隧道深基槽回淤预警预报系统研究

韩西军，王汝凯，杨 华

(1.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；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230)

关健词：深基槽；等效潮差；淤积；预警预报

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，连接香港特别行政区、广东省珠海市和澳门特别行政区，是一条具有国家战略意义的世界级跨海通道。港珠澳大桥采用桥梁、人工岛和隧道连接方式，其中海底隧道总长5 664 m，采用沉管法进行施工，基槽开挖水深相对较大，相对挖深30～40 m，设计基槽宽度为41.9 m。

港珠澳大桥深海隧道的对接是整个工程最难的部分，也是当今世界上最难的海底隧道工程，被工程界称之为与神九和天宫一号太空对接比肩的“深海之吻”。

面对一个月只能找到1～2个可以作业、台风季节可能会几个月不能作业的“气象窗口”条件，以及创世界之最的基槽开挖和碎石基床铺设精度要求，对基槽回淤预警预报系统的研究也提出了苛刻的要求—快速反应、计算时间应精确到天、基槽泥沙淤积厚度预报精确度必须达到厘米级。

图1 隧道基槽海域动力环境Fig.1 The dynamic environment of the tunnel basement

1 基槽附近水沙环境及地貌特征

(1)港珠澳大桥位于伶仃洋湾口、大濠水道北部，远离珠江入海口门，同时避开了珠江入海泥沙向南输送的主要通道，含沙量远低于东四门，珠江径流输沙对基槽泥沙淤积影响很小[1]。

(2)基槽附近水域涨落潮流基本呈往复运动，沿伶仃航道深槽内各站流速较大，浅滩流速稍小。

(3)含沙量分布呈现西侧浅滩高于东侧深槽，落潮大于涨潮的特点。涨潮含沙量介于0.026～0.057 kg/m3之间，平均值为0.042kg/m3，落潮含沙量介于0.024～0.131 kg/m3之间，平均值为0.049 kg/m3。

(4)港珠澳大桥工程附近海床地貌呈“两槽夹一滩”之势[2-3](图1)。E15管节以西的基槽处于伶仃水道深槽，上层低盐含沙的河口混合水浮托外送，底部受高盐、少沙的陆架水入侵控制，不利于泥沙落淤；同时伶仃水道高盐陆架水上溯在铜鼓浅滩西缘形成一个锋面[4]，阻滞了铜鼓浅滩向西淤涨，并驱动水沙向东输移，致使基槽西部泥沙环境优于东部[5]。因而伶仃水道深槽长期处于稳定状态，基槽西部回淤相对较小。

(5)E15管节以东的基槽处于铜鼓浅滩南部滩尾，受河口冲淡水和浅滩下泄泥沙的直接影响，铜鼓浅滩尾部淤积南移，处于有利于泥沙落淤的水动力泥沙环境中[6]，特别在冬、春季，受潮流和东向风浪等的作用，铜鼓浅滩泥沙再次起动扩散，可直接影响E15管节以东基槽区域[7]，基槽淤积相对较大[8]。

2 基槽回淤预警预报系统

2.1 预报模式的建立

在海区自然环境相对稳定的前提下，潮流、波浪等动力条件影响海域含沙量，而含沙量又决定了基槽的淤积大小。通过现场大量的潮差、潮流、含沙量、基槽淤积量等资料分析发现，基槽水域滩面流速与潮差关系明显[9](图2)，滩面流速与含沙量关系明显[10](图3)，按照相关分析法，我们建立了等效潮差与含沙量关系曲线(图4)以及潮差与基槽淤积关系曲线(图5)，通过等效潮差可以较好测算出基槽淤积的大小。在考虑风浪对淤积的影响时，通过风推算波浪大小，计算波浪引起的底流速，并转换成等潮差，并与潮流对应的潮差进行线性叠加，最终采用“等效潮差”来反映波浪潮流对泥沙的影响。

图2 工程水域潮差与落潮流速关系Fig.2 The relationship between tidal range and ebb flow velocity图3 含沙量与流速的关系(+涨潮、-落潮)Fig.3 The relationship between sediment concentration and velocity

图4 等效潮差与含沙量的关系Fig.4 The relationship between tidal range and sediment concentration图5 基槽淤积与等效潮差的关系Fig.5 The relationship between silting and tide range

波浪产生的底流速采用《港口与航道水文规范》(JTS145-2015)附录T中T.0.4-24公式进行计算，具体公式(以下简称公式1)如下

(1)

式中：ub为波浪底流速，m/s；H为波高，m；L为波长，m；T为周期，s；d为水深，m。

2.2 径流及波浪影响因素数值模拟

(1)每日收集珠江上游河道实测径流资料及港珠澳大桥附近未来7 d海洋环境预报数据。其中径流资料包括珠江上游马口站、三水站和博罗站流量数据，海洋环境预报数据主要包括工程区附近每日2时、8时、14时、20时的风向、风速、阵风等数据。

(2)利用数学模型，计算上游河道径流变化对基槽附近流速的影响，将该结果转换成等效的潮差值，并叠加到潮汐预报的潮差中，以获得每日的等效潮差数据。

(3)利用数学模型，计算工程区附近的波浪分布及波浪底流速变化(底流速计算见公式1)，将该结果转换成等效的潮差值，并叠加到潮汐预报的潮差中，以获得每日的等效潮差数据。

3 预警预报系统的运行流程

(1)前期预报。在沉管安装气象窗口、沉管基槽整平及安装期间海上施工计划初步确定后，研究分析该期间的潮汐、风浪预报和前期径流及含沙量等变化，进行碎石基床泥沙淤积计算，在预判会上汇报前期预报结果，为碎石基床铺设决策提供基本依据(见图6)。

(2)中期跟踪、预警。跟踪及预警：整平船进场开始铺设碎石基床后，逐日跟踪现场的含沙量、气象径流及基槽内泥沙淤积变化，并根据情况进行不同级别的预警，为碎石基床铺设的继续实施或减淤措施等决策提供基本依据。

(3)临近预报。在沉管浮运前2 d，根据本期的实际跟踪情况，对前期预报值进行适当调整，对下一步基床清淤提出建议，提交确认报告。

图7 E24基床前期预报及跟踪曲线Fig.7 The curve of prediction and tracking

4 预警预报系统实际运作情况

以E24管节为例，对本预警预报系统的运作及效果作一简要介绍。

我们于2015年12月8日作出E24管节碎石基床泥沙淤积的前期预报(碎石基床逐日泥沙淤积预报结果见图7)，并提交前期预报报告。总经理部经综合分析气象窗口和泥沙淤积预报结果，决定从2015年12月9日开始铺设碎石基床。从该日开始，逐日跟踪各项数据变化，并将每日跟踪及预警日报提交总经理部。每日碎石基床泥沙淤积跟踪结果见图7。

根据碎石基床泥沙淤积逐日跟踪情况，于12月17日提交了临近预报(确认报告)。

(1)本次基槽回淤预报方法是基于基槽现场淤积实测资料经相关分析所得，经E15～E23管节十次沉放过程中的基床淤积验证是正确的，又经12月9日～16日E24管节基槽多波束扫测资料和回淤盒的观测资料检验是合理可信的。

(2)本次临近预报给出E24管节碎石基床2015年12月10日0时至12月20日23时平均累计淤积厚度为：容重按1.26 t/m3计，0.080～0.086 m；容重按1.15 t/m3计，0.148～0.158 m。

(3)根据五工区12月10～15日多波束及回淤盒逐日测量结果，E24碎石基床淤积基本正常。但近日径流及风浪较大，建议根据基床回淤监测情况，加大潜水扰动减淤措施，以保证E24碎石基床淤积厚度控制在设计要求范围以内。

E24管节12月20日浮运，21日顺利完成沉放和对接安装。

5 结论

(1)针对工程附近海域的水动力和泥沙环境，抓住了影响泥沙淤积的主要因素，提出了“等效潮差”理论，极大程度简化了计算过程，本预警预报系统可在2 h内得出计算结果，达到了能够快速反应的目的；(2)采用本研究创立的公式，利用逐日的潮汐、风浪及径流预报数据作为计算参数，本系统计算时间可精确到天，基槽泥沙淤积厚度预报精确度达到厘米级；(3)港珠澳大桥沉管隧道基槽泥沙淤积预警预报系统进行了E15～E33管节共19个管节的基槽泥沙淤积预警预报，从预报后碎石基床泥沙淤积实测结果的跟踪曲线来看，每次的泥沙淤积预报都是成功的，本系统得到了实际工程的检验。