重庆长江隧道河床演变及冲刷预测*

孙凯旋，高亚军，李国斌，尚倩倩，许 慧，施 凌

(1.南京水利科学研究院,港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210029；2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

过江隧道隧址断面河床冲刷深度是工程规划建设的重要参数。受水沙条件和水库运行综合作用的影响，三峡水库变动回水区冲淤变化复杂，因此在此河段修建过江隧道工程，需要合理分析河床演变规律及河床最大冲刷深度。河床冲刷分为局部冲刷和自然冲刷两种类型，局部冲刷是指在河段内修建工程引起的河床冲刷，自然冲刷是指水流和泥沙相互作用使河床平面及过水断面不断发展变化。对于第一类冲刷，Sumer等[1]对此做过系统总结；伍冬领等[2]用模型延伸法对钱江四桥桥墩局部最大冲深进行较合理的研究。对于第二类冲刷，国内外的研究不多，且研究主要集中在砂质河段。史英标等[3]建立钱塘江河口平面二维动床数值模拟和动床物理模型，但对水沙条件的分析主要基于洪潮水流作用下的钱塘江河口环境；岳红艳等[4]对武汉汉江过江隧道隧址断面所在河床的最大冲深进行研究，但汉江河段内河床表层覆盖层主要为砂质。目前关于重庆长江隧道段的河床冲刷深度的研究尚未见报道，因此开展重庆长江隧道段的河床冲刷深度的研究工作具有一定的必要性。

本文以重庆—黔江铁路重庆长江隧道工程为背景，结合三峡变动回水区工程河段近期河床演变规律，对过江隧道所在砂卵石河段的冲刷深度进行计算研究，取得了较合理的预测成果。

1 基本概况

1.1 工程概况

新建重庆—黔江铁路工程位于重庆市东南部地区。长期以来受沿线交通条件制约，经济发展水平相对滞后，重庆—黔江铁路的建设扩大了沿线地区高铁覆盖面，有利于充分发挥重庆市市区对渝东南地区的引领、带动作用，对促进沿线地区经济发展具有重要意义。

拟建隧道工程位于重庆主城区河段的猪儿碛水道。主城区河段位于三峡变动回水区上段长江与嘉陵江两江汇流处，在平面上呈连续弯曲的形态，全长约60 km。猪儿碛河段是重庆主城区河段的一个浅滩段，位于重庆海棠溪弯顶处，河段长 3.5 km，河段上游有连续急弯，河段下游距长江与嘉陵江交汇处约 1.5 km。隧道工程平面位置见图 1。

图1 拟建隧道位置

1.2 水沙条件

重庆主城区河段控制水文站包括长江上游朱沱水文站、寸滩水文站，嘉陵江上游北碚水文站，这3个水文站均具有长系列的水文记录资料，可用于该河段的河床演变分析。

1.2.1来水条件

变动回水区年径流量变化情况见图2。总体上，三峡蓄水后2003—2016年际间径流量变化具有随机性，无趋势性变化；与蓄水前相比，三峡蓄水后长江朱沱站、寸滩站径流量均偏枯，嘉陵江北碚站则略有增加。

图2 变动回水区主要控制站各时段径流量变化

1.2.2来沙条件

1)悬移质输沙量。2003—2016年朱沱站和寸滩站年际间输沙量呈现减少趋势，特别是2012年后上游向家坝等水库蓄水运行后输沙量减小明显，朱沱站和寸滩站减幅达80%以上。嘉陵江北碚站输沙量无趋势性变化；变动回水区主要控制站悬移质年输沙量变化见图3。

图3 变动回水区干支流主要控制站年输沙量变化

2)推移质输沙量。与2003—2016年砾卵石推移量相比，朱沱站2017年明显减少，寸滩站略有增加；与2012—2016年沙质推移质输沙量相比，朱沱站减少34%，寸滩站大幅下降，寸滩站砾卵石推移质和沙质推移质历年推移量变化见图4。

图4 寸滩站砾卵石推移质和沙质推移质历年变化

1.3 三峡水库调度

三峡水库采用蓄清排浑的调度方式。水库运行也影响着变动回水区河床演变，受回水影响，汛末转为库区河段，随坝前水位消落在次年汛初逐渐转成天然河道。库区回水作用将壅高主城河段下游尾水，产生累积性淤积并向上游拓展[5-6]。三峡工程初设阶段计划的运行方式为：水库坝前水位、正常蓄水位为175 m(吴淞高程，下同)，消落低水位为155 m，防洪限制水位为145 m。

2 河床近期演变特点

2.1 变动回水区总体冲淤情况

变动回水区河段汛期呈天然河道特性,枯水期则呈水路特性，两种状态交替出现，演变复杂[7-8]。三峡水库库区整体呈淤积状态。由于水库淤积，下泄沙量减少，出库泥沙颗粒细化。受三峡水库运行调度、河道采砂等影响，汛期河床淤积量有所减少，新的水沙条件下，变动回水区沙卵石河床呈冲刷状态[9]。三峡库区河床冲淤情况见表1。

表1 三峡水库库区冲淤量

2.2 工程河段河床演变分析

2.2.1岸线变化

天然情况下主城区河段岸线总体变化不大。20世纪90年代以后，两江四岸修建大量的堤防、岸坡等工程，洪水岸线内推，主城区河段河宽有所缩窄，其余岸线变化不大，2010年后两岸岸线基本未变。

2.2.2深泓线变化

1)深泓线的平面变化。主城区河段深泓线平面走向仅少数过渡段年略有摆动，大多数年份基本保持稳定。

2)深泓线高程纵向变化。重庆主城区河段深泓纵剖面年际变化见图5。主城区河段深泓纵剖面年际间有冲有淤，总体呈下切趋势。2008年三峡水库175 m试验性蓄水后，受河床泥沙淤积影响，长江重庆河段局部河床深泓纵剖面略有抬升，多数河段河床冲刷下切。

图5 重庆主城区河段深泓纵剖面年际变化

2.2.3冲淤情况分析

2008年三峡水库试验性蓄水前，猪儿碛水道年内冲淤变化呈现汛期淤积、汛末至汛后冲刷状态，河段总体表现为冲刷，累计冲刷量为67.7万m3。猪儿碛水道年际间有冲有淤，冲淤变化不明显；年内冲淤过程主要表现为三峡水库消落期冲刷、三峡水库汛期冲刷和三峡水库蓄水期轻微冲刷，总体呈冲刷态势。三峡水库175 m试验性蓄水后猪儿碛水道年际间冲淤情况见表2(2009、2010年数据不全，故未列出)。

表2 三峡水库175 m试验性蓄水后猪儿碛河段年内冲淤情况

2.3 隧道轴线断面河床演变分析

2007—2018年过江隧道河床断面有冲有淤，总体上冲淤变化不大；2008—2011年，最深点略有微冲，轴线断面最深点高程在156.1～157.0 m；2011—2018年，两岸岸线稳定，河床冲淤变化不大，最深点有冲有淤。年际间最深点冲淤变幅较小，多年变幅在1.0 m以内，最深点总体趋于微淤状态。 隧道轴线断面位置历年最深点高程见表3。

表3 隧道轴线断面位置历年最深点高程

3 冲刷深度计算

3.1 冲刷计算公式

本工程位于长江上游河道砂卵石河床，采用“64-1”修正式、Lacey 公式以及谢鉴衡公式进行计算对比。

3.1.1“64-1”修正式

“64-1”修正式是根据冲止流速原理建立的，公式为：

(1)

(2)

式中：B为平滩水位时的河槽宽度(m)；H为平滩水位时河槽水深(m)。

3.1.2Lacey公式

集中水流冲刷坑的Lacey公式为：

(3)

3.1.3谢鉴衡公式

谢鉴衡公式为：

(4)

(5)

3.2 计算条件

3.2.1冲刷计算断面的选取

为了使工程区河床冲刷计算合理，在过江隧道断面选取3条与水流正交河床断面进行河床冲刷计算。冲刷计算断面位置见图6。

图6 冲刷计算断面位置

3.2.2计算参数

特大过江桥梁及隧道工程河床冲刷计算水文条件采用300 a一遇洪水标准[10]。拟建隧道工程位于长江与嘉陵江交汇的上游，因此选用朱沱站水文资料。采用实测洪水资料系列，加入历史上特大洪水进行频率分析计算，推算出300 a一遇洪水情况下朱沱站流量为72 000 m3/s。从工程建设安全合理性出发，依据中值粒径分布情况及一般取值规律[11]，选用 91 mm 作为该河段的计算粒径。计算参数见表4。

表4 河床冲刷计算参数取值

3.3 计算结果及分析

经计算两个计算断面位置在300 a一遇洪水情况下河床断面冲刷结果见表5。

表5 河床冲刷计算结果

“64-1”修正式适用于山区稳定及平原次稳定地区，有底沙运动条件下的非黏性土河床的一般冲刷计算，计算结果包含一般冲刷、天然冲刷及集中冲刷；Lacey公式引用的沙性河床冲刷平衡公式，计算结果偏小；谢鉴衡公式是局部冲刷理论推导公式结合河道水流特点和各种土质河床的允许流速实测资料加以整理得出的一个经验公式[12]。从计算结果来看，Lacey公式的计算结果相对较小，计算断面1位置“64-1”修正式和谢鉴衡公式计算结果一致，更具参考性。

猪儿碛水道河床边界主要有基岩和覆盖层组成，河床基岩主要由侏罗系紫红色泥岩、泥质砂岩和砂质泥岩等组成，岩性较简单。覆盖层主要由砂卵石组成，面积约占河床总面积的90%，河段内洲滩较多，粒径大于10 mm的卵石含量在80%以上。根据当地工程经验及各公式适用条件综合分析，300 a一遇洪水情况下河床冲刷深度取4.8 m。

根据过江隧道断面河床演变分析近十几年自然演变情况下过江断面包络线最深点高程为156.1 m，在300 a一遇洪水情况下，河床冲刷后的最深点高程151.3 m，冲刷深度为4.8 m；过江隧道断面300 a一遇洪水冲刷预测线见图7。

图7 过江隧道断面300 a一遇洪水冲刷预测线

4 结论

1)考虑重庆主城区河段上游水沙条件及水库运行的影响，工程河段多年来河势总体保持稳定，岸线变化不明显。猪儿碛水道年际间冲淤变化不大；年内冲淤过程主要表现为三峡水库消落期冲刷、三峡水库汛期淤积和三峡水库蓄水期冲刷，总体呈冲刷态势，过江隧道断面河床年际间有冲有淤，总体上冲淤变化不大。

2)采用“64-1”修正式、Lacey公式以及谢鉴衡公式对过江隧道河道断面进行300 a一遇设计流量条件下的河床断面洪水冲刷深度计算。计算得到过江隧道断面300 a一遇洪水情况下河床冲刷深度为4.8 m，预测最深点高程151.3 m。