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摘要：珠海隧道工程位于磨刀門水道，河道沖刷特點以及工程建成后沖淤演變趨勢是建設、設計單位關心的問題。通過收集并分析珠海隧道工程海域水下地形、水文、泥沙和相關水利規劃等資料，分析隧址水域現狀地形特點、河床沖淤和岸線變化特性，通過河工動床泥沙物理模型試驗，分析隧道工程所在河段處于不利邊界條件下發生沖刷分布和極限沖刷深度，為合理確定隧道埋置深度提供參考依據。
關鍵詞：隧道；極限沖刷；物理模型試驗
在進行水下盾構隧道規劃設計時，河道沖刷特點以及工程建成后沖淤演變趨勢，是修建水下隧道需要解決的首要問題。河床最大沖刷包括工程引起的局部沖刷和河流自然沖刷2種類型。由于隧道埋設于河床下，并沒有對水沙運動形成干擾，因此其沖刷問題主要是第二類沖刷[1]。隧道所在水域河床的極限沖刷深度和覆蓋層抗沖刷穩定性是關系到工程設計和安全運行的重要因素。如何確定合理的沖刷深度，是既能保證工程安全又可能減小工程投資的重要問題[2]。張為等[3]考慮三峽水庫的影響，對長江下游南京河段過江隧道最大沖刷深度采用數學模型進行研究；楊芳等[4]對珠江三角洲復雜網河區感潮河段最大沖刷進行相關研究，表明水沙條件對河道最大沖刷深度有重要影響。珠海隧道新建工程將橫穿珠江河口區磨刀門水道，為確保工程百年使用壽命期間隧道的安全運行，針對隧址附近自然環境、河床特性和水動力特性，開展極端水流動力作用下的沖刷試驗，研究擬建工程附近河床沖刷特性，為合理確定隧道埋深提供參考依據。
1工程概況
珠海大橋是連接東部和西部之間的咽喉要道，因早期設計荷載標準偏低，加之與日劇增的交通量，導致大橋承載能力不足。為緩解珠海大道交通壓力，擬在珠海大橋南側新建珠海隧道與珠海大道主線銜接（見圖1）。隧道段長度4.5km，全線雙向6車道，凈高4.5m，設計時速80km/h。其中，過磨刀門水域段采用盾構法施工，長度2.93km。盾構隧道管片結構外徑14.5m，采用雙管單層的結構形式。磨刀門是西江干流的主要出海口，其泄流量和輸沙量均居珠江八大口門之首位，26.6%的徑流量由此泄入，是珠江流域的重要泄洪口門。磨刀門原淺海區已形成磨刀門主槽和洪灣水道“一主一支”的河道格局。工程附近水系見圖2。盾構隧道工程一般不會對水流及河床產生影響，然而近年來珠江河口上游來沙量減少、河道采砂和航道疏浚引起部分區域河床下切、水位下降和侵蝕基準面降低，進而引起局部河床沖刷，對擬建隧道工程帶來安全隱患。本文開展極端水沙動力條件下的隧址附近河床極限沖刷特性研究，以確定合理的隧道頂部標高。
2試驗模型
2.1試驗范圍根據試驗場地和河道特征，珠海隧道工程河工物理模型范圍為：模型上邊界距離隧道工程設計軸線為5.3km、下邊界距設計軸線為5.2km，上、下游另設延伸過渡段。模型上邊界有2個，分別為隧道設計軸線上游5.3km處磨刀門干流河道和大沖口水閘；模型下邊界有2個，分別為隧道設計軸線下游5.2km處磨刀門干流河道和洪灣水道，均為水位控制邊界。珠海隧道工程河工物理模型模擬平面范圍見圖3。
2.2相似條件結合試驗場地、供水條件及以往經驗，選取物理模型平面比尺為300，根據試驗選取的河道范圍及比尺條件，確定模型長約42m、寬約12m，模型占地面積約為500m2。相關計算結果表明，當垂直比尺為100，模型能滿足水流雷諾數＞1000的要求，可保證模型水流處于阻力平方區內。根據實測地形資料，研究水域內不存在淺灘，河槽平均水深一般在4m以上，模型水深為4cm，滿足最小水深＞2cm的要求，模型水流可避免表面張力的影響。珠海隧道工程物理模型比尺統計見表1。
2.3模型驗證根據已搜集工程附近水域地形、地質資料，并結合現場勘查和巖芯取樣分析，研究隧址附近床砂和基巖的抗沖刷能力，選用合適的模型材料分別對推移質和基巖進行分層模擬。根據隧道工程線位附近水文測驗泥沙分析技術總結和地質勘測資料選擇合理的模擬材料。開展極限沖刷試驗前應進行水動力驗證試驗。本項目采用隧址附近實測潮位、流速資料（漲急、落急時刻）對所建立的局部物理水動力模型進行驗證。以300a一遇、200a一遇和100a一遇典型洪水落急條件下的平面二維水動力數模計算結果對“局部物理模型”進行水動力驗證。模型水動力驗證試驗水文條件見表2。動床泥沙模型沖刷試驗選取具有代表性的水文組合。結構安全等級為一級，設計洪水頻率為100a一遇、校核洪水為300a一遇，極限沖刷采用300a一遇、200a一遇、100a一遇洪水遭遇最不利的“2005.6洪水”最低潮位水動力條件進行沖刷試驗。極限沖刷模型試驗采用水文邊界條件，見表3。根據清水定床物理模型試驗成果，典型水文邊界條件下，珠海隧道工程附近水域流態照片見圖4。由表4可見，3種水文組合條件下的隧址附近水文特征值相差不大，基本屬于同一數量級，3種情況下河床極限沖刷幅度不會有明顯差異。從安全性角度出發，本次試驗選取300a一遇洪水落急時作為最不利水文組合，重點研究該水動力條件下隧道工程附近的極限沖刷深度和特點。
3沖刷試驗成果
在300a一遇洪水遭遇“2005.6”最低潮位條件下，分別進行沖刷時間為3h（相當于原型900h）和4h（相當于原型1200h）的動床試驗，觀測河床沖刷深度、范圍及形態。根據預備試驗成果統計，與沖刷3h河床地形相比，模型沖刷4h后河床基本無變化，表明沖刷3h后模型河床極限沖刷已基本穩定。因此，選定3h作為極限沖刷試驗控制時間。300a一遇洪水極限沖刷試驗后典型斷面地形變化見圖5，隧址上游、下游線位中軸線所在斷面沖刷幅度特征值如下。1）隧址上游線位中軸線西側、東側主槽最大沖刷深度分別為3.65m和2.74m，西側、東側主槽沖刷試驗后最深點高程為-12.80m和-11.48m；隧址下游線位中軸線西側、東側主槽最大沖刷深度分別為3.74m和2.95m，西側、東側主槽沖刷試驗后最深點高程為-12.70m和-11.55m。2）河道整體沖刷形態從橫向變化來看，主槽沖刷大于河岸兩側灘地，西槽沖刷幅度略大于東槽，西側、東側主槽之間灘地沖刷幅度有限，最大沖刷深度為1m。3）河道沖刷形態從縱向變化看，隧道所在線位東、西側主槽范圍內沖刷幅度較為明顯，上、下游河道沖刷形態在縱向上具有一定相似性。
4結語
本文收集并分析珠海隧道工程海域水下地形、水文、泥沙和相關水利規劃等資料，分析隧址水域現狀地形特點、河床沖淤和岸線變化特性，開展隧址水域水流、泥沙動力運動特性和河床沖淤演變趨勢分析。根據清水動床泥沙物理模型試驗，分析隧道所在河床海域推移質泥沙、基巖分層巖層的抗沖刷穩定性。在極端洪水動力作用下，開展隧址極限沖刷研究，分析隧道工程所在河段在不利邊界條件下發生沖刷分布和極限沖刷深度，為隧道埋深設計提供參考依據。
參考文獻：
[1]史英標,魯海燕,楊元平,等.錢塘江河口對過江隧道河段極端洪水沖刷深度的預測[J].水科學進展,2008,19(5):83-90.
[2]吳門伍,嚴黎,胡曉張.南寧過江隧道河段極限沖刷深度預測[J].人民珠江,2012,33(1):47-51.
[3]張為,李義天,袁晶.長江下游過江隧道河段最大沖刷深度預測研究[J].水力發電學報,2011,8(4):90-97.
[4]楊芳,何用.廣佛過江隧道河段極限沖刷數值模擬[J].人民珠江,2010,31(2):14-18.
作者：郭保和 包鶴立 單位：珠海市軌道交通有限公司 上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司
