刘俊厚 王文友 杨柯宁 武海峰

中国石油西气东输管道公司 

摘  要：以西气东输长江口北支管道穿江工程为例，介绍了工程河段水文、泥沙、潮流及河岸等各因素演变趋势及对工程的影响。建立了长江口及工程水域平面二维潮流、泥沙及河床冲淤数学模型，预测了各因素作用下穿江工程断面的河床最大冲深，并利用冲淤计算经验公式对工程河段河床最大冲深进行了估算,为类似工程的冲深研究提供参考。

关键词：河口水域；径流潮汐；管道；穿江工程；泥沙数模；冲深 

在河口水域开展穿江管道工程的埋深设计，既要确定工程所在河床断面的最大水深包络线，又要确定工程所在水域河床的最大冲深。由于河口水域受径流和潮汐的双重影响，河床冲淤的影响因素众多，河势变化复杂，如何确定穿江管道的埋深，是工程设计的重点和难点^[1-3]。 

本文以西气东输长江口北支穿越工程为例，在对该工程穿江段河势演变分析的基础上，参考以往相关研究^[4-10]，采取历史断面套绘、潮流、泥沙及河床演变数学模型计算和经验公式估算等方法，预测了工程的最大冲深，为类似工程的冲深研究提供参考。

1 工程河段概况

1.1 河道概况

长江口为中国最大和最复杂的河口，自徐六泾以下，分为南支和北支。长江口北支输气管道穿江工程在江苏省海门市和上海市崇明县之间穿越，该河段宽约3～4 km，河道呈SW-NE走向（见图1）。

 

图1  工程穿越河段现状河势及工程位置示意图

 

1.2 水文泥沙条件

1.2.1 来水来沙。根据1950～2014年资料，大通站多年平均径流量约为8 927×10⁸ m³；2011年为特枯水年，年径流量为6 668×10⁸ m³，是1950年以来径流量最小的一年；2012年为丰水年，年径流量为10 030×10⁸ m³。径流年内分配不均匀，5～10月为汛期，占全年的70.6％；11月至翌年4月为非汛期，占全年的29.4%。根据1950～2014年资料，大通站输沙量呈减小趋势。

长江口北支河道是长江口“三级分汊、四口入海”的第一级分汊，长江下泄主流经崇明岛分流口后，目前只有不到5％的径流量进入。

1.2.2 潮位特征。以附近的青龙港潮位站为代表，实测最高潮位为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国家高程基面），平均潮差2.68 m，平均涨潮历时3 h6 min，平均落潮历时9 h19 min。

1.2.3 潮流条件。穿江工程水域受潮流作用明显，潮强流急，涨潮流强于落潮流。历次水文测验数据表明，工程水域垂线平均流速涨潮最大近2.3 m/s，落潮最大约1.7 m/s；测点最大流速涨潮最大达2.9 m/s，落潮最大达2.5 m/s。

1.2.4 泥沙条件。北支水域的上游来沙较小，涨潮含沙量一般大于落潮。历次水文测验数据表明，工程水域含沙量较高，涨潮含沙量最大在5.0 kg/m³以上，落潮含沙量最大在4.0 kg/m³以上。水体中的悬沙主要由粘粒粉沙和细砂组成，中值粒径6.5～35.2μm。

1.3 河道边界条件

长江口北支两岸曾实施了多次围垦，经多年相关工程控制，目前岸线基本稳定。该水域河床床沙主要由粉沙和细砂组成，中值粒径为15.4～113.0 μm。穿江工程沿线几乎均被巨厚的第四系疏松沉积物所覆盖，土层自上而下主要为：粉砂、淤泥、粉土、粉质黏土、粉土、粉砂。

2 历史最大水深包络线

2.1 历史最大水深包络线

由于工程处在长江口北支青龙港—大新河弯道的弯顶段，受弯道水动力条件影响，工程水域深水区靠近弯道凹岸，即北岸侧，且弯顶段深潭较多，其水深一般大于-15.0 m。工程穿过的大洪河东侧水域的深潭，其最深点高程为-16.8 m，发生的年份为1983年和2012年；1997年长江洪水后，最深点高程为-16.7 m。

由此可见，穿江工程所在断面北侧的历史最深点为-16.8 m，南侧最深点为-5.3 m。考虑到穿江工程所在水域的河势现状（近期断面北侧冲刷幅度最大为1～2 m）及水动力条件（处在弯顶），为确保安全，穿江工程所在断面北侧的最深点在历史最深点-16.8 m的基础上应考虑近期的冲刷，加上一定的富裕度，取为-18.0 m；南侧水域最深点取为-5.0～-6.0 m。最终得到穿江工程所在断面的历史最大水深包络线如图2所示。

 

图2  长江口北支输气管道穿江工程断面历史最大水深包络线分析

2.2最大水深合理性分析

受弯道水动力条件影响，而深水靠北岸，且有水深大于-15 m的深潭出现，故经过深潭附近时所在断面最深点应参考深潭的水深，即深潭的水深直接决定了穿江工程断面的最大水深。

在外部条件不发生较大变化的情况下，深潭的范围及其水深不会发生大的变化，图2所示的穿江工程断面北侧深潭的水深变化即是如此。同时，在相同外部条件下形成的深潭形态及其水深也基本类似。为此，本文统计了该河段上、下游5.0 km范围内局部深潭的最大水深，表明该水域范围内各深潭的最大水深在-12.9～-16.8 m之间。

因此，将自然条件下穿江工程管线所在断面北侧深潭的最深点取为-18.0 m，南侧水域最深点取为-5.0～-6.0 m，基本符合工程所在水域的实际水深条件及其变化规律。

3  断面河床最大冲深

3.1 研究方法

在受径流和潮汐双重影响的河口水域，受河床边界条件限制，在其河床处可能存在最大冲刷深度。在穿江管道工程设计中，需考虑此最大冲深深度，以保障工程安全。

为此，建立了长江口及工程水域平面二维潮流、泥沙及河床冲淤数学模型（简称 泥沙数模），预测了各因素作用下穿江工程断面的河床最大冲深，再利用冲淤计算经验公式对工程河段河床最大冲深进行了估算，最后就经验公式和泥沙数模的计算结果进行了对比分析，给出了穿江工程断面的河床最大冲深推荐值。

经验公式的研究方法详见文献[10]。所建模型的计算范围及网格如图3所示，限于篇幅，本文对相关计算方法和模型的建立、验证不做详细介绍。

3.2 影响因素

（1）三峡工程已运行数年，目前长江口的来水、来沙量基本可代表三峡运行后的情况。

（2）根据《长江口综合整治开发规划》 ^[11]，工程所在长江口北支水域将实施北支整治工程（见图1）。其中，上段规划为疏浚工程，下段规划为中缩窄工程。这些整治工程的实施，可能对穿江工程断面的水深产生一定影响。

（3）长江下泄径流尤其是洪水对工程所在北支水域影响明显。长江口是台风多发区，其带来的风暴潮流常引起滩槽泥沙的强烈交换，对穿江工程管线断面的水深有一定影响。

据此，在预测最大冲深时，考虑了现阶段长江来水来沙情况、长江大洪水和台风风暴潮等水文因素的影响，计算了河口造床流量、1998年长江洪水期和1997-11号台风期三种水文条件下的取值。

3.3 计算结果分析

利用经验公式估算及泥沙数模计算的穿江工程断面的最大冲深值见表1。

表1 穿江工程断面最大冲深值

（1）泥沙数模计算的冲深值比经验公式估算值大，但两者差距较小。

（2）鉴于泥沙问题的复杂性，从安全角度出发，冲深值取计算结果的较大值，即以泥沙数模的计算结果为准。

（3）综合分析，穿江工程断面的最大冲深采用1998年洪水期的计算结果2.92 m，最终推荐最大冲深值取3.0 m。

根据穿江工程断面的历史最大水深包络线分析结果，结合冲深推荐值，得到穿江工程断面的最深点高程为-21 m，处在靠近北岸的堤外深潭。

4 研究结论

（1）长江口北支目前已演变为涨潮流占优势的河段，北支总体的演变方向以淤积萎缩为主，但其衰亡仍然是一个漫长的过程。穿江工程所在河段岸线目前总体稳定，各等深线的变化幅度较小，在现状边界条件下，穿江工程河段的整体河势不会产生大的变动。

（2）自然条件下，穿江工程所在断面北侧深潭的最深点为-18.0 m，南侧水域最深点为-5.0～-6.0 m。

（3）利用泥沙数模和经验公式，考虑规划的北支整治工程及长江洪水、台风风暴潮等的影响，估算得到穿江工程管线断面的河床最大冲深值为3.0 m。最终得到穿江工程断面的最深点高程为-21m，处在靠近北岸的堤外深潭。

 

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[11] 水利部长江水利委员会. 长江口综合整治开发规划[ [R]. 武汉: 水利部长江水利委员会, 2008. 

作者：刘俊厚，1988年生，男，供职于中国石油西气东输管道公司管道工程建设项目部，主要研究方向为输气管道工程长江穿越航道安全及影响分析。 

《管道保护》2017年第4期（总第35期）