深中通道沉管隧道试挖槽回淤特征研究

金文良，韩志远，李怀远，谢华亮，杨 华

(1.深中通道管理中心，广州 510600；2.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)

图1 研究区域位置示意图Fig.1 Sketch of study area

深圳至中山跨江通道工程(简称“深中通道工程”)采用东隧西桥方案，北距虎门大桥约30 km，南距港珠澳大桥约38 km。项目起于广深沿江高速机场互通立交，在深圳机场南侧跨越珠江口，在中山马鞍岛登陆，主体工程全长约24.0 km(见图1)。深中通道通过深圳机场互通立交(东人工岛)与广深沿江高速衔接，以长约7 km海底隧道下穿东滩、机场支航道及矾石水道，通过西人工岛实现隧桥转换，以桥梁连续跨越矾石浅滩、伶仃水道、西滩和横门东水道，通过横门互通与中开高速对接。项目采用双向八车道的技术标准，路基宽度41 m，设计时速100 km/h。深中通道海底隧道总长约7 km，两端分设东西两个人工岛，东人工岛位于深圳机场南侧，呈半岛型，西人工岛位于伶仃水道与矾石水道之间的中滩上，隧道基槽槽底标高-38 m(当地理论基面，下同)。

深中通道工程沉管隧道下穿东滩、机场支航道、矾石水道及矾石浅滩，所处矾石水道海域水文泥沙情况复杂，涨、落潮流强劲，且靠近珠江入海口门，因此隧道基槽的回淤问题是影响隧道设计与施工的关键问题等[1-3]。有鉴于此，2016年5月至2017年5月，在深中通道隧道基槽水域开展了试挖槽回淤监测研究。深中通道试挖槽位于深中通道工程K9+994～K10+094处，处在矾石水道东侧的东滩边缘(见图1)，水深介于-3～-6 m之间。试挖槽槽底长100 m，宽25 m，设计底标高为-18 m(理论基面)，北边坡坡比为1:6与1:8，南边坡坡比为1:5与1:7，东西侧轴线方向取1:10，试挖槽周边床面高程在-6～-4 m之间，开挖深度介于12～14 m之间。2016年5月31日试挖槽竣工验收后，开展了为期一年的多波速水深测量、回淤盒观测、水沙监测、密度测量、底质取样等工作。本文基于试挖槽为期一年的监测资料[4-6]，研究了试挖槽回淤特征及水沙环境，探讨了试挖槽回淤的原因。

1 试挖槽回淤特征

1.1 槽底回淤的季节变化

图2 槽底各月淤厚及淤强变化Fig.2 Monthly changes of siltation in the trial dredged-trough

根据试挖槽竣工后2016年5月31日至2017年5月10日多次多波束水深测图对比分析可知(见图2)：

(1)2016年5月31日至2017年5月10日，试挖槽底部平均总淤厚约为3.21 m，平均淤强约为0.93 cm/d。其中2016年5月31日～9月25日期间平均总淤厚约为2.94 m，2016年9月25日～4月27日期间平均总淤厚约为0.14 m；2017年4月27日～2017年5月10日期间平均淤厚约为0.13 m。洪季回淤厚度明显大于枯季。

(2)从回淤厚度逐月分布看，以2016年7～8月最大，其月回淤厚度在0.9～1.4 m之间；6月和9月次之，为0.2～0.4 m；2016年10月至2017年4月回淤厚度在-0.1～0.1 m之间，回淤很小。2016年6～9月的平均淤强为0.8～4.0 cm/d，平均淤强为2.5 cm/d，其中以8月最大(包含台风影响)；2016年10月至2017年4月的平均淤强仅为0.07 cm/d。试挖槽回淤呈现洪季明显较大、枯季明显较小的变化特点。

1.2 槽底回淤随潮型变化

根据试挖槽内2016年7月8～23日和8月6～21日两次回淤盒观测结果分析(见图3)：

(1)第1次回淤盒观测期间的总淤厚为0.50 m，平均淤强为3.3 cm/d。其中7月8～15日平均淤强为1.1 cm/d，7月15～23日期间的平均淤强为5.3 cm/d。观测期间的最大淤强为9.0 cm/d，出现于7月20～23日期间，处在大潮向中潮过渡时段；最小淤强为0.4 cm/d，出现于7月11～15日期间，处在小潮时段；7月15～20日淤强为3.8 cm/d，处在中潮向大潮过渡时段。

图3 回淤盒观测的回淤厚度及淤强Fig.3 Siltation changes in the trial dredged-trough by using silting box

(2)第2次回淤盒观测期间的总淤厚为0.33 m，平均淤强为2.2 cm/d。其中8月6～17日和17～21日期间的平均淤强分别为1.2 cm/d和5.2 cm/d；观测期间的最大淤强为5.2 cm/d，出现于8月17～21日，处在大潮时段；最小淤强为0.3 cm/d，出现于8月9～15日，处在小潮时段。

(3)两次回淤盒观测结果都反映出试挖槽淤积与潮型(或流速)变化密切相关。大潮时淤强基本在3～5 cm/d之间，中小潮时平均淤强约为1 cm/d。7月20～23日试挖槽底出现了异常强淤积，与该时段大潮期间回淤较大有关，再加上北边坡淤积物滑落较多，导致槽内出现异常强淤积。

1.3 试挖槽回淤平面分布

试挖槽2016年5月31日～2017年5月10日期间不同时段地形冲淤分布特征如下(见图4)。

2016年5月31日～6月30日淤积2016年6月30日～7月28日淤积2016年7月28日～8月3日淤积

2016年8月3～21日淤积2016年8月21日～9月25日淤积2016年9月25日～11月15日淤积

2016年11月15日～2017年2月22日淤积2017年2月22日～5月10日淤积图4 试挖槽不同时段回淤平面分布Fig.4 Siltation distribution in the trial dredged-trough

(1)2016年5月31日～6月30日期间，槽底、北边坡和东边坡普遍淤积，淤厚0.2～0.8 m，北边坡淤积厚度大于底部；南边坡和西边坡-12 m以下淤厚0.2～0.4 m，而-12 m以上略有冲刷。试挖槽边坡和槽底淤积分布均呈北部大于南部、东部大于西部的特点。

(2)2016年6月30日～7月28日期间，槽底淤厚达0.6～1 m，呈北部大于南部的特点；各个边坡整体呈淤积状态，淤积厚度在0.2～0.6 m之间，其中以东边坡最大。槽外滩面地形保持稳定。

(3)2016年7月28日～8月3日期间，槽底淤厚0.4～1.0 m，北边坡和西边坡整体呈小幅淤积状态，南边坡和东边坡整体冲刷状态，东边坡-10～-16 m之间局部水域冲刷幅度在0.2～1.0 m之间。槽外滩面地形保持稳定。这段时间槽底出现大幅淤积与8月2日台风“妮妲”过境影响有关。

(4)2016年8月3日～8月21日期间，槽底淤厚0.2～0.8 m，呈现东部大于西部的特点；北边坡和东边坡下半部呈明显淤积，淤厚0.2～0.6 m；东边坡上半部变化不大，南边坡和西边坡整体呈冲刷状态。2016年8月21日～9月25日期间，槽底淤厚0.4～0.6 m。边坡淤积幅度整体在0.2 m以下，北边坡略大。

(5)2016年9月25日～11月15日期间，东、南边坡呈冲刷状态，冲刷幅度在0～0.5 m之间，北边坡和西边坡变化不大；槽底基本不淤积，槽外滩面地形保持稳定。2016年11月15日～2017年2月22日期间，北边坡-14 m线以下淤积厚度在0.2～0.4 m之间，东、西边坡和南边坡淤积较小；槽底淤厚0.1～0.2 m。2017年2月22日～5月10日期间，北边坡淤厚在0～0.2 m之间，东、西边坡和南边坡淤积较小；槽底淤厚0～0.2 m，槽外滩面地形保持稳定。

总的来看，试挖槽边坡和槽底淤积分布整体呈北部和东部大、南部和西部小的分布特点，同时，试挖槽外滩面地形保持稳定，没有出现明显的冲淤变化。

1.4 试挖槽回淤物特征

根据2016年6月、8月、11月和2017年4月试挖槽内底质取样结果分析。

(1)2016年6月，槽内回淤物主要为粉砂质粘土和粘土质粉砂，中值粒径平均值为0.006 2 mm，粘土含量平均值为44.9%。2016年8月，槽内回淤物质主要为粘土质粉砂和粉砂质粘土，中值粒径平均值为0.006 6 mm，粘土含量平均值为32.2%。

(2)2016年11月，槽内回淤物质主要为粘土质粉砂和粉砂质粘土，中值粒径平均值为0.005 3 mm，粘土含量平均值为38.4%。2017年4月，槽内回淤物质主要为粉砂质粘土，中值粒径平均值为0.004 6 mm，粘土含量平均值为61.0%。

(3)试挖槽4次底质取样结果显示，试挖槽内回淤物质主要为粘土质粉砂和粉砂质粘土，平均中值粒径约为0.006 mm，洪季略粗于枯季。

1.5 槽内淤泥密度特征

根据试挖槽2016年6月3次、8月2次、9月1次、10月1次、11月3次、2017年1月1次、2月1次和4月1次共计13次密度测量结果统计可知：

(1)试挖槽内密度1.05～1.20 kg/L之间的平均浮泥厚度，6月3次测量结果为0.37～0.38 m，8月及9月3次测量结果在0.59～0.98 m之间，10月1次为0.29 m，11月至翌年4月6次测量结果在0.09～0.18 m之间；试挖槽内密度大于1.20 kg/L的平均淤泥厚度，6月3次及8月6日测量结果为0.16～0.31 m，8月21日以后9次测量结果在0.71～1.74 m之间。这显示洪季及台风期浮泥层较厚，枯季回淤物质逐渐密实，浮泥层较薄。

(2)洪季时试挖槽内浮泥层整体较厚，而枯季时浮泥层较薄，这与洪季淤积较多而枯季淤积较少有关。

图5 固定站日平均底部含沙量过程线Fig.5 Daily-averaged bottom SSC of fixed survey station

2 讨论

2.1 水动力条件对回淤的影响

试挖槽2016年6月21～22日大潮ADCP走航断面流速测量结果分析可知(见图5)

(1)试挖槽水域涨、落潮主流向，涨潮基本为NNW-N向，落潮基本为S-SSE向。其中表层流呈现明显的往复流特征，试挖槽内底部则有明显的横流。表层涨潮平均流速基本在0.2～0.4 m/s之间，落潮平均流速基本在0.4～0.7 m/s之间；底部涨潮平均流速基本在0.1～0.5 m/s之间，落潮平均流速在0.1～0.6 m/s之间。

(2)试挖槽内底部流速明显小于其南北两侧边坡及槽外边滩水域，槽底涨落潮平均流速在0.1～0.2 m/s之间。试挖槽底部流速小且存在明显的横流是试挖槽内泥沙回淤较多的水动力条件。

2.2 洪水和台风的影响

(1)洪水对试挖槽回淤的影响。

珠江2016年6月最大流量约为4万m3/s，7～8月最大流量约为1.5～2.5万m3/s，9～10最大流量分别为1～1.5万m3/s。11月至翌年2月，珠江流量基本在0.5～1.0万m3/s之间。因此，试挖槽内洪季淤积较大与洪季上游来水来沙量较大有关，枯季基本不淤与枯季来水来沙量少有关。

(2)台风对试挖槽回淤的影响。

台风对试挖槽回淤也有显著的影响，2016年8月2日第4号台风“妮妲”过境本区，中心最大风力达11级，造成了试挖槽较强淤积。根据台风前后7月28日～8月3日两次测图对比，试挖槽底平均淤厚约为0.68 m，平均淤强达11.3 cm/d。试挖槽底部回淤平面分布呈南部大于北部的特点，北边坡和西边坡整体呈小幅淤积状态，南边坡和东边坡整体冲刷状态，东边坡-10～-16 m水深之间局部水域冲刷幅度在0.2～1.0 m之间。台风过境期间，试挖槽外滩面地形保持稳定，试挖槽底部回淤较重主要与东边坡回淤泥沙滑落有关。

2.3 试挖槽水域的含沙量特征

根据试挖槽上、下游500 m处1#(上游)和2#(下游)2个固定站(位置见图1)2016年6～7月、8月及11月实测含沙量资料进行分析可知(见图5)。

(1)1#和2#固定站底部平均含沙量，6～7月分别为0.1 kg/m3和0.08 kg/m3，8月分别为0.05 kg/m3和0.04 kg/m3，11月为0.03 kg/m3左右。8月和11月小潮时含沙量差异不大，但大潮时8月明显大于11月。洪季含沙量较大，枯季含沙量较小。

(2)2016年6～7月1#和2#站底部含沙量均较大，且上游(1#)大于下游(2#)，这与监测期间大洪水影响有关。8月和11月底部含沙量，两站小潮时差异不大，大潮时1#站明显大于2#站。

(3)1#和2#固定站底部日平均含沙量，洪季大潮时为0.1～0.4 kg/m3，小潮时有大洪水时可达0.1 kg/m3、没有大洪水时在0.03 kg/m3以下；枯季大潮时为0.05～0.08 kg/m3，小潮时在0.03 kg/m3以下。试挖槽水域含沙量呈现大潮-中潮-小潮逐渐降低的变化特点。

(4)工程海域悬沙平均中值粒径约为0.006 mm，悬沙物质主要为粘土质粉砂和粉砂质粘土[4]。槽内回淤物质与悬沙物质基本一致，这说明试挖槽回淤形式以悬沙落淤为主。

2.4 试挖槽回淤原因分析

根据试挖槽水域的水沙环境及试挖槽淤积特征进行综合分析可知：

(1)洪季(6～9月)上游来沙量大、试挖槽水域水体含沙量较高，回淤量较大；枯季上游来沙量小，试挖槽水域水体含沙量低、回淤量较小。这说明珠江上游来沙对试挖槽水域含沙量变化有影响，但槽内淤强峰值出现时段与珠江大洪水出现的时段并不一致。

(2)洪、枯季试挖槽上游含沙量均大于下游，试挖槽边坡及槽底淤积均有北部大、南部小的分布特点，这说明试挖槽回淤泥沙主要来源于上游方向。

(3)试挖槽水域底部含沙量有随大潮-中潮-小潮逐渐减小的变化特点。试挖槽淤积强度随大潮-中潮-小潮逐渐减小的变化趋势与含沙量变化特点基本一致，槽内淤积物与悬沙物质及周边滩槽细颗粒泥沙基本相同，这说明试挖槽淤积的泥沙主要为随潮流搬运输移的泥沙，试挖槽槽内淤积形式以悬沙落淤为主。

由此可见，试挖槽回淤泥沙主要来源于上游方向，槽内淤积形式以悬沙落淤为主。

3 结论

根据深中通道将近一年的回淤观测资料进行分析，得出主要结论如下：

(1)试挖槽底部平均总淤厚3.21 m，呈现洪季明显较大、枯季明显较小的变化特点。

(2)试挖槽边坡和槽底淤积分布整体呈北部和东部大、南部和西部小的分布特点。试挖槽外滩面地形保持稳定，没有出现明显的冲淤变化。

(3)试挖槽回淤强度呈大潮-中潮-小潮逐渐减小的变化特点，与试挖槽水域底部含沙量随大潮-中潮-小潮逐渐降低的变化趋势基本一致。

(4)试挖槽槽内淤积物与悬沙物质及周边滩槽细颗粒泥沙基本相同，试挖槽淤积的泥沙主要为随潮流搬运输移的泥沙，上游方向泥沙的影响大于下游方向。试挖槽槽内淤积形式以悬沙落淤为主。