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。建立了長江口及工程水域平面二維潮流、泥沙及河床沖淤數(shù)學模型，預測了各因素作用下穿江工程斷面的河床最大沖深，并利用沖淤計算經驗公式對工程河段河床最大沖深進行了估算,為類似工程的沖深研究提供參考。

關鍵詞：河口水域；徑流潮汐；管道；穿江工程；泥沙數(shù)模；沖深 

在河口水域開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線，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，是工程設計的重點和難點^[1-3]。 

本文以西氣東輸長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，參考以往相關研究^[4-10]，采取歷史斷面套繪、潮流、泥沙及河床演變數(shù)學模型計算和經驗公式估算等方法，預測了工程的最大沖深，為類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。長江口北支輸氣管道穿江工程在江蘇省海門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（見圖1）。

 

圖1  工程穿越河段現(xiàn)狀河勢及工程位置示意圖

 

1.2 水文泥沙條件

1.2.1 來水來沙。根據(jù)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(jù)1950～2014年資料，大通站輸沙量呈減小趨勢。

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

1.2.2 潮位特征。以附近的青龍港潮位站為代表，實測最高潮位為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3 h6 min，平均落潮歷時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(shù)據(jù)表明，工程水域垂線平均流速漲潮最大近2.3 m/s，落潮最大約1.7 m/s；測點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。北支水域的上游來沙較小，漲潮含沙量一般大于落潮。歷次水文測驗數(shù)據(jù)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

長江口北支兩岸曾實施了多次圍墾，經多年相關工程控制，目前岸線基本穩(wěn)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、粉質黏土、粉土、粉砂。

2 歷史最大水深包絡線

2.1 歷史最大水深包絡線

由于工程處在長江口北支青龍港—大新河彎道的彎頂段，受彎道水動力條件影響，工程水域深水區(qū)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。工程穿過的大洪河東側水域的深潭，其最深點高程為-16.8 m，發(fā)生的年份為1983年和2012年；1997年長江洪水后，最深點高程為-16.7 m。

由此可見，穿江工程所在斷面北側的歷史最深點為-16.8 m，南側最深點為-5.3 m�？紤]到穿江工程所在水域的河勢現(xiàn)狀（近期斷面北側沖刷幅度最大為1～2 m）及水動力條件（處在彎頂），為確保安全，穿江工程所在斷面北側的最深點在歷史最深點-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線如圖2所示。

 

圖2  長江口北支輸氣管道穿江工程斷面歷史最大水深包絡線分析

2.2最大水深合理性分析

受彎道水動力條件影響，而深水靠北岸，且有水深大于-15 m的深潭出現(xiàn)，故經過深潭附近時所在斷面最深點應參考深潭的水深，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，在相同外部條件下形成的深潭形態(tài)及其水深也基本類似。為此，本文統(tǒng)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所在斷面北側深潭的最深點取為-18.0 m，南側水域最深點取為-5.0～-6.0 m，基本符合工程所在水域的實際水深條件及其變化規(guī)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，建立了長江口及工程水域平面二維潮流、泥沙及河床沖淤數(shù)學模型（簡稱 泥沙數(shù)模），預測了各因素作用下穿江工程斷面的河床最大沖深，再利用沖淤計算經驗公式對工程河段河床最大沖深進行了估算，最后就經驗公式和泥沙數(shù)模的計算結果進行了對比分析，給出了穿江工程斷面的河床最大沖深推薦值。

經驗公式的研究方法詳見文獻[10]。所建模型的計算范圍及網格如圖3所示，限于篇幅，本文對相關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(shù)年，目前長江口的來水、來沙量基本可代表三峽運行后的情況。

（2）根據(jù)《長江口綜合整治開發(fā)規(guī)劃》 ^[11]，工程所在長江口北支水域將實施北支整治工程（見圖1）。其中，上段規(guī)劃為疏浚工程，下段規(guī)劃為中縮窄工程。這些整治工程的實施，可能對穿江工程斷面的水深產生一定影響。

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

據(jù)此，在預測最大沖深時，考慮了現(xiàn)階段長江來水來沙情況、長江大洪水和臺風風暴潮等水文因素的影響，計算了河口造床流量、1998年長江洪水期和1997-11號臺風期三種水文條件下的取值。

3.3 計算結果分析

利用經驗公式估算及泥沙數(shù)模計算的穿江工程斷面的最大沖深值見表1。

表1 穿江工程斷面最大沖深值

（1）泥沙數(shù)模計算的沖深值比經驗公式估算值大，但兩者差距較小。

（2）鑒于泥沙問題的復雜性，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(shù)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(jù)穿江工程斷面的歷史最大水深包絡線分析結果，結合沖深推薦值，得到穿江工程斷面的最深點高程為-21 m，處在靠近北岸的堤外深潭。

4 研究結論

（1）長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漫長的過程。穿江工程所在河段岸線目前總體穩(wěn)定，各等深線的變化幅度較小，在現(xiàn)狀邊界條件下，穿江工程河段的整體河勢不會產生大的變動。

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

（3）利用泥沙數(shù)模和經驗公式，考慮規(guī)劃的北支整治工程及長江洪水、臺風風暴潮等的影響，估算得到穿江工程管線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）