楊 華,王汝凱, 韓西軍, 解鳴曉

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州 510230)

圖1 港珠澳大橋總平面圖 圖2 沉管安放示意圖Fig.1 Planar layout of the HKZM Bridge Fig.2 Placement of the immersed tube

圖3 島隧布置示意圖Fig.3 General layout of the immersed tube tunnel

港珠澳大橋是我國的“世紀工程”，采用橋、島、隧相結合的形式(見圖1)，海底隧道采用沉管工法進行(見圖2)，自西向東分別為E1～E33管節(jié)(見圖3)，基槽開挖水深達30～40 m，是當今世界上最難的海底隧道工程，沉管對接被譽為“深海之吻”。基槽床面的平整度是沉管對接的地形基礎。在E1～E14管節(jié)的安放過程中，基槽內泥沙回淤較小，管節(jié)安放相對順利。2014年11月，在E15節(jié)管節(jié)的浮運安裝過程中，基槽內出現(xiàn)了異常的泥沙淤積現(xiàn)象，管節(jié)安裝工作被迫中止，嚴重制約了建設進度，造成了巨大的經濟損失。

為保障海底隧道建設的安全、順利實施，找到基槽發(fā)生異?；赜俚膬仍谠颍タ四嗌郴赜俚碾y題成為重中之重。港珠澳大橋位于伶仃洋海域，在珠江大型河口灣的復雜動力影響下，水沙條件本就極為復雜，加之沉管基槽最大深度超過40 m，動力環(huán)境與普通的港口、航道挖槽存在巨大差異。目前，對深水基槽內的水沙特征缺乏資料支撐，相關研究尚屬國際空白。其次，沉管施放窗口期僅為15 d左右，現(xiàn)有泥沙回淤預報的時、空尺度較大，不能實現(xiàn)對基槽內淤積實現(xiàn)精細化、高效的預警，必須研發(fā)全新的預警預報技術。

隧道工程建設工期極為緊張，攻克基槽內的泥沙回淤問題已迫在眉睫。鑒于以上背景，中交第四航務工程勘察設計院有限公司、天津水運工程科學研究所、南京水利科學研究院和中山大學等多家權威單位共同組成了聯(lián)合攻關組，針對沉管基槽出現(xiàn)的泥沙淤積現(xiàn)象，開展了大量、自主的創(chuàng)新研究工作，全面攻克了基槽泥沙回淤問題，保障了隧道的安全、快速和順利施工。目前，港珠澳大橋沉管隧道已全面貫通，證實研究成果是成功的，顯著提高了我國的工程泥沙學科水平，并可為其它類似工程提供絕佳的參考依據(jù)。

本文中系統(tǒng)性總述了攻關組圍繞港珠澳大橋沉管隧道基槽泥沙回淤問題的研究歷程、研究內容，并重點介紹了主要的創(chuàng)新性工作。

1 國內外研究現(xiàn)狀及存在問題

(1)深基槽淤積測量精度相對較低。

港珠澳大橋海底隧道施工中，對沉管對接處的地形平整度要求極高，在對應淤泥容重1.26 t/m3的條件下，泥沙回淤不得超過4 cm，精確測量泥沙回淤厚度成為控制沉管施放的重要閾值。目前，國內外在對地形測量方面精度最高的為多波束回聲掃測。由于基槽水深平均在30 m以上，最深處可達46 m，底部存在浮泥現(xiàn)象，多波束測量基于聲學理論和船舶動態(tài)測量，地形測量精度為0.2 m左右，誤差較難精確控制在厘米量級，同時由于床面淤泥具有較大密度梯度，對聲學反射的交界面選取存在一定潛在誤差，亟待提高現(xiàn)有精度。

(2)深基槽淤積預報缺乏經驗。

對挖槽淤積的預報，國內外一般采用經驗公式、物理模擬、數(shù)值模擬等手段。由于沉管基槽開挖深度遠大于一般的港池、航道水深，且坡度可達1:5～1:2.5，槽內水動力泥沙結構復雜性超過港池航道。因此，以往基于港池航道回淤的經驗公式不能直接應用，物理模擬在深基槽邊坡處的“比尺效應”將進一步放大，影響了預測精度。在數(shù)值模擬方面，由于基槽內存在顯著的次生渦旋、槽內螺旋流系等細部動力過程，對數(shù)值模擬的分辨率和計算效能提出了更高的要求，目前國內外未見針對此類地形條件下的三維精細化模擬案例。

(3)回淤預報精度與實際需求存在較大差距。

以往對挖槽回淤的研究著眼于長時間尺度，采用代表潮、浪的方式對年際淤積進行模擬，至多模擬一場風暴過程條件下的泥沙驟淤，在有大量實測資料驗證的基礎上，預報精度一般在分米量級。對沉管施放而言，沉管沉放至基床后的晾曬時間在10～15 d左右，淤積閾值僅為4 cm，對泥沙淤積的時、空預報精度必須達到逐日、厘米級。目前，國內外尚未達到這一水平，是對泥沙回淤預報理論的重大考驗。

(4)回淤預報響應的時效性較低。

隧道工期極為緊張，沉管預制、窗口晾曬、最終沉放必須“一氣呵成”。在泥沙回淤預報中，必須做到高時效性，做到“提供數(shù)據(jù)的當天便要給出7 d內的預報結果”這一響應速度?；畚挥谥榻谙掠蔚暮涌趨^(qū)，同時受珠江復雜河網和伶仃洋水沙環(huán)境的雙重影響，特別是汛期徑流、海上風浪等參數(shù)時刻變換，隨機性強，又有陸架水和沖淡水的影響，對如此高效的預報響應速度提出了近乎嚴苛的要求。目前，國內外回淤常規(guī)預報技術均無法達到這一標準。

基于以上分析，對港珠澳大橋沉管基槽泥沙回淤問題的研究，是一個全新的課題，目前在資料獲取、理論分析和模擬技術方面均是一個空白，亟待突破。

2 創(chuàng)新性研究工作總述

面向以上背景，研究核心點主要包括3個方面：(1)收集現(xiàn)場資料“大數(shù)據(jù)”，深刻了解基槽水域的水沙特征；(2)通過多種手段綜合分析，明晰基槽異?；赜僭颍?3)發(fā)展高精度、高時效性的基槽回淤預警預報技術，以下分別闡述。

2.1 開展了“大數(shù)據(jù)”現(xiàn)場測量

本項研究的現(xiàn)場測量項目包括：多波束地形測量、回淤盒淤積物厚度及容重測量、固定點含沙量測量、基槽內外斷面含沙量巡測、基槽縱橫斷面ADCP走航流速流向測量、底質泥沙取樣分析、柱狀泥沙取樣分析、基槽內淤積物容重測量、基槽內懸沙取樣分析、采沙船調查、內伶仃島東北側至基槽含沙量巡測、大范圍底質泥沙取樣分析等[1]。

圖4 三個階段固定含沙量測量位置示意Fig.4 Locations of the fixed SSC measurement stations of three phases

(1)固定點含沙量測量。

2014年12月20日～2015年3月31日，在E15～E20沉管間1 km范圍內布置4個座底固定站(見圖4)，進行含沙量定點連續(xù)觀測，自動測量中層(0.6H)、0.8H和底層(海床上0.4 m、1.0 m)的逐時含沙量。2015年4月1日～12月31日，同時進行3個固定站的含沙量測量，其中4月1日～7月3日為1#、2#和7#，7月4日～12月31日為2#、7#和9#(見圖4左圖)。 2016年1月1日～2017月4月30日，同時進行2個固定站的含沙量測量(見圖4右圖)。

(2)含沙量巡測。

5-a 2014.12-2016.3 5-b 2016.4-2017.4圖5 含沙量巡測路線示意圖Fig.5 The SSC mobile survey route

為掌握內伶仃島北側采砂區(qū)至基槽水域沿程的含沙量變化，開展了含沙量巡測工作，從2014年12月開始，一直持續(xù)到2017年5月，即沉管全部沉放為止。巡測長度20 km，沿程布設24個測站，測站間距在500～1 500 m間(見圖5)，測量項目包括含沙量、流速、流向、粒度、溫度和鹽度。含沙量測量層次分別為2 m以上平均水深處、2 m以下每0.2 m設一層，共12層。溫度和鹽度分別測取表層、中層、底層共三層。含沙量巡測在采砂區(qū)開放期每天巡測一次；在關閉期：每3 d巡測一次，碎石基床鋪設期間每2 d巡測一次。從2014年12月～2017年5月總計巡測了452次。

(3)發(fā)展了回淤盒監(jiān)測手段。

圖6 潛水員準備下水作業(yè) 圖7 回淤盒實驗照片F(xiàn)ig.6 Preparation of the underwater Fig.7 Photography of the sedimentation operation sample box

本項目創(chuàng)新采用了現(xiàn)場回淤盒法，由潛水員放置在基槽床面上(見圖6)，由鋼架固定。取回至實驗室后，回淤盒內泥沙先量測初始厚度值，然后攪拌均勻，再靜水沉降密實24 h后，進行一系列試驗，得到最終的淤積厚度、泥沙粒徑和淤積物容重等重要數(shù)據(jù)(見圖7)。該方法測量精度可達毫米級。

(4)基槽內多波束回淤監(jiān)測。

為突破現(xiàn)有多波束測量的精度瓶頸，選擇大型專用測量船，采用船底安裝換能器減小安裝角度變化帶來的誤差，通過對各設備位置精確校準，消除相對位置偏差。同時，通過測深波束開角設定研究及聲速剖面模型構建，修正聲速變化引起的測深誤差，利用數(shù)據(jù)信號融合方法提高多波束測深精度，針對影響測深精度的因素，持續(xù)系統(tǒng)開展了誤差分析、參數(shù)優(yōu)化、比對訓練，提高多波束測深精度達到厘米級。

2.2 厘清了沉管基槽異常回淤的原因

基于以上“大數(shù)據(jù)”現(xiàn)場水沙實測資料，結合多因素分析手段對沉管基槽發(fā)生異常回淤的原因開展了分析[2-6]：

(1)采砂活動調查。

2015年1月6、7、8日在內伶仃島附近分別進行3次現(xiàn)場調查工作，發(fā)現(xiàn)洗沙導致該水域出現(xiàn)與伶仃洋天然水沙環(huán)境截然不同的高含沙的渾水帶(見圖8)，表層含沙量達0.6～2.5 kg/m3，遠高于基槽水域正常含沙量(一般在0.1 kg/m3以內)，懸沙中值粒徑0.031～0.05 mm，與基槽異?；赜傥镄再|一致。

圖8 內伶仃島北側采砂實拍照片F(xiàn)ig.8 Photographs of the sediment mining around Neilingding Island

(2)衛(wèi)星遙感影像分析。

根據(jù)大量衛(wèi)星遙感影像分析(圖9)，采砂引起的渾水帶表層含沙量0.6 kg/m3以上，形態(tài)呈“梭狀”分布；落潮期間渾水帶南端可向基槽運移。從懸沙運動趨勢及泥沙來源角度，定性判斷高含沙渾水落潮階段對基槽淤積影響較大。

圖9 衛(wèi)星遙感表層含沙量平面分布Fig.9 Surface SSC distribution according to satellite remote photographs

(3)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)2015年采砂狀態(tài)發(fā)生的變化情況(2月10日～4月30日關閉；5月1日～5月14日恢復；5月15日至年底關閉)，對比采砂前、后多次含沙量巡測資料、固定測站含沙量資料和基槽回淤盒實測淤積厚度資料(圖10～圖11、表1)，表明采砂造成的渾水下切是基槽異?；赜俚闹饕?。

圖10 不同采砂時期巡測含沙量對比Fig.10MobilesurveyedSSCcomparisonsbetweendifferentsedimentminingphases圖11 不同采砂時期固定站含沙量對比Fig.11FixedstationmeasuredSSCcomparisonsbetweendifferentsedimentminingphases

表1 不同采砂時期基槽回淤數(shù)據(jù)對比Tab.1 Sedimentation data in the tunnel trench corresponding to different sediment mining phases

(4)數(shù)學模型試驗分析。

通過開展大量數(shù)學模型試驗工作，模擬了不同潮型條件下的基槽含沙量變化情況(圖12)，指出在大、中潮作用下，內伶仃島北側采砂引起的高濃度渾水可直接跨越基槽，引起基槽含沙量高達0.22～0.47 kg/m3的增量，小潮對基槽的影響是間接的，可通過“二次搬運”的形式。

12-a 大潮落潮 12-b 中潮落潮 12-c 小潮落潮圖12 典型潮型下采砂引起含沙量增量包絡線Fig.12 SSC increase under the impact of sediment mining

綜合以上分析成果，最終厘清了沉管基槽異常回淤的泥沙來源為內伶仃島北側的采砂活動所致，為政府決策關閉采砂區(qū)提供了依據(jù)。

2.3 提出了基于等效潮差的基槽回淤計算理論

在海區(qū)自然環(huán)境相對穩(wěn)定的前提下，潮流、波浪、徑流等動力條件影響海域含沙量，進而引起基槽淤積。通過現(xiàn)場大量潮差、潮流、含沙量、基槽淤積量等資料分析發(fā)現(xiàn)，工程海域灘面流速與潮差關系明顯。在考慮風浪對淤積的影響時，通過風推算波浪大小，計算波浪引起的底流速，并通過相關分析法將其轉換成“等效潮差”，并與潮流對應的天文潮差進行疊加，來反映波浪潮流對基槽回淤的影響。這一點在徑流方面也是同樣的機理。所謂等效潮差，即將可能影響基槽淤積的關鍵動力因子以“潮差”這一參量的形式體現(xiàn)[7]。定義“波浪等效潮差”和“徑流等效潮差”兩個概念，見式(1)

Re=Rt+Rw+Rd

(1)

式中：Re為等效潮差；Rt為天文潮差；Rw為波浪等效潮差；Rd為徑流等效潮差，即

Re=(1+αw+αd)Rt

(2)

式中：αw、αd分別為波浪等效潮差系數(shù)和徑流等效潮差系數(shù)，可由以下表達式計算

αw=Vwb/Vb

(3)

αd=Vdb/Vb

(4)

式中：Vwb為波浪底部質點平均流速；Vdb為徑流引起的底部流速。

經理論推導，等效潮差與含沙量S、基槽回淤厚度Dep的關系表達式見式(5)～式(6)中所示

S=kρsReβ/ghT2

(5)

Dep

=λReθ

(6)

式中：T為半潮周期；ρs為泥沙密度；h為平均水深；g為重力加速度；k、β、λ、θ分別為經驗系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場固定測站含沙量及回淤盒數(shù)據(jù)推求。在實際預報過程中，根據(jù)實測資料的積累，對以上系數(shù)進行持續(xù)訂正，保障計算的準確性。

圖13 二、三維耦合模型計算網格示意Fig.13 Computation meshes for the 2D-3D coupled numerical model

14-a 落急時刻 14-b 漲急時刻圖14 基槽橫斷面漲落急時刻垂向流矢圖Fig.14 Vertical distribution of the sectional current fields for the tunnel

2.4 自主研發(fā)了二、三維耦合水沙運動數(shù)值模式

網格體系采用無結構三角形與四邊形混合網格體系。在模型計算中，根據(jù)所研究對象的差異性，可開展(1)全域三維；(2)平面二維；(3)垂向二維；(4)二、三維內外域耦合等多種計算形式。在二、三維耦合模型中，采用具有雙曲和諧形式的二維和三維淺水方程，可從數(shù)學角度上避免通量梯度項與底坡項不平衡引起的非物理數(shù)值流動，更加適用于基槽水沙運動模擬[6]。

模擬計算所建立的網格范圍見圖13，其中二維外區(qū)域北側邊界包括珠江口東四口門，南側至外海，包括整個伶仃洋海域，三維內區(qū)域為基槽附近水域，垂向網格劃分達到30層，最小水平網格尺度達到2 m。圖14中示意了所計算的橫跨基槽的垂向流速分布特征，經與現(xiàn)場巡測基槽內部流態(tài)對比[1]，所建模型可很好的反映基槽內的平面、垂向三維“螺旋流”和渦流現(xiàn)象，具有較佳的表現(xiàn)力。

2.5 提出了多因素復合型回淤預警預報模式

圖15 多因素復合型基槽回淤預警預報模型系統(tǒng)流程圖Fig.15 General flow chart for the sedimentation forecasting system

在預警預報過程中，公式計算和數(shù)值模擬兩種方法呈現(xiàn)出“交織”銜接，體現(xiàn)在：式(2)的計算中所需重點參數(shù)由波浪、水流數(shù)值模擬給出；數(shù)值模擬的含沙量初始邊界條件又利用式(5)的結果，極大提高了模擬精度。對潮流形態(tài)較單一的管節(jié)(E15～E32)，重點采用針對性強、響應迅速的經驗公式進行預報，提高時效性；而對島隧結合部處的E33管節(jié)，由于受兩側掩護體的遮擋，在接頭處存在回流現(xiàn)象，條件更加復雜，采用三維數(shù)值模擬方法加以預報。圖15中給出了整個復合型預警預報系統(tǒng)的流程，具體執(zhí)行中采用“三步走”的模式，具體如下：

(1)前期預報。

沉管安裝氣象窗口確定后，碎石基床鋪設前，根據(jù)潮汐、徑流和風況，預報碎石基床鋪設至沉管安放期間未來10～15 d每天的工程水域含沙量和基槽淤積厚度及累計淤積厚度，作為碎石基床鋪設施工的決策依據(jù)。

表2 預警級別對應表Tab.2 Corresponding table of the warning level

(2)中期跟蹤、預警。

在碎石基床裸露期間，逐日跟蹤現(xiàn)場的含沙量、氣象及基槽內泥沙淤積變化，與預測結果進行對比，據(jù)情況進行不同級別的預警，為碎石基床鋪設的繼續(xù)實施或減淤措施等決策提供基本依據(jù)。預警級別分為綠色、黃色、橙色、紅色四級(見表2)。如本期動力～含沙量～泥沙淤積厚度關系曲線發(fā)生變化，將及時調整預報公式(5)～(6)中的相關參數(shù)。

(3)臨近預報。

在沉管浮運前2 d進行最后一次預報，結合最新的氣象、徑流和實測回淤盒、含沙量資料，適時修訂預報數(shù)值進行最終核定，為沉管出塢浮運及安裝決策提供基本依據(jù)。

3 結論

針對港珠澳大橋沉管基槽泥沙淤積問題的需求，開展了大量自主創(chuàng)新性研究，厘清了沉管基槽異?；赜僭?，研發(fā)了高精度、高時效的回淤預警預報系統(tǒng)，保障了E15～E33管節(jié)的順利、安全沉放，取得了巨大的經濟和社會效益。港珠澳大橋沉管基槽的精細化回淤研究為國內外首次，研究成果在基礎理論、模擬技術、預警預報模式等均取得了“開創(chuàng)性”的突破，對我國工程建設的理論具有極大的提升和促進意義，可為其它類似工程提供借鑒。創(chuàng)新性成果可歸納為以下幾點：

(1)開展了現(xiàn)場“大數(shù)據(jù)”觀測，全面掌握了深基槽內的水流、泥沙運動特征，明確了基槽回淤的內在機理。

(2)采用多因素綜合分析手段，揭示了沉管基槽異常淤積泥沙的主要來源和淤積原因為內伶仃島北側采砂活動，為政府決策關閉采砂區(qū)、保障沉管順利沉放提供了重要依據(jù)。

(3)提出了考慮潮汐、波浪和徑流作用共同作用的“等效潮差”理論，建立了等效潮差和底部含沙量、基槽回淤強度的關系式。

(4)自主研發(fā)了二、三維耦合的高精度水沙運動三維數(shù)值模式，實現(xiàn)了大范圍二維、局部三維的同步實時模擬，準確描述了深基槽內的水沙運動過程。

(5)構建了理論公式、數(shù)值模擬相聯(lián)合的多因素、復合型基槽回淤預警預報系統(tǒng)，實現(xiàn)了逐日、厘米級的精細化回淤預報，為沉管安放決策提供了技術支撐。

參考文獻：

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