对基槽淤积影响较大。

图9 卫星遥感表层含沙量平面分布Fig.9 Surface SSC distribution according to satellite remote photographs

(3)现场实测数据分析。

根据2015年采砂状态发生的变化情况(2月10日～4月30日关闭；5月1日～5月14日恢复；5月15日至年底关闭)，对比采砂前、后多次含沙量巡测资料、固定测站含沙量资料和基槽回淤盒实测淤积厚度资料(图10～图11、表1)，表明采砂造成的浑水下切是基槽异常回淤的主要原因。

图10 不同采砂时期巡测含沙量对比Fig.10MobilesurveyedSSCcomparisonsbetweendifferentsedimentminingphases图11 不同采砂时期固定站含沙量对比Fig.11FixedstationmeasuredSSCcomparisonsbetweendifferentsedimentminingphases

表1 不同采砂时期基槽回淤数据对比Tab.1 Sedimentation data in the tunnel trench corresponding to different sediment mining phases

(4)数学模型试验分析。

通过开展大量数学模型试验工作，模拟了不同潮型条件下的基槽含沙量变化情况(图12)，指出在大、中潮作用下，内伶仃岛北侧采砂引起的高浓度浑水可直接跨越基槽，引起基槽含沙量高达0.22～0.47 kg/m3的增量，小潮对基槽的影响是间接的，可通过“二次搬运”的形式。

12-a 大潮落潮 12-b 中潮落潮 12-c 小潮落潮图12 典型潮型下采砂引起含沙量增量包络线Fig.12 SSC increase under the impact of sediment mining

综合以上分析成果，最终厘清了沉管基槽异常回淤的泥沙来源为内伶仃岛北侧的采砂活动所致，为政府决策关闭采砂区提供了依据。

2.3 提出了基于等效潮差的基槽回淤计算理论

在海区自然环境相对稳定的前提下，潮流、波浪、径流等动力条件影响海域含沙量，进而引起基槽淤积。通过现场大量潮差、潮流、含沙量、基槽淤积量等资料分析发现，工程海域滩面流速与潮差关系明显。在考虑风浪对淤积的影响时，通过风推算波浪大小，计算波浪引起的底流速，并通过相关分析法将其转换成“等效潮差”，并与潮流对应的天文潮差进行叠加，来反映波浪潮流对基槽回淤的影响。这一点在径流方面也是同样的机理。所谓等效潮差，即将可能影响基槽淤积的关键动力因子以“潮差”这一参量的形式体现[7]。定义“波浪等效潮差”和“径流等效潮差”两个概念，见式(1)

Re=Rt+Rw+Rd

(1)

式中：Re为等效潮差；Rt为天文潮差；Rw为波浪等效潮差；Rd为径流等效潮差，即

Re=(1+αw+αd)Rt

(2)

式中：αw、αd分别为波浪等效潮差系数和径流等效潮差系数，可由以下表达式计算

αw=Vwb/Vb

(3)

αd=Vdb/Vb

(4)

式中：Vwb为波浪底部质点平均流速；Vdb为径流引起的底部流速。

经理论推导，等效潮差与含沙量S、基槽回淤厚度Dep的关系表达式见式(5)～式(6)中所示

S=kρsReβ/ghT2

(5)

Dep

=λReθ

(6)

式中：T为半潮周期；ρs为泥沙密度；h为平均水深；g为重力加速度；k、β、λ、θ分别为经验系数，根据现场固定测站含沙量及回淤盒数据推求。在实际预报过程中，根据实测资料的积累，对以上系数进行持续订正，保障计算的准确性。

图13 二、三维耦合模型计算网格示意Fig.13 Computation meshes for the 2D-3D coupled numerical model

14-a 落急时刻 14-b 涨急时刻图14 基槽横断面涨落急时刻垂向流矢图Fig.14 Vertical distribution of the sectional current fields for the tunnel

2.4 自主研发了二、三维耦合水沙运动数值模式

网格体系采用无结构三角形与四边形混合网格体系。在模型计算中，根据所研究对象的差异性，可开展(1)全域三维；(2)平面二维；(3)垂向二维；(4)二、三维内外域耦合等多种计算形式。在二、三维耦合模型中，采用具有双曲和谐形式的二维和三维浅水方程，可从数学角度上避免通量梯度项与底坡项不平衡引起的非物理数值流动，更加适用于基槽水沙运动模拟[6]。

模拟计算所建立的网格范围见图13，其中二维外区域北侧边界包括珠江口东四口门，南侧至外海，包括整个伶仃洋海域，三维内区域为基槽附近水域，垂向网格划分达到30层，最小水平网格尺度达到2 m。图14中示意了所计算的横跨基槽的垂向流速分布特征，经与现场巡测基槽内部流态对比[1]，所建模型可很好的反映基槽内的平面、垂向三维“螺旋流”和涡流现象，具有较佳的表现力。

2.5 提出了多因素复合型回淤预警预报模式

图15 多因素复合型基槽回淤预警预报模型系统流程图Fig.15 General flow chart for the sedimentation forecasting system

在预警预报过程中，公式计算和数值模拟两种方法呈现出“交织”衔接，体现在：式(2)的计算中所需重点参数由波浪、水流数值模拟给出；数值模拟的含沙量初始边界条件又利用式(5)的结果，极大提高了模拟精度。对潮流形态较单一的管节(E15～E32)，重点采用针对性强、响应迅速的经验公式进行预报，提高时效性；而对岛隧结合部处的E33管节，由于受两侧掩护体的遮挡，在接头处存在回流现象，条件更加复杂，采用三维数值模拟方法加以预报。图15中给出了整个复合型预警预报系统的流程，具体执行中采用“三步走”的模式，具体如下：

(1)前期预报。

沉管安装气象窗口确定后，碎石基床铺设前，根据潮汐、径流和风况，预报碎石基床铺设至沉管安放期间未来10～15 d每天的工程水域含沙量和基槽淤积厚度及累计淤积厚度，作为碎石基床铺设施工的决策依据。

表2 预警级别对应表Tab.2 Corresponding table of the warning level

(2)中期跟踪、预警。

在碎石基床裸露期间，逐日跟踪现场的含沙量、气象及基槽内泥沙淤积变化，与预测结果进行对比，据情况进行不同级别的预警，为碎石基床铺设的继续实施或减淤措施等决策提供基本依据。预警级别分为绿色、黄色、橙色、红色四级(见表2)。如本期动力～含沙量～泥沙淤积厚度关系曲线发生变化，将及时调整预报公式(5)～(6)中的相关参数。

(3)临近预报。

在沉管浮运前2 d进行最后一次预报，结合最新的气象、径流和实测回淤盒、含沙量资料，适时修订预报数值进行最终核定，为沉管出坞浮运及安装决策提供基本依据。

3 结论

针对港珠澳大桥沉管基槽泥沙淤积问题的需求，开展了大量自主创新性研究，厘清了沉管基槽异常回淤原因，研发了高精度、高时效的回淤预警预报系统，保障了E15～E33管节的顺利、安全沉放，取得了巨大的经济和社会效益。港珠澳大桥沉管基槽的精细化回淤研究为国内外首次，研究成果在基础理论、模拟技术、预警预报模式等均取得了“开创性”的突破，对我国工程建设的理论具有极大的提升和促进意义，可为其它类似工程提供借鉴。创新性成果可归纳为以下几点：

(1)开展了现场“大数据”观测，全面掌握了深基槽内的水流、泥沙运动特征，明确了基槽回淤的内在机理。

(2)采用多因素综合分析手段，揭示了沉管基槽异常淤积泥沙的主要来源和淤积原因为内伶仃岛北侧采砂活动，为政府决策关闭采砂区、保障沉管顺利沉放提供了重要依据。

(3)提出了考虑潮汐、波浪和径流作用共同作用的“等效潮差”理论，建立了等效潮差和底部含沙量、基槽回淤强度的关系式。

(4)自主研发了二、三维耦合的高精度水沙运动三维数值模式，实现了大范围二维、局部三维的同步实时模拟，准确描述了深基槽内的水沙运动过程。

(5)构建了理论公式、数值模拟相联合的多因素、复合型基槽回淤预警预报系统，实现了逐日、厘米级的精细化回淤预报，为沉管安放决策提供了技术支撑。

参考文献：

[1]杨华, 韩志远, 谢华亮, 等. 港珠澳大桥岛隧工程沉管基槽回淤研究现场勘测资料成果汇编 [R]. 天津：交通运输部天津水运工程科学研究所, 2015.

[2]杨华, 韩西军, 韩志远, 等. 港珠澳大桥岛隧工程沉管基槽异常回淤现场观测及原因分析 [R].天津：交通运输部天津水运工程科学研究所, 2015.

[3]港珠澳大桥基槽回淤联合攻关组. 港珠澳大桥岛隧工程沉管基槽异常回淤原因分析及预警预报 [R]. 珠海: 港珠澳大桥隧道工程项目总经理部, 2015.

[4]港珠澳大桥基槽回淤联合攻关组. 内伶仃岛附近海域停止采砂后港珠澳大桥沉管基槽泥沙减淤效果评估报告 [R]. 珠海: 港珠澳大桥隧道工程项目总经理部, 2015.

[5]港珠澳大桥基槽回淤联合攻关组.内伶仃岛海域恢复部分采砂活动对港珠澳大桥沉管基槽影响评估报告 [R]. 珠海: 港珠澳大桥隧道工程项目总经理部, 2015.

[6]解鸣晓, 李文丹, 黄玉新, 等. 内伶仃岛海域采砂活动对港珠澳大桥沉管基槽影响评估数学模型试验研究报告 [R]. 天津: 交通运输部天津水运工程科学研究所, 2015.