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摘要：珠海隧道工程位于磨刀门水道，河道冲刷特点以及工程建成后冲淤演变趋势是建设、设计单位关心的问题。通过收集并分析珠海隧道工程海域水下地形、水文、泥沙和相关水利规划等资料，分析隧址水域现状地形特点、河床冲淤和岸线变化特性，通过河工动床泥沙物理模型试验，分析隧道工程所在河段处于不利边界条件下发生冲刷分布和极限冲刷深度，为合理确定隧道埋置深度提供参考依据。
关键词：隧道；极限冲刷；物理模型试验
在进行水下盾构隧道规划设计时，河道冲刷特点以及工程建成后冲淤演变趋势，是修建水下隧道需要解决的首要问题。河床最大冲刷包括工程引起的局部冲刷和河流自然冲刷2种类型。由于隧道埋设于河床下，并没有对水沙运动形成干扰，因此其冲刷问题主要是第二类冲刷[1]。隧道所在水域河床的极限冲刷深度和覆盖层抗冲刷稳定性是关系到工程设计和安全运行的重要因素。如何确定合理的冲刷深度，是既能保证工程安全又可能减小工程投资的重要问题[2]。张为等[3]考虑三峡水库的影响，对长江下游南京河段过江隧道最大冲刷深度采用数学模型进行研究；杨芳等[4]对珠江三角洲复杂网河区感潮河段最大冲刷进行相关研究，表明水沙条件对河道最大冲刷深度有重要影响。珠海隧道新建工程将横穿珠江河口区磨刀门水道，为确保工程百年使用寿命期间隧道的安全运行，针对隧址附近自然环境、河床特性和水动力特性，开展极端水流动力作用下的冲刷试验，研究拟建工程附近河床冲刷特性，为合理确定隧道埋深提供参考依据。
1工程概况
珠海大桥是连接东部和西部之间的咽喉要道，因早期设计荷载标准偏低，加之与日剧增的交通量，导致大桥承载能力不足。为缓解珠海大道交通压力，拟在珠海大桥南侧新建珠海隧道与珠海大道主线衔接（见图1）。隧道段长度4.5km，全线双向6车道，净高4.5m，设计时速80km/h。其中，过磨刀门水域段采用盾构法施工，长度2.93km。盾构隧道管片结构外径14.5m，采用双管单层的结构形式。磨刀门是西江干流的主要出海口，其泄流量和输沙量均居珠江八大口门之首位，26.6%的径流量由此泄入，是珠江流域的重要泄洪口门。磨刀门原浅海区已形成磨刀门主槽和洪湾水道“一主一支”的河道格局。工程附近水系见图2。盾构隧道工程一般不会对水流及河床产生影响，然而近年来珠江河口上游来沙量减少、河道采砂和航道疏浚引起部分区域河床下切、水位下降和侵蚀基准面降低，进而引起局部河床冲刷，对拟建隧道工程带来安全隐患。本文开展极端水沙动力条件下的隧址附近河床极限冲刷特性研究，以确定合理的隧道顶部标高。
2试验模型
2.1试验范围根据试验场地和河道特征，珠海隧道工程河工物理模型范围为：模型上边界距离隧道工程设计轴线为5.3km、下边界距设计轴线为5.2km，上、下游另设延伸过渡段。模型上边界有2个，分别为隧道设计轴线上游5.3km处磨刀门干流河道和大冲口水闸；模型下边界有2个，分别为隧道设计轴线下游5.2km处磨刀门干流河道和洪湾水道，均为水位控制边界。珠海隧道工程河工物理模型模拟平面范围见图3。
2.2相似条件结合试验场地、供水条件及以往经验，选取物理模型平面比尺为300，根据试验选取的河道范围及比尺条件，确定模型长约42m、宽约12m，模型占地面积约为500m2。相关计算结果表明，当垂直比尺为100，模型能满足水流雷诺数＞1000的要求，可保证模型水流处于阻力平方区内。根据实测地形资料，研究水域内不存在浅滩，河槽平均水深一般在4m以上，模型水深为4cm，满足最小水深＞2cm的要求，模型水流可避免表面张力的影响。珠海隧道工程物理模型比尺统计见表1。
2.3模型验证根据已搜集工程附近水域地形、地质资料，并结合现场勘查和岩芯取样分析，研究隧址附近床砂和基岩的抗冲刷能力，选用合适的模型材料分别对推移质和基岩进行分层模拟。根据隧道工程线位附近水文测验泥沙分析技术总结和地质勘测资料选择合理的模拟材料。开展极限冲刷试验前应进行水动力验证试验。本项目采用隧址附近实测潮位、流速资料（涨急、落急时刻）对所建立的局部物理水动力模型进行验证。以300a一遇、200a一遇和100a一遇典型洪水落急条件下的平面二维水动力数模计算结果对“局部物理模型”进行水动力验证。模型水动力验证试验水文条件见表2。动床泥沙模型冲刷试验选取具有代表性的水文组合。结构安全等级为一级，设计洪水频率为100a一遇、校核洪水为300a一遇，极限冲刷采用300a一遇、200a一遇、100a一遇洪水遭遇最不利的“2005.6洪水”最低潮位水动力条件进行冲刷试验。极限冲刷模型试验采用水文边界条件，见表3。根据清水定床物理模型试验成果，典型水文边界条件下，珠海隧道工程附近水域流态照片见图4。由表4可见，3种水文组合条件下的隧址附近水文特征值相差不大，基本属于同一数量级，3种情况下河床极限冲刷幅度不会有明显差异。从安全性角度出发，本次试验选取300a一遇洪水落急时作为最不利水文组合，重点研究该水动力条件下隧道工程附近的极限冲刷深度和特点。
3冲刷试验成果
在300a一遇洪水遭遇“2005.6”最低潮位条件下，分别进行冲刷时间为3h（相当于原型900h）和4h（相当于原型1200h）的动床试验，观测河床冲刷深度、范围及形态。根据预备试验成果统计，与冲刷3h河床地形相比，模型冲刷4h后河床基本无变化，表明冲刷3h后模型河床极限冲刷已基本稳定。因此，选定3h作为极限冲刷试验控制时间。300a一遇洪水极限冲刷试验后典型断面地形变化见图5，隧址上游、下游线位中轴线所在断面冲刷幅度特征值如下。1）隧址上游线位中轴线西侧、东侧主槽最大冲刷深度分别为3.65m和2.74m，西侧、东侧主槽冲刷试验后最深点高程为-12.80m和-11.48m；隧址下游线位中轴线西侧、东侧主槽最大冲刷深度分别为3.74m和2.95m，西侧、东侧主槽冲刷试验后最深点高程为-12.70m和-11.55m。2）河道整体冲刷形态从横向变化来看，主槽冲刷大于河岸两侧滩地，西槽冲刷幅度略大于东槽，西侧、东侧主槽之间滩地冲刷幅度有限，最大冲刷深度为1m。3）河道冲刷形态从纵向变化看，隧道所在线位东、西侧主槽范围内冲刷幅度较为明显，上、下游河道冲刷形态在纵向上具有一定相似性。
4结语
本文收集并分析珠海隧道工程海域水下地形、水文、泥沙和相关水利规划等资料，分析隧址水域现状地形特点、河床冲淤和岸线变化特性，开展隧址水域水流、泥沙动力运动特性和河床冲淤演变趋势分析。根据清水动床泥沙物理模型试验，分析隧道所在河床海域推移质泥沙、基岩分层岩层的抗冲刷稳定性。在极端洪水动力作用下，开展隧址极限冲刷研究，分析隧道工程所在河段在不利边界条件下发生冲刷分布和极限冲刷深度，为隧道埋深设计提供参考依据。
参考文献：
[1]史英标,鲁海燕,杨元平,等.钱塘江河口对过江隧道河段极端洪水冲刷深度的预测[J].水科学进展,2008,19(5):83-90.
[2]吴门伍,严黎,胡晓张.南宁过江隧道河段极限冲刷深度预测[J].人民珠江,2012,33(1):47-51.
[3]张为,李义天,袁晶.长江下游过江隧道河段最大冲刷深度预测研究[J].水力发电学报,2011,8(4):90-97.
[4]杨芳,何用.广佛过江隧道河段极限冲刷数值模拟[J].人民珠江,2010,31(2):14-18.
作者：郭保和 包鹤立 单位：珠海市轨道交通有限公司 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司
