深中通道沉管隧道沿线水沙环境特征研究

2019-11-19金文良韩志远李怀远谢华亮

水道港口 2019年5期

金文良，韩志远，李怀远，谢华亮

(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Fig.1 Sketch of study area

深圳至中山跨江通道(简称“深中通道”)位于粤港澳大湾区核心区域(见图1)，连接广东省深圳市和中山市，横跨伶仃洋，北距虎门大桥约30 km，南距港珠澳大桥约38 km，是世界级超大的“桥、岛、隧、水下互通”集群工程，主体工程全长约24.0 km，采用双向八车道的技术标准，设计时速100 km/h。深中通道采用“西桥东隧”方案，东端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6.8 km的海底隧道下穿东滩、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，通过横门互通立交对接中开高速。深中通道通车后将成为连接珠江口东西两岸的重要通道，中山至深圳的通勤时间将由2 h缩减为30 min，更将改变粤西湛江、茂名、阳江等地民众前往深圳乃至粤东必经虎门的交通瓶颈。

深中通道海底隧道为世界首次使用的双向八车道超宽钢壳混凝土沉管隧道，能适应超宽、深埋、变宽等建设条件，具有承载能力强、抗裂性能好、耐久性好、对海洋环境影响较小等优势。海底隧道沉管共分为32个管节，标准管节长宽为165 m×46 m，每个标准管节重约8万t，隧道基槽最深处底标高-38 m(理论基面，下同)。

深中通道沉管隧道自西向东穿越矾石浅滩、矾石水道、伶仃东滩两大地貌单元(见图1)：东滩上有交椅沙～公沙、公沙水道等次级地貌单元，水深在-2～-4 m之间；矾石水道及矾石浅滩水域由于挖沙形成大规模的挖沙坑，水深在-11～-15 m之间。基槽沿线开挖深度，挖沙坑段在5～26 m之间，东滩段在16～23 m之间。2016年5月～2017年5月期间在矾石航道东侧浅滩上进行了回淤观测试验工作[1]。

深中通道沉管隧道下穿伶仃洋东滩、机场支航道及矾石水道挖沙坑，沿线滩槽地形变化及水文泥沙情势较为复杂。隧道沿线水沙环境特征是影响隧道基槽回淤的主要原因，也是隧道设计与施工过程中必须要考虑关键问题之一[1-4]。鉴于此，2017年7月24日～31日(闰六月初二至初九)在深中通道隧道基槽沿线水域开展了同步4站(位置见图1，2#站位于矾石水道挖沙坑，1#站位于试挖槽北侧，3#～4#站位于东滩)为期8 d的定点连续水流、含沙量同步监测资料，并对隧道沿线的底质、浮泥等情况进行了调查。本文基于深中通道隧道沿线同步水沙监测资料[5]，对隧道沿线的水沙环境特征进行了研究，并探讨了其对隧道基槽回淤的影响。

1 深中隧道沿线的水沙环境特征

1.1 深中隧道沿线潮流特征

深中通道所在伶仃洋水域潮汐属不规则半日潮，潮流属不规则半日潮流，赤湾站多年平均潮差为1.35 m。观测期间赤湾站大潮最大潮差2.96 m，平均潮差1.87 m，小潮最大潮差1.06 m，平均潮差0.9 m。隧道沿线各站涨、落潮流速统计见表1，潮流矢量见图2，由图表可以看出：

(1)隧道沿线各站表、底层水流均呈往复流运动，表层历时较长，为洪季上游来水量较大影响所致。

(2)大潮各站表层平均流速，涨潮为0.39～0.47 m/s，落潮为0.54～0.78 m/s；表层最大流速，涨潮为0.71～0.79 m/s，落潮为1.06～1.47 m/s；各站落潮流速均大于涨潮流速。大潮各站底层平均流速，涨潮为0.2～0.42 m/s，落潮为0.25～0.35 m/s；底层最大流速，涨潮为0.36～0.69 m/s，落潮为0.52～0.63 m/s；2#站涨潮流速大于落潮流速，其他各站落潮流速大于涨潮流速。大潮各站垂线平均流速，涨潮平均为0.33～0.45 m/s，涨潮最大为0.54～0.8 m/s，落潮平均为0.47～0.59 m/s，落潮最大为0.81～1.04 m/s，各站落潮流速均大于涨潮流速。

从隧道沿线大潮期流速分布看，挖沙坑水域表层涨潮流速小于东滩水域，略大于试挖槽水域，略小于东滩水域；挖沙坑水域表层落潮流速明显大于试挖槽及东滩水域；挖沙坑水域底层涨潮流速大于试挖槽附近及东滩水域，底层落潮流速小于试挖槽及东滩水域；试挖槽水域与东滩差异较小。

(3)小潮各站表层涨潮平均流速为0.09～0.24 m/s，落潮平均流速为0.49～0.53 m/s，涨、落潮最大流速为0.22～0.89 m/s，表层涨潮流速远小于落潮流速且涨潮历时很短；小潮各站底层涨、落潮平均流速为0.1～0.3 m/s，最大流速为0.1～0.6 m/s，2#站和4#站涨潮流速大于落潮流速，其他各站涨、落潮流速基本相当。小潮各站垂线平均流速为0.2～0.41 m/s，垂线平均最大流速为0.37～0.66 m/s，2#站和4#站涨潮流速大于落潮流速，其他各站涨、落潮流速基本相当。

从小潮期隧道沿程流速分布看，挖沙坑水域表层涨潮流速大于试挖槽水域，略小于东滩水域，表层落潮流速与试挖槽及东滩水域基本相当；挖沙坑水域底层涨潮流速大于试挖槽及东滩水域，底层落潮流速小于试挖槽及东滩水域；试挖槽附近涨潮流速小于东滩水域，落潮流速与东滩水域基本相当。

(4)总的来看，深中隧道沿线洪季潮流均呈往复运动，表层落潮流速较大且落潮历时较长；底部流速和垂线平均流速，挖沙坑水域涨潮流较大，东滩及试挖槽水域落潮流较大。表层涨潮流速，挖沙坑水域略大于试挖槽水域而小于东滩水域；表层落潮流速，挖沙坑水域大于东滩及试挖槽水域；底部涨潮流速，挖沙坑水域大于东滩及试挖槽水域，底部落潮流速，挖沙坑水域略小于东滩及试挖槽水域；挖沙坑水域垂线涨、落潮流速均大于东滩及试挖槽水域。

表1 隧道基槽沿线各站涨、落潮平均及最大流速统计Tab.1 Mean and max flow velocity in tidal period along the immerged tunnel of Shenzhong Link m/s

图2 隧道基槽沿线大、小潮流速矢量Fig.2 Velocity vector of tide flow during flood and neap tide

1.2 深中隧道沿线含沙量特征

深中隧道沿线2017年7月24～31日(闰六月初二至初九)含沙量监测结果见表2及图3～图4：

(1)隧道沿线各站涨、落潮垂线平均含沙量，大潮为0.06～0.08 kg/m3，小潮为0.02～0.03 kg/m3，大潮时落潮略大，小潮时涨潮略大。各站涨、落潮垂线平均含沙量分布，以东滩水域3#～4#站较大，挖沙坑水域2#站及试挖槽水域1#站差别不大。

(2)隧道沿线各站涨、落潮底部平均含沙量，大潮为0.1～0.28 kg/m3，小潮为0.03～0.08 kg/m3，大潮时2#和3#涨潮大于落潮，1#和4#涨落潮差异不大；小潮时，2#～4#站涨潮大于落潮，1#站落潮略大于涨潮。各站底部平均含沙量平面分布，大潮时以挖沙坑水域2#站最大，以试挖槽水域1#站最小，东滩水域3#和4#站略大于1#站；小潮时，涨潮平均含沙量以2#站最大，1#站最小；落潮平均含沙量以1#站最大，2#～4#站差异不大。

(3)隧道沿线各站底部8 d平均含沙量为0.07～0.13 kg/m3，大潮基本在0.15～0.3 kg/m3之间，小潮基本在0.05 kg/m3以下；以挖沙坑水域2#站最大，东滩水域3#和4#站次之，试挖槽水域1#站最小，2#站约为1#站的2倍，3#、4#站约为1#站的1.3～1.4倍。底部最大含沙量，大潮时2#站为0.7～1.0 kg/m3，1#站及3#、4#站为0.3～0.4 kg/m3；小潮时2#～4#站为0.1 kg/m3左右，1#站为0.05 kg/m3左右。

(4)本次含沙量监测经历大潮至小潮的过程，隧道沿线各站垂线平均及底部含沙量变化过程均与潮型和流速变化过程具有较好的相关性，即含沙量变化呈现大潮大、中潮次之、小潮最小的变化特点。涨、落潮最大含沙量基本出现在涨、落急前后时刻，最小含沙量基本出现在转流前后时刻。

(5)从隧道沿线垂线平均含沙量分布看，东滩水域略大于挖沙坑及试挖槽水域，挖沙坑和试挖槽水域差别不大。从底部含沙量分布看，挖沙坑水域最大，东滩水域次之，试挖槽水域最小。

表2 隧道基槽沿线各站含沙量统计(1#-4#站)Tab.2 Mean and the maximum value of sediment concentration in flood and ebb period at 1#～4# station

图3 深中隧道基槽沿线各站逐日平均及最大含沙量(1#～4#站)Fig.3 Daily changes of mean and the maximum value of sediment concentration at 1# ～ 4# station

图4 2#站和3#站逐时含沙量及流速变化过程线Fig.4 Hourly changes of suspended sediment constriction and flow velocity at 2# and 3# station

1.3 深中隧道基槽沿线底质特征

根据2017年7月深中隧道沿线海床表层沉积物取样结果分析：

(1)隧道沿线海床底质类型，除了试挖槽北侧公沙浅滩局部区域有粗中细砂、中细砂等砂质泥沙分布外，其他区段底质类型以粘土质粉砂和粉砂质粘土等细颗粒泥沙为主，夹杂有少量的砂-粉砂-粘土。

(2)隧道沿线底质中值粒径为0.003～0.41 mm，平均值为0.027 mm。其中砂质泥沙的中值粒径为0.18～0.41 mm，平均值为0.26 mm；细颗粒泥沙的中值粒径为0.003～0.02 mm，平均值为0.005 mm。

(3)隧道沿线底质分选系数为0.87～2.3，平均值为1.8。其中砂质泥沙的分选系数在0.87～1.6之间，平均值为1.1，属分选较好的沉积；细颗粒泥沙的分选系数在1.3～2.3之间，平均值为1.9，属分选中常的沉积。

(4)隧道沿线的底质粘土百分含量介于0.0%～61%之间。其中砂质泥沙的粘土百分含量为0，细颗粒泥沙的粘土百分含量介于26%～61 %之间，平均值为45.3 %。

(5)隧道沿线海床底质以细颗粒粘土质沉积物为主，平均中粒径约为0.005 mm；深中隧道附近水域悬沙中值粒径约为0.006 mm，悬沙物质主要为粘土质粉砂和粉砂质粘土。从悬沙物质与海床沉积物基本一致看，这说明本海域悬沙物质主要来源以周边滩面就地起悬搬运为主。

2 讨论

2.1 上游水沙对深中隧道沿线水沙特征的影响

根据珠江1959～2019年资料统计，珠江多年平均径流量为3 700亿m3，多年平均输沙量约为6 900万吨，河流输沙以悬移质为主。洪季(4～9月)河流含沙量较大，径流量占全年70%以上，输沙量占全年的90%以上，枯水期的径流量小、含沙量低，输沙量很少。伶仃洋汇聚了珠江虎门、蕉门、洪奇沥和横门等4个口门(东四门)，东四门的分流比占珠江年径流量的61.0%。

深中隧道地处虎门落潮通道下游，洪季时受虎门下泄水沙影响显著。2017年8月中下旬，珠江径流量基本在1.5～3万m3/s之间，径流量属于偏大的月份，因此深中隧道沿线各站表层落潮流速明显大于涨潮流速主要受上游洪水影响。同时，由于洪季河口盐度分层作用明显，伶仃洋东西槽内均存在表层下泄冲淡水流和底层上溯的高盐补偿流构成河口纵向净环流也是较为显著，表现为表层向下游而底部净向上游的水沙净输移[5-6]。本次观测期间挖沙坑内2#站在大潮和小潮期间底部涨潮平均流速及含沙量均大于落潮，即与洪季矾石水道(东槽)底部上溯补偿流增强有关。

洪季上游水沙对深中隧道沿线水沙特征的影响主要体现在两个方面：一方面洪季上游输沙量大，会经虎门、蕉门等之间输移至深中隧道附近，直接增大隧道沿线的水体含沙量。另一方面，底部流速增加也会增大床面泥沙起悬量而增加水体含沙量。深中通道试挖槽及伶仃航道等在洪季含沙量较高且回淤强度明显较大，主要与洪季上游水沙影响有关。

2.2 地形差异对深中隧道沿线水沙特征的影响

深中隧道挖沙坑段所在矾石水道在地貌上属虎门潮汐通道体系中的落潮槽，为虎门下泄水沙向外输移的主要通道[6]，东滩同时受虎门下泄水沙和涨潮输沙的影响，为缓慢淤积区。深中隧道沿线滩面底质主要为中值粒径小于0.02 mm的细颗粒泥沙，波流作用下较易于起动搬运，东滩由于水深较浅，滩面波浪掀沙作用较强，而挖沙坑段由于水深较大，波浪掀沙作用较弱，这也是东滩水域垂线平均含沙量大于挖沙坑段的主要原因。

挖沙坑水域被人工挖砂扰动破坏后，再加上新回淤的细颗粒泥沙，床面泥沙在较强涨、落潮流作用下较易起悬，因此挖沙坑水域的底部含沙量则明显大于东滩水域。由于挖沙坑水域底部涨潮流速大于落潮流速，因此底部最大含沙量多出现在涨急前后时刻。

2.3 深中隧道沿线水沙特征对基槽回淤的影响

深中隧道沿线底部含沙量变化与流速变化密切相关，最大含沙量基本出现在涨、落急前后时刻，最小含沙量基本出现在转流前后时刻，大潮时含沙量较高而小潮时含沙量较低，水体悬沙物质与周边滩槽细颗粒泥沙基本相同，这表明潮流输沙是深中隧道附近水域水沙输移的主要形式。洪季珠江上游来水来沙量增大，对隧道沿线水沙环境有明显影响。

据2016年5月～2017年5月期间深中试挖槽回淤监测，试挖槽洪季平均淤强约为2 cm/d，枯季平均淤强小于1 cm/d，试挖槽淤积以悬沙落淤为主，回淤泥沙主要来自随潮流输运的泥沙且上游的影响较大[1]。深中隧道沿线水沙输移均以潮流输沙为主，隧道基槽开挖后全线回淤都将会以悬沙落淤为主。由于挖沙坑水域和东滩水域底部含沙量大于试挖槽附近，基槽全线开挖后挖沙坑段和东滩段的回淤强度会大于试挖槽附近。

就挖沙坑水域而言，底部含沙量大与挖沙坑底部扰动及新回淤的泥沙易于起动搬运有关。虽然隧道附近挖沙坑内不存在大量流动性浮泥[7]，但是考虑到大潮时底部最大可达1 kg/m3，因此挖沙坑内底层泥沙悬扬产生的较高含沙水体对基槽淤积的影响不容忽视。就东滩水域而言，底部含沙量大与上下游浅滩泥沙易于起动搬运有关，由于基槽沿线东滩水域水深较小，施工过程中船舶的扰动对底部含沙量及深中基槽淤积的影响也值得关注。