长江口某GIL管廊工程极限冲刷深度研究

摘要：

关键词：极限冲刷；整体物理模型；潮流泥沙数学模型；河势分析

0 引 言

在进行过江管廊的规划设计时，最大埋深是关键参数之一^[1]。如果设计埋深值偏小则难以保证管廊工程的安全，而埋深过大则一定程度上增加了工程难度、工作量乃至工程投资。为确保电力GIL管廊过江的安全，并尽可能减轻工程难度，降低工作量，节省投资，需合理确定管廊线位水域部分的沿程埋深。本文基于河势专题、整体物理模型试验专题和潮流泥沙数学模型专题的研究成果，研究极端水文条件下及系列水文年条件下，工程线位附近河床极限冲刷深度和最大水深包络线，研究成果为应急抛锚贯入深度专题、航道通航条件影响评价报告通航尺度论证、工程设计等提供关键的技术支撑。

1 工程概况

拟建管廊工程位于长江南支浏河口附近，江中分别下穿长江南北主江堤、新桥水道、下扁担沙沙体、宝山北锚地、宝山北航道、深水航道延伸段、宝山南锚地和宝山南航道（如图1所示），所涉及水域的河槽形态复杂，洲滩易变，河势变化敏感，受上游长江来水来沙、外海天文潮汐、长江口一系列人为工程等因素的影响，影响因素非常复杂。如何合理地确定拟建管廊工程的极限冲刷深度是一个难点。

为了研究拟建工程河段在不同频率水文条件下水位、流速、流态、冲淤变化和最大冲刷包络线等，并考虑目前的河势情况及长江口综合整治开发规划、长江口航道发展规划等相关规划实施后的影响，开展了河势分析、整体物理模型试验研究和潮流泥沙数学模型专题。整体物理模型试验和数学模型均是预测水沙运动和河床演变的重要手段。这两种模型都必须进行某些简化与近似，两者都有各自的优缺点，将两者有机结合起来，可用以解决单一模型不易解决和不能解决的问题。两种模型的结合除能起相辅相成作用外，还能起到互相补充验证的作用。本文基于河势专题、整体物理模型试验专题和潮流泥沙数学模型专题的研究成果，研究极端水文条件下及系列水文年条件下，工程线位附近河床极限冲刷深度和最大水深包络线，研究成果为应急抛锚贯入深度专题、航评报告通航尺度论证、工程设计等提供关键的技术支撑。

2 河势演变分析

拟建工程位于长江河口段，受径流和潮汐共同作用。河段进口有徐六泾节点段控制，在多年自然演变和人工控制作用下，总体河势逐步稳定，但局部河床冲淤变化仍然较大^[2]。

2.1近期河段演变总体特征

长江口南支河道宽浅，河床活动性强，尽管实施了白茆沙整治工程和新浏河沙护滩及南沙头通道限流潜堤工程等，稳定了主要分流格局，但受流域来沙减少等因素的影响，南支近期总体呈冲刷态势，河槽容积增加，主要滩槽的冲淤变化仍较为明显。

2010 年以来，白茆沙南北水道保持“南强北弱”的河势格局^[3]，扁担沙南沿冲蚀后退、滩面窜沟发育；期间，七丫口以下南支主流增强、北偏，切割下扁担沙尾部南沿，沙尾发育活动沙包（如图2所示）；此外，新桥通道进口持续淤积，河槽扭曲；新桥水道上段淤积、下段冲刷。

2.2扁担沙

扁担沙作为南支主槽北侧巨大活动沙体，上游连接已圈围的东风西沙、下游深入北港进口段、南侧为南支主槽、北侧为新桥水道，平面呈长条形，尚未进行人工控导。在涨落潮流作用下，南支主槽与新桥水道之间的横向水量交换在扁担沙滩面塑造出多条横向或斜向窜沟，如鸽龙港窜沟、原南门通道等。

2010 年以来，随着白茆沙南水道的发展以及太仓沿岸圈围、码头建设等“岸线”的外推，下扁担沙南沿冲刷、中低滩侵蚀北退，七丫口以下南支主流增强、北偏，对应区段的南支主槽北侧冲刷。期间，南门通道淤积萎缩、鸽笼港窜沟及下扁担沙滩面窜沟冲刷发展。同时，下扁担沙沙尾保持“上冲下淤”态势，切割形成多个活动沙包。近一年，鸽龙港窜沟有所展宽，下扁担沙滩面窜沟冲刷发展明显，沙尾活动沙包有所下延，如图3所示。

2.3演变影响因素分析及趋势预测

在上游大洪水发生概率较小的背景条件下，随着两岸岸线和分汊口段边界的固定，南支河段的总体河势格局将更加稳定，发生大河势格局变化的可能性较低。

但由于南支河宽仍然较大，河床的冲淤演变仍有较大空间。在总体河势格局稳定的大前提下，若无采取相关的人工措施，在南支河段固有水沙特性、北支泥沙倒灌、流域来沙减少和变细等各种影响因素的共同作用下，未来一段时间内，南支河段内的滩槽变化仍将延续近期的冲淤演变态势，如南支河段总体冲刷、白茆沙南北水道“南强北弱”、南支主流出七丫口后北偏、上扁担沙南沿切滩冲刷、下扁担沙南沿淤涨南压、新桥通道缩窄、新桥水道上淤下冲等变化态势仍将持续发展。

2.4线位附近历史最大水深变化

1958—2022 年管廊线位及附近区段最深点高程统计结果表明，线位附近最深点高程达-32.9m，出现在线位上游4km的南支主槽内。

从线位附近最深点高程变化过程来看，南支主槽最深点高程 1958—1973 年略有淤浅；1973—1986 年显著增深，最深点高程减小至-32.9m（位于线位上游4km的NZ2断面）；1986—2007年总体淤积抬高；2007—2010年出现短期显著增深，最深点高程由-24.3m降低至-31.6m（位于线位处的断面），之后的 2010—2013 年最深点高程有所恢复；2013年以来总体呈缓慢增深趋势，由-25.9m 逐渐减小至-27.9m，如图4所示。

3 潮流泥沙数模

为研究在不利水文条件下，管廊线位附近河床的冲深情况，采用平面三维潮流泥沙数学模型，对工程河段进行河床冲淤计算，并对断面附近冲深情况进行分析，为工程规划设计提供参考依据。

模型计算目的是研究不利水文条件下的河床冲淤变化情况。模型计算条件不仅要考虑天然情况下的水沙过程，同时还要考虑可能发生的最不利的水沙条件。本次搭建了长江口南支水域潮流泥沙数学模型。计算结果表明：

1）系列年条件下，扁担沙南侧主槽仍将呈现冲刷态势，工程线位主要冲刷部位与平常水沙年、洪水年一致。规划扁担沙工程不会对工程河段整体冲淤格局造床显著影响。

2）在平常水沙年及洪水年（百年一遇、三百年一遇）影响下，工程线位在下扁担沙右缘以南水域（包括南支河段主槽）河床冲刷仍将在 0.3～1.5m，在下扁担沙窜沟水域冲刷约在0.5～1.0m，在新桥水道冲刷约在0.3～1.0m。系列年条件下，在下扁担沙右缘以南水域（包括南支河段主槽）河床冲刷约在1.0～3.0 m，在下扁担沙窜沟水域冲刷约在1.0～3.0m，在新桥水道冲刷约在1.0～3.0m。

3）综合考虑 2015 年以来多年河床冲淤特征及模型河床冲淤预测结果，确定工程线位最大冲深位于宝山北锚地，最大冲深值 6.9m。线位位于新桥水道次之，最大冲深值可达5.7m。其后依次为：宝山主航道及南岸～宝山航道水域，最大冲深值分别达5.5m 及4.9m；下扁担沙滩体最大冲深值为4.3m；线位宝山航道及扁担沙右缘水域的最大冲深分别为3.8m 及 3.5m；宝山南锚地最大冲刷为 2.9m；下扁担沙窜沟及下扁担沙窜沟南侧滩体最大冲刷均为 2.3m。考虑到线位深槽自2010年存在南北横向摆动，从线位安全角度考虑，该段深槽摆动区以最大冲刷 6.9m 控制，结合历史包络线确定的综合的水深包络线如图5所示。

4 整体物理模型

本次模型试验采用变态模型，根据工程特点及试验条件，选择合适的模型比尺。定床模型试验研究范围上起徐六泾，北支下至青龙港，南支下至青草沙水库尾部，干流全长82km，其中徐六泾节点段长约 15km，南支干流全长约 67km，北支全长约 15km。动床模型试验模拟范围上起白茆口，下至长江口南支的吴淞口、北支的牛棚港，干流全长约58km。由于试验目的主要为研究预测不利水沙条件下工程附近河床的冲淤变化趋势，分析线位附近的极限冲刷，确定未来隧址线位的断面极限冲刷包络线。选择 +2m等高线作为定、动床的分界线。

动床模型试验成果表明，在2016—2020年（循环 4次）+百年一遇水沙年+三百年一遇水沙年试验条件下，现状工程条件下，工程线位断面最深点相对冲深约7.8m，冲刷后最深点高程约-34.3m，最深点位置横向摆幅为 640m；考虑规划工程实施后，工程线位断面最深点相对冲深约8.0m，冲刷后最深点高程约-34.5m，最深点位置横向摆幅为 800m。现状工程条件和规划工程工况实施后，新桥水道冲刷后最深点高程分别为-18.7m 和-18.8m，位置均贴左岸，位置横向摆幅在 100m 以内。从起始地形、河演包络线、数模包络线、物模包络线对比图来看，物模成果下包络线基本能涵盖河演包络线，如图6所示。

5 线位极限冲刷深度分析

为合理地确定拟建管廊工程所在断面的河床冲淤值，根据河势分析成果、潮流泥沙数学模型成果以及整体物理模型试验成果，进行统计和比较分析。从工程安全的角度出发，拟建管廊断面沿线极限冲深值采用物理模型和潮流泥沙数学模型的较大值。经统计，宝山南航道极限冲深值为4.9m，宝山北航道的极限冲深值为8.0m，宝山北锚地的极限冲深值为7.2m，新桥水道的极限冲深值为5.7m。线位极限冲刷综合包络线如图7所示。

6结论与建议

6.1 结论

本文基于河势专题、整体物理模型试验专题和潮流泥沙数学模型等专题研究，对比分析各专题的成果，提出拟建管廊线位断面的极限冲深值和最大水深包络线，为管廊设计埋深和航道通航条件影响评价提供技术参考。主要结论如下：

（1）管廊线位历史最低点高程为-31.6m，出现在 2010 年南支主槽内。1958 年以来，线位最深点高程均出现在南支主槽内，最深点高程变化范围为-14.5～-31.6m；线位附近区段（上、下游 4km 范围）最深点高程亦均位于南支主槽，最深点高程在-17.6～-32.9m 之间。

（2）物理模型试验成果表明，在 2016—2020年（循环 4 次）+百年一遇水沙年+三百年一遇水沙年试验条件下，考虑规划工程实施后，工程线位断面最深点位于宝山北航道，最大冲深约 8.0m，最大水深值为-34.5m；宝山北锚地的最大冲深值为 7.2m，最大水深值为-34.9m；新桥水道的最大冲深值为3.7m，最大水深值为-18.8m；宝山南航道的最大冲深值为3.2m，最大水深值为-17.7m。

（3）潮流泥沙数学模型成果表明，综合考虑 2015 年以来多年河床冲淤特征及模型河床冲淤预测结果，确定工程线位最大冲深位于宝山北锚地，最大冲深值为 6.9m，最大水深值为-34.9m；宝山北航道的最大冲深值为5.5m，最大水深值为-38.5m；新桥水道的最大冲深值为5.7m，最大水深值为-19.4m；宝山南航道的最大冲深值为4.9m，最大水深值为-19.1m。

（4）综合数物模成果，拟建管廊断面沿线极限冲深值分别为：宝山南航道极限冲深值为4.9m；宝山北航道的极限冲深值为8.0m；宝山北锚地的极限冲深值为7.2m，新桥水道的极限冲深值为5.7m。

（5）最终的拟建管廊工程线位的最大冲深段位于宝山北航道内，最大水深为-38.5m，其横向摆幅约为 800m；宝山北锚地的最大水深为-34.9m；新桥水道的最大水深为-19.4m；宝山南航道的最大水深为-19.1m。拟建管廊工程线位的最大水深包络线可完全涵盖历史水深。

6.2建议

未来长江入海泥沙将长期维持在较低水平，工程河段河床微冲调整的趋势仍将延续，为确保管廊工程自身结构的稳定及运行安全，建议工程施工及运行期开展监测分析工作，以便及时采取措施。

参考文献

[1] 赵维阳，胡勇，张胡．长江下游过江隧道工程河段极限冲刷深度研究[J]．水运工程，2023（01）.

[2]张东，潘雪峰，张鹰．基于可见光遥感测深技术的长江口南支河段河势演变规律研究[J]．海洋学报（中文版），2008（02）．

[3]杜德军，王晓俊，成泽霖，贾梦豪，闻云呈．长江口白茆沙河段南强北弱格局变化特征研究．人民长江人，2023 （02）．

作者简介：

黄勇，硕士，高级工程师，从事电力水文气象勘测设计工作，（E-mail）2544@ecepdi.com，15221977326

（以下不排）

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