劉俊厚 王文友 楊柯寧 武海峰

中國石油西氣東輸管道公司 

摘  要：以西氣東輸長(cháng)江口北支管道穿江工程為例，介紹了工程河段水文、泥沙、潮流及河岸等各因素演變趨勢及對工程的影響。建立了長(cháng)江口及工程水域平面二維潮流、泥沙及河床沖淤數學(xué)模型，預測了各因素作用下穿江工程斷面的河床最大沖深，并利用沖淤計算經(jīng)驗公式對工程河段河床最大沖深進(jìn)行了估算,為類(lèi)似工程的沖深研究提供參考。

關(guān)鍵詞：河口水域；徑流潮汐；管道；穿江工程；泥沙數模；沖深 

在河口水域開(kāi)展穿江管道工程的埋深設計，既要確定工程所在河床斷面的最大水深包絡(luò )線(xiàn)，又要確定工程所在水域河床的最大沖深。由于河口水域受徑流和潮汐的雙重影響，河床沖淤的影響因素眾多，河勢變化復雜，如何確定穿江管道的埋深，是工程設計的重點(diǎn)和難點(diǎn)^[1-3]。 

本文以西氣東輸長(cháng)江口北支穿越工程為例，在對該工程穿江段河勢演變分析的基礎上，參考以往相關(guān)研究^[4-10]，采取歷史斷面套繪、潮流、泥沙及河床演變數學(xué)模型計算和經(jīng)驗公式估算等方法，預測了工程的最大沖深，為類(lèi)似工程的沖深研究提供參考。

1 工程河段概況

1.1 河道概況

長(cháng)江口為中國最大和最復雜的河口，自徐六涇以下，分為南支和北支。長(cháng)江口北支輸氣管道穿江工程在江蘇省海門(mén)市和上海市崇明縣之間穿越，該河段寬約3～4 km，河道呈SW-NE走向（見(jiàn)圖1）。

 

圖1  工程穿越河段現狀河勢及工程位置示意圖

 

1.2 水文泥沙條件

1.2.1 來(lái)水來(lái)沙。根據1950～2014年資料，大通站多年平均徑流量約為8 927×10⁸ m³；2011年為特枯水年，年徑流量為6 668×10⁸ m³，是1950年以來(lái)徑流量最小的一年；2012年為豐水年，年徑流量為10 030×10⁸ m³。徑流年內分配不均勻，5～10月為汛期，占全年的70.6％；11月至翌年4月為非汛期，占全年的29.4%。根據1950～2014年資料，大通站輸沙量呈減小趨勢。

長(cháng)江口北支河道是長(cháng)江口“三級分汊、四口入�！钡牡谝患壏帚�，長(cháng)江下泄主流經(jīng)崇明島分流口后，目前只有不到5％的徑流量進(jìn)入。

1.2.2 潮位特征。以附近的青龍港潮位站為代表，實(shí)測最高潮位為4.68 m、最低潮位-2.15 m，平均高潮位1.86 m、平均低潮位-0.82 m（1985國家高程基面），平均潮差2.68 m，平均漲潮歷時(shí)3 h6 min，平均落潮歷時(shí)9 h19 min。

1.2.3 潮流條件。穿江工程水域受潮流作用明顯，潮強流急，漲潮流強于落潮流。歷次水文測驗數據表明，工程水域垂線(xiàn)平均流速漲潮最大近2.3 m/s，落潮最大約1.7 m/s；測點(diǎn)最大流速漲潮最大達2.9 m/s，落潮最大達2.5 m/s。

1.2.4 泥沙條件。北支水域的上游來(lái)沙較小，漲潮含沙量一般大于落潮。歷次水文測驗數據表明，工程水域含沙量較高，漲潮含沙量最大在5.0 kg/m³以上，落潮含沙量最大在4.0 kg/m³以上。水體中的懸沙主要由粘粒粉沙和細砂組成，中值粒徑6.5～35.2μm。

1.3 河道邊界條件

長(cháng)江口北支兩岸曾實(shí)施了多次圍墾，經(jīng)多年相關(guān)工程控制，目前岸線(xiàn)基本穩定。該水域河床床沙主要由粉沙和細砂組成，中值粒徑為15.4～113.0 μm。穿江工程沿線(xiàn)幾乎均被巨厚的第四系疏松沉積物所覆蓋，土層自上而下主要為：粉砂、淤泥、粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂。

2 歷史最大水深包絡(luò )線(xiàn)

2.1 歷史最大水深包絡(luò )線(xiàn)

由于工程處在長(cháng)江口北支青龍港—大新河彎道的彎頂段，受彎道水動(dòng)力條件影響，工程水域深水區靠近彎道凹岸，即北岸側，且彎頂段深潭較多，其水深一般大于-15.0 m。工程穿過(guò)的大洪河東側水域的深潭，其最深點(diǎn)高程為-16.8 m，發(fā)生的年份為1983年和2012年；1997年長(cháng)江洪水后，最深點(diǎn)高程為-16.7 m。

由此可見(jiàn)，穿江工程所在斷面北側的歷史最深點(diǎn)為-16.8 m，南側最深點(diǎn)為-5.3 m�？紤]到穿江工程所在水域的河勢現狀（近期斷面北側沖刷幅度最大為1～2 m）及水動(dòng)力條件（處在彎頂），為確保安全，穿江工程所在斷面北側的最深點(diǎn)在歷史最深點(diǎn)-16.8 m的基礎上應考慮近期的沖刷，加上一定的富裕度，取為-18.0 m；南側水域最深點(diǎn)取為-5.0～-6.0 m。最終得到穿江工程所在斷面的歷史最大水深包絡(luò )線(xiàn)如圖2所示。

 

圖2  長(cháng)江口北支輸氣管道穿江工程斷面歷史最大水深包絡(luò )線(xiàn)分析

2.2最大水深合理性分析

受彎道水動(dòng)力條件影響，而深水靠北岸，且有水深大于-15 m的深潭出現，故經(jīng)過(guò)深潭附近時(shí)所在斷面最深點(diǎn)應參考深潭的水深，即深潭的水深直接決定了穿江工程斷面的最大水深。

在外部條件不發(fā)生較大變化的情況下，深潭的范圍及其水深不會(huì )發(fā)生大的變化，圖2所示的穿江工程斷面北側深潭的水深變化即是如此。同時(shí)，在相同外部條件下形成的深潭形態(tài)及其水深也基本類(lèi)似。為此，本文統計了該河段上、下游5.0 km范圍內局部深潭的最大水深，表明該水域范圍內各深潭的最大水深在-12.9～-16.8 m之間。

因此，將自然條件下穿江工程管線(xiàn)所在斷面北側深潭的最深點(diǎn)取為-18.0 m，南側水域最深點(diǎn)取為-5.0～-6.0 m，基本符合工程所在水域的實(shí)際水深條件及其變化規律。

3  斷面河床最大沖深

3.1 研究方法

在受徑流和潮汐雙重影響的河口水域，受河床邊界條件限制，在其河床處可能存在最大沖刷深度。在穿江管道工程設計中，需考慮此最大沖深深度，以保障工程安全。

為此，建立了長(cháng)江口及工程水域平面二維潮流、泥沙及河床沖淤數學(xué)模型（簡(jiǎn)稱(chēng) 泥沙數模），預測了各因素作用下穿江工程斷面的河床最大沖深，再利用沖淤計算經(jīng)驗公式對工程河段河床最大沖深進(jìn)行了估算，最后就經(jīng)驗公式和泥沙數模的計算結果進(jìn)行了對比分析，給出了穿江工程斷面的河床最大沖深推薦值。

經(jīng)驗公式的研究方法詳見(jiàn)文獻[10]。所建模型的計算范圍及網(wǎng)格如圖3所示，限于篇幅，本文對相關(guān)計算方法和模型的建立、驗證不做詳細介紹。

3.2 影響因素

（1）三峽工程已運行數年，目前長(cháng)江口的來(lái)水、來(lái)沙量基本可代表三峽運行后的情況。

（2）根據《長(cháng)江口綜合整治開(kāi)發(fā)規劃》 ^[11]，工程所在長(cháng)江口北支水域將實(shí)施北支整治工程（見(jiàn)圖1）。其中，上段規劃為疏浚工程，下段規劃為中縮窄工程。這些整治工程的實(shí)施，可能對穿江工程斷面的水深產(chǎn)生一定影響。

（3）長(cháng)江下泄徑流尤其是洪水對工程所在北支水域影響明顯。長(cháng)江口是臺風(fēng)多發(fā)區，其帶來(lái)的風(fēng)暴潮流常引起灘槽泥沙的強烈交換，對穿江工程管線(xiàn)斷面的水深有一定影響。

據此，在預測最大沖深時(shí)，考慮了現階段長(cháng)江來(lái)水來(lái)沙情況、長(cháng)江大洪水和臺風(fēng)風(fēng)暴潮等水文因素的影響，計算了河口造床流量、1998年長(cháng)江洪水期和1997-11號臺風(fēng)期三種水文條件下的取值。

3.3 計算結果分析

利用經(jīng)驗公式估算及泥沙數模計算的穿江工程斷面的最大沖深值見(jiàn)表1。

表1 穿江工程斷面最大沖深值

（1）泥沙數模計算的沖深值比經(jīng)驗公式估算值大，但兩者差距較小。

（2）鑒于泥沙問(wèn)題的復雜性，從安全角度出發(fā)，沖深值取計算結果的較大值，即以泥沙數模的計算結果為準。

（3）綜合分析，穿江工程斷面的最大沖深采用1998年洪水期的計算結果2.92 m，最終推薦最大沖深值取3.0 m。

根據穿江工程斷面的歷史最大水深包絡(luò )線(xiàn)分析結果，結合沖深推薦值，得到穿江工程斷面的最深點(diǎn)高程為-21 m，處在靠近北岸的堤外深潭。

4 研究結論

（1）長(cháng)江口北支目前已演變?yōu)闈q潮流占優(yōu)勢的河段，北支總體的演變方向以淤積萎縮為主，但其衰亡仍然是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程。穿江工程所在河段岸線(xiàn)目前總體穩定，各等深線(xiàn)的變化幅度較小，在現狀邊界條件下，穿江工程河段的整體河勢不會(huì )產(chǎn)生大的變動(dòng)。

（2）自然條件下，穿江工程所在斷面北側深潭的最深點(diǎn)為-18.0 m，南側水域最深點(diǎn)為-5.0～-6.0 m。

（3）利用泥沙數模和經(jīng)驗公式，考慮規劃的北支整治工程及長(cháng)江洪水、臺風(fēng)風(fēng)暴潮等的影響，估算得到穿江工程管線(xiàn)斷面的河床最大沖深值為3.0 m。最終得到穿江工程斷面的最深點(diǎn)高程為-21m，處在靠近北岸的堤外深潭。

 

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作者：劉俊厚，1988年生，男，供職于中國石油西氣東輸管道公司管道工程建設項目部，主要研究方向為輸氣管道工程長(cháng)江穿越航道安全及影響分析。 

《管道保護》2017年第4期（總第35期）