摘要：

關(guān)鍵詞：極限沖刷；整體物理模型；潮流泥沙數(shù)學(xué)模型；河勢(shì)分析

0 引 言

在進(jìn)行過江管廊的規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，最大埋深是關(guān)鍵參數(shù)之一^[1]。如果設(shè)計(jì)埋深值偏小則難以保證管廊工程的安全，而埋深過大則一定程度上增加了工程難度、工作量乃至工程投資。為確保電力GIL管廊過江的安全，并盡可能減輕工程難度，降低工作量，節(jié)省投資，需合理確定管廊線位水域部分的沿程埋深。本文基于河勢(shì)專題、整體物理模型試驗(yàn)專題和潮流泥沙數(shù)學(xué)模型專題的研究成果，研究極端水文條件下及系列水文年條件下，工程線位附近河床極限沖刷深度和最大水深包絡(luò)線，研究成果為應(yīng)急拋錨貫入深度專題、航道通航條件影響評(píng)價(jià)報(bào)告通航尺度論證、工程設(shè)計(jì)等提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

1 工程概況

擬建管廊工程位于長(zhǎng)江南支瀏河口附近，江中分別下穿長(zhǎng)江南北主江堤、新橋水道、下扁擔(dān)沙沙體、寶山北錨地、寶山北航道、深水航道延伸段、寶山南錨地和寶山南航道（如圖1所示），所涉及水域的河槽形態(tài)復(fù)雜，洲灘易變，河勢(shì)變化敏感，受上游長(zhǎng)江來水來沙、外海天文潮汐、長(zhǎng)江口一系列人為工程等因素的影響，影響因素非常復(fù)雜。如何合理地確定擬建管廊工程的極限沖刷深度是一個(gè)難點(diǎn)。

為了研究擬建工程河段在不同頻率水文條件下水位、流速、流態(tài)、沖淤變化和最大沖刷包絡(luò)線等，并考慮目前的河勢(shì)情況及長(zhǎng)江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃、長(zhǎng)江口航道發(fā)展規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃實(shí)施后的影響，開展了河勢(shì)分析、整體物理模型試驗(yàn)研究和潮流泥沙數(shù)學(xué)模型專題。整體物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型均是預(yù)測(cè)水沙運(yùn)動(dòng)和河床演變的重要手段。這兩種模型都必須進(jìn)行某些簡(jiǎn)化與近似，兩者都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將兩者有機(jī)結(jié)合起來，可用以解決單一模型不易解決和不能解決的問題。兩種模型的結(jié)合除能起相輔相成作用外，還能起到互相補(bǔ)充驗(yàn)證的作用。本文基于河勢(shì)專題、整體物理模型試驗(yàn)專題和潮流泥沙數(shù)學(xué)模型專題的研究成果，研究極端水文條件下及系列水文年條件下，工程線位附近河床極限沖刷深度和最大水深包絡(luò)線，研究成果為應(yīng)急拋錨貫入深度專題、航評(píng)報(bào)告通航尺度論證、工程設(shè)計(jì)等提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

2 河勢(shì)演變分析

擬建工程位于長(zhǎng)江河口段，受徑流和潮汐共同作用。河段進(jìn)口有徐六涇節(jié)點(diǎn)段控制，在多年自然演變和人工控制作用下，總體河勢(shì)逐步穩(wěn)定，但局部河床沖淤變化仍然較大^[2]。

2.1近期河段演變總體特征

長(zhǎng)江口南支河道寬淺，河床活動(dòng)性強(qiáng)，盡管實(shí)施了白茆沙整治工程和新瀏河沙護(hù)灘及南沙頭通道限流潛堤工程等，穩(wěn)定了主要分流格局，但受流域來沙減少等因素的影響，南支近期總體呈沖刷態(tài)勢(shì)，河槽容積增加，主要灘槽的沖淤變化仍較為明顯。

2010 年以來，白茆沙南北水道保持“南強(qiáng)北弱”的河勢(shì)格局^[3]，扁擔(dān)沙南沿沖蝕后退、灘面竄溝發(fā)育；期間，七丫口以下南支主流增強(qiáng)、北偏，切割下扁擔(dān)沙尾部南沿，沙尾發(fā)育活動(dòng)沙包（如圖2所示）；此外，新橋通道進(jìn)口持續(xù)淤積，河槽扭曲；新橋水道上段淤積、下段沖刷。

2.2扁擔(dān)沙

扁擔(dān)沙作為南支主槽北側(cè)巨大活動(dòng)沙體，上游連接已圈圍的東風(fēng)西沙、下游深入北港進(jìn)口段、南側(cè)為南支主槽、北側(cè)為新橋水道，平面呈長(zhǎng)條形，尚未進(jìn)行人工控導(dǎo)。在漲落潮流作用下，南支主槽與新橋水道之間的橫向水量交換在扁擔(dān)沙灘面塑造出多條橫向或斜向竄溝，如鴿龍港竄溝、原南門通道等。

2010 年以來，隨著白茆沙南水道的發(fā)展以及太倉(cāng)沿岸圈圍、碼頭建設(shè)等“岸線”的外推，下扁擔(dān)沙南沿沖刷、中低灘侵蝕北退，七丫口以下南支主流增強(qiáng)、北偏，對(duì)應(yīng)區(qū)段的南支主槽北側(cè)沖刷。期間，南門通道淤積萎縮、鴿籠港竄溝及下扁擔(dān)沙灘面竄溝沖刷發(fā)展。同時(shí)，下扁擔(dān)沙沙尾保持“上沖下淤”態(tài)勢(shì)，切割形成多個(gè)活動(dòng)沙包。近一年，鴿龍港竄溝有所展寬，下扁擔(dān)沙灘面竄溝沖刷發(fā)展明顯，沙尾活動(dòng)沙包有所下延，如圖3所示。

2.3演變影響因素分析及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

在上游大洪水發(fā)生概率較小的背景條件下，隨著兩岸岸線和分汊口段邊界的固定，南支河段的總體河勢(shì)格局將更加穩(wěn)定，發(fā)生大河勢(shì)格局變化的可能性較低。

但由于南支河寬仍然較大，河床的沖淤演變?nèi)杂休^大空間。在總體河勢(shì)格局穩(wěn)定的大前提下，若無(wú)采取相關(guān)的人工措施，在南支河段固有水沙特性、北支泥沙倒灌、流域來沙減少和變細(xì)等各種影響因素的共同作用下，未來一段時(shí)間內(nèi)，南支河段內(nèi)的灘槽變化仍將延續(xù)近期的沖淤演變態(tài)勢(shì)，如南支河段總體沖刷、白茆沙南北水道“南強(qiáng)北弱”、南支主流出七丫口后北偏、上扁擔(dān)沙南沿切灘沖刷、下扁擔(dān)沙南沿淤漲南壓、新橋通道縮窄、新橋水道上淤下沖等變化態(tài)勢(shì)仍將持續(xù)發(fā)展。

2.4線位附近歷史最大水深變化

1958—2022 年管廊線位及附近區(qū)段最深點(diǎn)高程統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，線位附近最深點(diǎn)高程達(dá)-32.9m，出現(xiàn)在線位上游4km的南支主槽內(nèi)。

從線位附近最深點(diǎn)高程變化過程來看，南支主槽最深點(diǎn)高程 1958—1973 年略有淤淺；1973—1986 年顯著增深，最深點(diǎn)高程減小至-32.9m（位于線位上游4km的NZ2斷面）；1986—2007年總體淤積抬高；2007—2010年出現(xiàn)短期顯著增深，最深點(diǎn)高程由-24.3m降低至-31.6m（位于線位處的斷面），之后的 2010—2013 年最深點(diǎn)高程有所恢復(fù)；2013年以來總體呈緩慢增深趨勢(shì)，由-25.9m 逐漸減小至-27.9m，如圖4所示。

3 潮流泥沙數(shù)模

為研究在不利水文條件下，管廊線位附近河床的沖深情況，采用平面三維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)工程河段進(jìn)行河床沖淤計(jì)算，并對(duì)斷面附近沖深情況進(jìn)行分析，為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

模型計(jì)算目的是研究不利水文條件下的河床沖淤變化情況。模型計(jì)算條件不僅要考慮天然情況下的水沙過程，同時(shí)還要考慮可能發(fā)生的最不利的水沙條件。本次搭建了長(zhǎng)江口南支水域潮流泥沙數(shù)學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明：

1）系列年條件下，扁擔(dān)沙南側(cè)主槽仍將呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢(shì)，工程線位主要沖刷部位與平常水沙年、洪水年一致。規(guī)劃扁擔(dān)沙工程不會(huì)對(duì)工程河段整體沖淤格局造床顯著影響。

2）在平常水沙年及洪水年（百年一遇、三百年一遇）影響下，工程線位在下扁擔(dān)沙右緣以南水域（包括南支河段主槽）河床沖刷仍將在 0.3～1.5m，在下扁擔(dān)沙竄溝水域沖刷約在0.5～1.0m，在新橋水道沖刷約在0.3～1.0m。系列年條件下，在下扁擔(dān)沙右緣以南水域（包括南支河段主槽）河床沖刷約在1.0～3.0 m，在下扁擔(dān)沙竄溝水域沖刷約在1.0～3.0m，在新橋水道沖刷約在1.0～3.0m。

3）綜合考慮 2015 年以來多年河床沖淤特征及模型河床沖淤預(yù)測(cè)結(jié)果，確定工程線位最大沖深位于寶山北錨地，最大沖深值 6.9m。線位位于新橋水道次之，最大沖深值可達(dá)5.7m。其后依次為：寶山主航道及南岸～寶山航道水域，最大沖深值分別達(dá)5.5m 及4.9m；下扁擔(dān)沙灘體最大沖深值為4.3m；線位寶山航道及扁擔(dān)沙右緣水域的最大沖深分別為3.8m 及 3.5m；寶山南錨地最大沖刷為 2.9m；下扁擔(dān)沙竄溝及下扁擔(dān)沙竄溝南側(cè)灘體最大沖刷均為 2.3m?？紤]到線位深槽自2010年存在南北橫向擺動(dòng)，從線位安全角度考慮，該段深槽擺動(dòng)區(qū)以最大沖刷 6.9m 控制，結(jié)合歷史包絡(luò)線確定的綜合的水深包絡(luò)線如圖5所示。

4 整體物理模型

本次模型試驗(yàn)采用變態(tài)模型，根據(jù)工程特點(diǎn)及試驗(yàn)條件，選擇合適的模型比尺。定床模型試驗(yàn)研究范圍上起徐六涇，北支下至青龍港，南支下至青草沙水庫(kù)尾部，干流全長(zhǎng)82km，其中徐六涇節(jié)點(diǎn)段長(zhǎng)約 15km，南支干流全長(zhǎng)約 67km，北支全長(zhǎng)約 15km。動(dòng)床模型試驗(yàn)?zāi)M范圍上起白茆口，下至長(zhǎng)江口南支的吳淞口、北支的牛棚港，干流全長(zhǎng)約58km。由于試驗(yàn)?zāi)康闹饕獮檠芯款A(yù)測(cè)不利水沙條件下工程附近河床的沖淤變化趨勢(shì)，分析線位附近的極限沖刷，確定未來隧址線位的斷面極限沖刷包絡(luò)線。選擇 +2m等高線作為定、動(dòng)床的分界線。

動(dòng)床模型試驗(yàn)成果表明，在2016—2020年（循環(huán) 4次）+百年一遇水沙年+三百年一遇水沙年試驗(yàn)條件下，現(xiàn)狀工程條件下，工程線位斷面最深點(diǎn)相對(duì)沖深約7.8m，沖刷后最深點(diǎn)高程約-34.3m，最深點(diǎn)位置橫向擺幅為 640m；考慮規(guī)劃工程實(shí)施后，工程線位斷面最深點(diǎn)相對(duì)沖深約8.0m，沖刷后最深點(diǎn)高程約-34.5m，最深點(diǎn)位置橫向擺幅為 800m。現(xiàn)狀工程條件和規(guī)劃工程工況實(shí)施后，新橋水道沖刷后最深點(diǎn)高程分別為-18.7m 和-18.8m，位置均貼左岸，位置橫向擺幅在 100m 以內(nèi)。從起始地形、河演包絡(luò)線、數(shù)模包絡(luò)線、物模包絡(luò)線對(duì)比圖來看，物模成果下包絡(luò)線基本能涵蓋河演包絡(luò)線，如圖6所示。

5 線位極限沖刷深度分析

為合理地確定擬建管廊工程所在斷面的河床沖淤值，根據(jù)河勢(shì)分析成果、潮流泥沙數(shù)學(xué)模型成果以及整體物理模型試驗(yàn)成果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較分析。從工程安全的角度出發(fā)，擬建管廊斷面沿線極限沖深值采用物理模型和潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的較大值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，寶山南航道極限沖深值為4.9m，寶山北航道的極限沖深值為8.0m，寶山北錨地的極限沖深值為7.2m，新橋水道的極限沖深值為5.7m。線位極限沖刷綜合包絡(luò)線如圖7所示。

6結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

本文基于河勢(shì)專題、整體物理模型試驗(yàn)專題和潮流泥沙數(shù)學(xué)模型等專題研究，對(duì)比分析各專題的成果，提出擬建管廊線位斷面的極限沖深值和最大水深包絡(luò)線，為管廊設(shè)計(jì)埋深和航道通航條件影響評(píng)價(jià)提供技術(shù)參考。主要結(jié)論如下：

（1）管廊線位歷史最低點(diǎn)高程為-31.6m，出現(xiàn)在 2010 年南支主槽內(nèi)。1958 年以來，線位最深點(diǎn)高程均出現(xiàn)在南支主槽內(nèi)，最深點(diǎn)高程變化范圍為-14.5～-31.6m；線位附近區(qū)段（上、下游 4km 范圍）最深點(diǎn)高程亦均位于南支主槽，最深點(diǎn)高程在-17.6～-32.9m 之間。

（2）物理模型試驗(yàn)成果表明，在 2016—2020年（循環(huán) 4 次）+百年一遇水沙年+三百年一遇水沙年試驗(yàn)條件下，考慮規(guī)劃工程實(shí)施后，工程線位斷面最深點(diǎn)位于寶山北航道，最大沖深約 8.0m，最大水深值為-34.5m；寶山北錨地的最大沖深值為 7.2m，最大水深值為-34.9m；新橋水道的最大沖深值為3.7m，最大水深值為-18.8m；寶山南航道的最大沖深值為3.2m，最大水深值為-17.7m。

（3）潮流泥沙數(shù)學(xué)模型成果表明，綜合考慮 2015 年以來多年河床沖淤特征及模型河床沖淤預(yù)測(cè)結(jié)果，確定工程線位最大沖深位于寶山北錨地，最大沖深值為 6.9m，最大水深值為-34.9m；寶山北航道的最大沖深值為5.5m，最大水深值為-38.5m；新橋水道的最大沖深值為5.7m，最大水深值為-19.4m；寶山南航道的最大沖深值為4.9m，最大水深值為-19.1m。

（4）綜合數(shù)物模成果，擬建管廊斷面沿線極限沖深值分別為：寶山南航道極限沖深值為4.9m；寶山北航道的極限沖深值為8.0m；寶山北錨地的極限沖深值為7.2m，新橋水道的極限沖深值為5.7m。

（5）最終的擬建管廊工程線位的最大沖深段位于寶山北航道內(nèi)，最大水深為-38.5m，其橫向擺幅約為 800m；寶山北錨地的最大水深為-34.9m；新橋水道的最大水深為-19.4m；寶山南航道的最大水深為-19.1m。擬建管廊工程線位的最大水深包絡(luò)線可完全涵蓋歷史水深。

6.2建議

未來長(zhǎng)江入海泥沙將長(zhǎng)期維持在較低水平，工程河段河床微沖調(diào)整的趨勢(shì)仍將延續(xù)，為確保管廊工程自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及運(yùn)行安全，建議工程施工及運(yùn)行期開展監(jiān)測(cè)分析工作，以便及時(shí)采取措施。

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作者簡(jiǎn)介：

黃勇，碩士，高級(jí)工程師，從事電力水文氣象勘測(cè)設(shè)計(jì)工作，（E-mail）2544@ecepdi.com，15221977326

（以下不排）

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