深中通道隧道沿线表层沉积物特征及输移趋势研究

2021-02-25韩志远

水道港口 2021年5期

韩志远

(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)

深圳至中山跨江通道工程(简称“深中通道”)位于伶仃洋，北距虎门大桥约30 km，南距港珠澳大桥约38 km(见图1)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，全线采用东隧西桥方案，东起伶仃东岸的广深沿江高速，在伶仃洋西岸的马鞍岛登陆[1]。深中通道通车后将成为大湾区内重要的跨海(江)通道，它不仅能缩短伶仃洋东西两岸的时空距离，还将大大缓解虎门大桥的交通压力，并在推动深圳产业升级及向粤西转移发挥重要作用。

深中通道所在伶仃洋为珠江河口最大的河口湾，受径流、潮流、波浪等多种动力的影响，湾内水动力条件及泥沙沉积环境较为复杂[2]。在河口海岸工程泥沙研究中，表层沉积物特征(包括沉积物类型，中值粒径、分选系数、粘土含量等)是判断海岸性质、泥沙特性、泥沙来源的重要参数；通过分析表层沉积物粒度特征，也可以揭示沉积物来源、沉积动力和沉积物输移趋势等环境信息[3-6]，是港口航道泥沙回淤研究中不可缺少的基础参数。这里根据深中通道隧道沿线的表层沉积物资料，结合水文泥沙资料，分析了基槽沿线的表层沉积物特征及沉积物环境，并对隧道沿线表层沉积物输移趋势进行了探讨。

1 资料依据和研究方法

2017年7月在深中通道隧道沿线采集了79个表层沉积物样品，采样区长约5.6 km，宽约2.2 km，采样间距250～500 m(见图1)。沉积物采样采用蚌式采样器，采样深度为5～10 cm，所采取样品均在实验室进行粒度分析。粒径大于0.1 mm的砂质泥沙采用SFY-D音频振动筛分粒度仪进行粒度分析，粒度小于0.1 mm的细颗粒泥沙采用BT-9300HT型粒度分析仪进行粒度分析。沉积物分类定名采用Shepard三角图分类法[7]，中值粒径(d50)、分选系数(σi)、偏态(Ski)等粒度参数计算采用Folk & Ward公式[8]。

表1 表层沉积物类型统计Tab.1 Statics of seabed sedimentary type

2 研究结果

2.1 沉积物类型及分布

研究区域的沉积物类型由粗至细分别为粗中细砂、中细砂、砂-粉砂-粘土、粘土质粉砂和粉砂质粘土等5种(见表1)。其中粉砂质粘土和粘土质粉砂的比重最高，分别占样品总数的39.3%和35.4%，砂-粉砂-粘土占16.5%；砂质沉积物最少，粗中细砂和中细砂分别只有2个和5个，二者合计占样品总数的8.8%。

从研究区域表层沉积物在谢帕德三角分类图上的分布看(见图2)，粘土质粉砂、粉砂质粘土和砂-粉砂-粘土分布区位于中间偏右区域，各分布区基本相连；砂质沉积物孤立的分布在三角图的左下角，与细颗粒泥沙的分布区并不连续且相隔较远。

从研究区域表层沉积物类型的平面分布看(见图3-a)，以粘土质粉砂和粉砂质粘土等细颗粒泥沙分布区面积最大，砂-粉砂-粘土分布区次之，粗中细砂、中细砂等砂质沉积物的分布区面积最小，零星分布在公沙浅滩及矾石水道局部区域内。

2.2 中值粒径分布

研究区域表层沉积物的中值粒径(d50)介于0.003～0.4 mm，平均值为0.03 mm；其中砂质沉积物的中值粒径介于0.2～0.4 mm，平均值为0.26 mm；细颗粒沉积物的中值粒径介于0.003～0.02 mm，平均值约为0.005 mm。

从研究区域表层沉积物中值粒径等值线平面分布看(图3-b)，公沙浅滩及矾石水道局部区域零星分布中值粒径大于0.1 mm的高值区，其他区域均属中值粒径低值区，中值粒径值基本都在0.01 mm以下。

2.3 分选程度分布

研究区域表层沉积物的分选系数(σi)介于0.87～2.3，平均值为1.8。其中砂质沉积物的分选系数介于0.87～1.6，平均值为1.1；除试挖槽南侧和北侧3个砂质样品的分选系数小于1，分选性属中等外，其他砂质样品的分选系数均大于1，分选性均较差。细颗粒沉积物的分选系数介于1.3～2.3，平均值为1.9，分选性均较差。

从研究区域表层沉积物分选系数平面分布看(见图3-c)：试挖槽南侧和公沙浅滩区域零星分布分选系数小于1.5的低值区，其他区域分选系数基本大于1.5，局部大于2.0。

2.4 粘土百分含量分布

研究区域表层沉积物粘土百分含量介于0.0%～61%。其中砂质沉积物的粘土百分含量为0，细颗粒沉积物的粘土百分含量介于26%～61%，平均值为45.3%。

从研究区域表层沉积物粘土百分含量平面分布看(见图3-d)：公沙浅滩区域零星分布粘土百分含量小于20%的低值区，其他区域粘土百分含量基本大于40%，局部大于50%。

3 讨论

3.1 沉积动力环境分析

3.1.1 水动力泥沙条件

从2017年7月隧道沿线大小潮实测流速看(见图4)，隧道沿线各站涨落潮水流均呈往复运动，落潮历时大于涨潮历时，落潮流速大于涨潮流速；大潮平均流速为0.3～0.6 m/s，最大流速为0.5～1.0 m/s；小潮平均流速为0.2～0.4 m/s，最大流速为0.4～0.7 m/s。从隧道沿线流速分布看，大潮时矾石水道流速明显大于东滩，小潮时矾石水道和东滩的流速均较小，差别并不大。各站大小潮表层余流方向均为落潮方向，大潮底层余流方向基本为落潮方向，而小潮底层余流方向基本为涨潮方向[9]。

隧道沿线各站涨、落潮平均含沙量，大潮为0.06～0.08 kg/m3，小潮为0.02～0.03 kg/m3，大潮明显大于小潮，隧道沿线含沙量差异，以东滩较大，矾石水道较小。隧道沿线涨落潮含沙量变化与流速变化关系密切(见图5)，最小含沙量多出现在憩流前后时刻，涨潮最大含沙量多出现在涨急前后时刻，落潮最大含沙量多出现在落急前后时刻。伶仃洋为较封闭的河口湾，潮流动力是湾内水沙输移和地貌塑造的主要动力条件。

从伶仃洋北部多年实测悬沙粒度资料分析[10]，悬沙的物质类型主要为粉砂质粘土和粘土质粉砂，平均中值粒径约为0.005 mm，平均粘土百分含量约为56%，悬沙级配与细颗粒泥沙级配比较接近，这显示悬沙和床面细颗粒泥沙之间存在明显交换，床面细颗粒泥沙在潮流作用下的起悬、再搬运对表层沉积物分布有重要影响。

图5 2017年7月大潮流速和含沙量过程线Fig.5 Hydrograph of flow velocity and suspended sediment concentration during spring tide in July of 2017

3.1.2 泥沙来源

深中通道所在伶仃洋为珠江口最大的河口湾，珠江流域来沙是伶仃洋的主要泥沙来源。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t，其中洪季(4～9月)输沙量占全年的90%以上，进入伶仃洋的径流量和沙量分别占珠江径流总量和输沙总量的61%和54.0%[10]。珠江进入伶仃洋的泥沙以悬移质为主，在径流和潮流共同作用下在湾内深槽和浅滩上堆积，构成了伶仃洋以淤泥质为主的沉积特性[11]。

就隧道沿线而言，东滩上的公沙浅滩存在不连续分布的粗颗粒砂质沉积物，在矾石水道内也零星分布粗颗粒的砂质沉积物，其砂质含量达95%以上，与周边细颗粒泥沙差异较大。就泥沙来源而言，伶仃洋东滩上交椅沙、公沙等线状沙质浅滩在地貌上为虎门潮汐通道落潮三角洲的重要组成部分，属于冰后期海平面上升时虎门潮汐通道形成发育演变过程中形成的线状沙脊[12]，与目前周边细颗粒泥沙差异较大。目前，矾石水道沿线为人工采砂形成的巨型挖沙坑，因此挖沙坑内零星分布的砂质沉积物有很大可能为挖沙过程中的残留物。

图6 研究区域表层沉积物运移趋势Fig.6 Seabed sediment transport trend in the study area

3.2 泥沙输移趋势分析

河口区域的表层泥沙输移是河流来沙、水动力条件及人类活动等诸多因素长期或者短期耦合作用的结果。Gao S & Collins M提出了二维粒径趋势分析模型(GSTA模型)，该模型根据表层沉积物的平均粒径(或中值粒径)、分选系数和偏态等3种粒度参数的变化来计算分析表层泥沙输移趋势[13]。研究区域的表层沉积物输移趋势矢量分布见图6，图中箭头方向仅表示沉积物净输运方向和粒径趋势的显著性，不代表矢量长度并非泥沙输移速率的大小。

由图6可以看出，研究区域的表层沉积物的输移趋势主要呈现以下特征：(1)研究区域的输移趋势总体上为自北向南，东西方向的输移趋势不明显；(2)矾石水道自北向南的输移趋势比东滩上略强；(3)东滩隧道轴线以南的局部区域则有很弱的自南向北的输移趋势；(4)试挖槽周边滩面沉积物有向槽内汇集的趋势。

伶仃洋为河口湾，湾内主要泥沙来源为珠江流域来沙，潮流输沙是湾内水沙输移的主要形式[14]。在洪季珠江来水来沙量较丰富的情况下，伶仃洋湾内的泥沙输移总体上表现为由湾内向湾外，即自北向南。深中通道位于伶仃洋北部，矾石水道为虎门落潮流的主要通道，受虎门下泄水沙的影响较显著，特别是洪季来沙较多的影响下，表层沉积物输移趋势总体上表现为自北向南。东滩并非落潮流通道，因此自北向南的输移趋势相对较弱，且隧道沿线以南存在很弱的自南向北的输移趋势，与公沙水道下段属涨潮槽、底部涨潮优势有关[12]，2017年实测余流资料也显示小潮时东滩底部余流方向为涨潮方向。试挖槽槽内悬沙落淤受周边滩面泥沙再搬运的影响，表现出槽外指向槽内的输移趋势。