1 工程概况

   广州市地铁三号线北延段人和地铁隧道工程跨流溪河区段，位于人和拦河坝的下游约130一220 m处，地铁线路与流溪河河道呈40。斜交(图1)。由于地铁隧道工程距离人和拦河坝较近，且隧道顶高程距离河床面只有5一8 m，在大洪水流量下工程位置处的河床极易受到冲刷，对地铁隧道的安全运行产生威胁，需对工程位置河床冲刷情况进行研究分析，并采取适当措施防护川，工程防洪标准按100年一遇进行设计，300年一遇校核。

1. 1 水文特性

    流溪河流域东北为山区，西南为平原，由于特定的自然环境和地形条件，形成暴雨的热力、动力条件较强，由冷锋、台风及高空切变形成的暴雨频次多，强度大，具有明显的季节性，全年降雨量主要集中在4-9月。根据2002年广东省水文局广州分局编制的《流溪河中、下游设计洪水水面线复核》，考虑流溪河、黄龙带水库调节下的流溪河中下游各控制断面设计流量成果，得到人和拦河坝各频率设计洪水见表to由于人和坝下游属于感潮河段，受潮汐影响，各典型流

1. 2 工程地质  

  地铁线所在区间主要为第四系冲积的砂层及豁性土，基岩主要为第三系萃庄村组地层，主要是泥质粉砂岩、泥岩，本区间零星分布有软土层，粉砂质泥岩及泥岩遇水易软化。

1. 3 人和拦河坝运行原则  

  拦河坝的管理运用以确保工程运行安全为目的，控制单宽流量以避免水流集中，降低护坦末流速，使护坦末水流分布均匀，达到坦后水流流态正常且衔接平顺。人和拦河坝调度原则为:①当上游洪水流量口，> 800 m'/、时，电站关闭，拦河坝闸门12孔全开;2500 m'/s}Qi-,800 m'/、时，电站发电，按闸前水位10. 3 m控制闸门开度直至全开;③ 80 m'/s}Qi  <500 m'/、时，电站发电，闸门分别按2,4,6,8,10孔顺序对称开启;.Q }- < 80 m'/s，电站发电，闸门关闭，维持上游正常水位10. 3 m;⑤电站水头小于2. 8  m或流量小于2 ms2 m /s时不发电;船闸在上游水位高于10. 3 m时封闭，不通航。

2 模型制作与设计

2. 1 模型设计

   泵站进水模型采用正态模型，按重力相似准则设计。根据SL 155一95《水工(常规)模型试验规程》的规定，本次试验中根据场地、设备、供水流量以及量测精度等要求，比尺关系见表3}学强度降低。地铁隧道主要穿过中等风化带和微风化带岩层，隧道与河床面之间主要为强风化带岩层和以粗砂、豁土和粉质豁土为主的覆盖层，地质剖面和高程见图to1. 3人和拦河坝    

人和拦河坝紧邻地铁隧道上游，平面布置见图1。人和拦河坝工程规模属大(二)型，工程等级为且等，主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。采用50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。拦河闸布置在河床中央，电站布置在左岸，船闸位于右岸。水闸共12孔，单孔宽10 m，净宽120 m，总宽151. 25 m，闸底板高程5. 00 m，消力池长31. 5m，底高程1. 5 m，海漫长40 m ,抛石防冲槽长11 m，底高程1. 0  m。船闸为充水式船闸，闸室净宽12 m，引航段长40 m ,船闸段长146.5 m，上游引航道及上闸首底板高程为5.0 m,闸室及下闸首底板高程为4. 1 m。电站设轴流式水流发电机组5台，装机容量共2 000 kW2. 2模型制作   

 整体模型模拟拦河坝上游800 m、下游1 200 m，包括了上、下游转弯段及太阳岛，平面误差控制在士2 cm，高程误差控制在士2 mm。枢纽建筑物各部位在安装时，高程采用精细的水准仪进行控制，误差控制在士0. 2  mm。模型制作完毕后，对模型进行了全面校核，并根据校核情况，对误差较大的地形进行了修正，基本达到模型制作精度要求。模型放水流量由矩形薄壁堰量测，水位由固定测针量测，流速由精细的旋桨流速仪施测，冲坑深度采用钢尺和测针量测，流态用数码相机结合人工浮标记录，计算机统计分析试验数据和绘制图表。

    模型沙的选取主要满足起动相似的要求。根据工程附近的地质条件，河床上覆盖层主要为粗砂、豁土和粉质豁土，其抗冲流速为o. 8s一1. o m/s，基岩为强风化破碎岩层，抗冲流速为2. 5 - 3. 0 m/s。试验中针对不同的地层采用分层模拟的方式，覆盖层采用0. 2一0. 4 mm的精煤模拟，通过水槽试验，这种煤粉的起动流速为0. 08一0. 10 m/s，基本满足起动流速相似的要求;基岩采用散粒体进行模拟，根据依兹巴什公式V二((5一7) .俪计算采用1. 8一2. 5  mm的黄沙。

3 试验成果分析

   水闸对下游的冲刷最严重的时候为水闸泄洪时期，根据设计要求，对100年一遇和300年一遇洪水2种工况进行试验，由于河道下游受张落潮影响，为了更安全的评估洪水对下游河床的最大冲刷深度，下游水位采用低潮水位，见表4}

3. 1 流速及动床冲刷

   人和拦河坝下的水流底流速试验结果分布图见图3,40靠近岸边测点的水流流速小，而河道中央的水流流速大，这和前面分析的水流流态一致。100年一遇洪水和300年一遇洪水2种水文条件下的最大流速均出现在水闸下游河道中央约80 m范围处，距离地铁线约30 m，最大流速分别为4. O1 ,4. 18 m/s,2种水文条件下地铁隧道线位置的最大流速分别为3.88,4.04 m/so

   以上流速分布可以看出，下游的各测点的水流流速普遍为3 -4 m/s，大于地铁隧道上强风化岩层和覆盖层的抗冲流速。在这两种设计洪水条件下都会对河道中央河床造成一定程度的冲刷。动床冲刷试验在防冲槽下游3 m(相当于原型300 m)的范围设置动床，冲料采用前述的精煤和黄沙分别模拟覆盖层和基岩，根据规范要求，动床冲刷试验持续时间为每次2 h(相当于原型20 h) o  

  流溪河段地铁线的顶部高程为一5. 1-一4. 7 m，结构安全需要地铁线上覆盖的土层厚度不小于5 m，则在洪水冲刷之后河床底高程不能小于+0. 3 m。图5 ,6为不采取防护措施时的河床冲坑形态，地铁左线前沿的冲刷横剖面见图7}从图中可以看出，2种工况下的冲坑形态基本相近，冲刷坑主要在河道中央，左岸冲刷较浅，右岸略有淤积，随着流量的增大冲刷范围随之增大，300年一遇洪水冲坑已到达地铁线表层位置，此时地铁线上的局部位置的覆盖土层已被冲刷殆尽，地铁表层裸露，需采取措施进行防护。

3. 2 防护方案

3. 2. 1 防护方案 

  根据地铁线前沿的冲坑位置，提出防护方案I见图8,A一A断面为隧道剖面，在地铁线上游2 m处立一面7. 9 m深的垂直混凝土墙，并与水平铺的护坦相接，护坦长214 m、宽25. 6 m，高出地铁线顶4. 1 m o

   采取防护方案I之后的混凝土墙前沿的冲刷横剖面见图9。从图中可以看出，在洪水条件下河床中部80 m长的护坦上覆盖层会回冲刷而露出来，由于有护坦和混凝土墙的刚性防护，可保证地铁线表层足够的土层覆盖，混凝土墙前冲坑较深，但仍高于混凝土墙底高程，没有对混凝土墙根部产生淘刷，100年一遇洪水时护坦后冲刷轻微，而300年一遇洪水时护坦后冲刷范围明显增大，最大冲深点高程达一6. 2 m可见，此防护方案可以保证地铁隧道线的安全。但混凝土连续墙由于受到水流的持续正面冲击，在脉动压力的作用下可能产生微幅震动，对连续墙自身的稳定产生不利影响，且混凝土连续墙和护坦的工程量较大且造价较高，投资估算约为920万元()

3.2.2 防护方案

   防护方案且是在方案I的基础上，即将方案I中的护坦换成40一60 cm的块石，块石厚2 m，块石底下以0. 5 m厚的碎石做反滤(图10)。采取防护方案II之后的混凝土墙前沿的冲刷横剖面见图11。防护方案且的冲刷形态和防护方案I比较相近，由于40一60 cm块石的抗冲流速达4一5 m/s,河床下切之后使得水流流速减小，小于块石抗冲流速，能够保证地铁隧道线的安全，但打混凝土墙仍需采用围堰来进行施工，投资仍较大。

3. 2. 3 防护方案Id  

  防护方案Id为抛石方案，见图12，采用40一60 cm的块石进行防护，抛石顶高程+2. 0  m，块石厚2 m，块石底下以0. 5 m厚的碎石反滤，左线上游抛石20 m，坡度为1: 10，右线下游抛石10 m，坡度为1: 10。采取防护方案Id之后地铁左线前沿的冲刷横剖面见图13。最大冲深点高程一5. 3 m，块石前面的覆盖层被逐渐冲刷之后块石略有下滑，从冲刷剖面图中可以看出，地铁线前沿的河床面高程高于结构安全所需的高度，能够满足结构安全的需要，此方案估算投资为620万元，可见此抛石方案较前述方案I节省。

3.2.4 防护方案1V

   抛石防护需清理河床进行水下施工，为方便施工，将方案l中地铁线上下游做成斜坡的抛石层改成水平。由于河床冲刷主要集中在河床中央大约80 m的宽度内，靠近左岸冲刷较轻，靠近右岸略有淤积，因此考虑只对河床中央集中冲刷的部位进行防护，防护方案W见图14。方案W只对河床中央120 m宽的范围进行抛石防护，抛石顶高程为+2. 5 m ,抛石厚2. 0  m，块石下用0. 5 m厚的碎石做反滤(地铁线位置河床高程绝大部分为2一5 m，局部有深坑，最低为0. 2 m，为减少防护方案对自然河道的影响，结合地下河床底部开挖方量，确定抛石顶高程为+2. 5 m )。采取防护方案W之后的冲坑形态见图16 ,17，地铁左线前沿的冲刷横剖面见图15。从冲刷横剖面图中可以看出，地铁线前沿的河床面高程高于结构安全所需的高度，能够满足结构安全的需要。冲刷最大的断面是位于河床中央，冲刷坑平缓无异常深坑。

    冲刷坑形成并稳定以后，测试了下游的底流速分布，消力池和护坦段水流流速变化不大，但下游河床抛石有消能降低流速作用，100年一遇洪水最大流速由4. O1 m/、下降到2.52 m/s,300年一遇洪水最大流速由4. 18 m/、下降到2. 73m/s，防冲槽下游的冲刷坑和防护方案这一段流速略大一些，一般在2 m/、以上，防护方案下游的流速为1一2 m/s，基本趋于河床的抗冲流速。

   此方案投资估算为280万元，和其他方案相比，方案W工程量和投资较小，同时可达到防护目的，推荐采用方案W。

3. 3 综合分析

   受地形和人和拦河坝工程的影响，人和拦河坝下游水流分布不均，靠近两岸水流流速小，水流集中在河道中央，洪水条件下河道中央的流速达3一4 m/s，大于河床上覆盖层和强风化岩层的抗冲流速。地铁三号线北延段过流溪河段距离人和拦河坝只有130一220 m，动床冲刷试验表明，此位置极易受到冲刷，不防护时冲刷后河床底高程已接近地铁隧道顶高程，不能满足结构安全的需要。通过对多个防护方案进行比选试验，采用混凝土连续墙+护坦的刚性防护方案可以满足要求，但是投资较大，而抛石方案相对经济，且便于施工，推荐采用方案W，对地铁线上河床中央120 m x 49 m的范围进行抛石防护，块石大小为40一60 cm,抛石顶高程2. 5 m ,抛石厚2. 0 m，块石底下用0. 5 m厚的碎石做反滤。

4 结论   

 通过对广州地铁三号线北延段跨流溪河隧道工程进行动床物理模型试验，得到的结论如下。  

  a)人和拦河坝下下游100年一遇洪水和300年一遇洪水2种水文条件下，河床最大流速分别为4. O1 ,4. 18 m/s，地铁隧道线位置的最大流速分别为3. 88 ,4. 04 m/s。河道中央的水流流速为3一4 m/s，大于地铁隧道线上强风化岩层和覆盖层的抗冲流速。

  b)动床冲刷试验表明，地铁隧道线位置极易受到冲刷，不防护时河床冲刷后的底高程已接近地铁隧道顶高程，将暴露隧道顶部。通过对多个防护方案的试验比较，推荐较优方案:对地铁线上河床中央120 m x 49 m的范围进行抛石防护，块石大小为40一60 cm,抛石顶高程2. 5 m ,抛石厚2. 0m，块石底下用0. 5 m厚的碎石做反滤。