金塘大桥桥墩冲刷现状分析

张继东,陈星宇,颜永先,范厚彬

(浙江舟山跨海大桥有限公司,浙江 舟山 316000)

金塘大桥桥墩冲刷现状分析

张继东,陈星宇,颜永先,范厚彬

(浙江舟山跨海大桥有限公司,浙江 舟山 316000)

金塘大桥设计阶段采用当时工程海域的地形和潮流状况进行相关计算研究。近些年金塘大桥附近海域现人类活动增强，局部潮流和泥沙动力条件发生了较大的改变，导致大桥附近部分海域及桥墩附近发生了较大的冲刷，对大桥的安全运行产生影响。大桥投入运营后，金塘大桥公司在2011年、2012年对金塘大桥桥墩及附近海床进行冲刷观测，2013年再继续跟踪观测的基础上对三年来的桥墩及海床冲淤变化情况进行了分析。连续3年跟踪观测与分析表明，桥位断面东侧海床的深槽较为稳定，中通航孔西侧有较大冲刷。目前金塘大桥各墩的冲刷坑高程均高于设计冲刷高程值，但部分桥墩富余冲刷深度较小，重点桥段的桥墩需进一步加强观测，需密切关注海床冲刷与局部冲刷的后续发展情况，为大桥的安全运营提供技术支持。

局部冲刷；现场观测；海床断面；冲淤分析

0 引 言

金塘大桥附近海床冲淤及桥墩局部冲刷研究阶段采用的2002年及以前的实测地形及水文泥沙。2002年之前金塘大桥所在的海域海床冲淤较为稳定，但近10年来人类活动增强，导致了该海域冲淤条件的剧烈改变，加之水沙条件变化的影响，大桥水流及泥沙条件及海床地形已出现较大的变化[1]，大桥附近海床及桥墩附近发生了较大冲刷，将影响到大桥的安全运行，因此加强对金塘大桥桥墩桩基冲刷监测和评估分析就尤为重要。

2011年11月，大桥管理部门委托某勘察设计院对金塘大桥桩基冲刷进行了初始状态检测，发现金塘大桥部分大桥桩基附近海底冲刷形成很大的坑穴，平均大小在45 m×90 m范围，深度在3.0～6.0 m。在E56至E74之间，最大冲刷深度9.0 m。个别地方已经非常接近设计的最不利冲刷高程。为进一步了解金塘大桥桩基冲刷实际状态，做好大桥安全运行的管理，根据专家会议精神，在多方征求意见与调研后，于2012年6月底7月初委托某研究院进行了金塘大桥桥墩局部冲刷第二次本底观测，获取了大桥桥墩与海床面在不同季节的冲刷状态。在此基础上，开展了冲刷状况初步分析，探讨了部分桥墩冲刷加剧的原因，梳理各桥段桥墩局部冲刷深度，分析其变化趋势，着重找出桥墩冲刷重点观测的桥梁段。

1 工程概况

1.1 金塘大桥概况

金塘大桥是舟山大陆连岛工程的第五座也是最长的一座跨海大桥，是国家高速公路网甬舟高速公路(G9211)的主要组成部分，双向四车道，设计行车速度为100 km/h。大桥于2005年11月开工建设，2008年7月合拢，2009年12月25日正式运营。大桥位于杭州湾口南部宁波镇海新泓口至舟山金塘岛沥港之间，横跨灰鳖洋，地理位置参见图1。金塘大桥全长21.0 km，其中海上桥梁长18.4 km，由主通航孔桥、东通航孔桥、西通航孔桥、非通航孔桥、浅滩区引桥、金塘侧引桥、镇海侧引桥及接线工程组成。金塘大桥主通航孔跨径布置为(50+70+165+620+165+70+50)m，通航5万吨级海轮，非通航孔桥梁跨径均为50 m，主墩、辅助墩及引桥墩的结构尺寸见图2。

图1 金塘大桥地理位置示意图

图2 金塘大桥主通航孔主墩、过渡墩、引桥墩结构

1.2 大桥附近自然条件

大桥所在灰鳖洋海域平面形态呈喇叭型，下与金塘水道连接，宽度从5 km放宽到21 km，放宽率约为1:1。该海域为杭州湾经金塘水道与外海域相通的潮夕通道，涨潮流由金塘水道进入海区，流向灰鳖洋、杭州湾；落潮流则由杭州湾流经灰鳖洋海区，纳入金塘水道。

金塘水道窄而深，狭窄处宽度约为3 km，平均高程-50 m，最低高程可达-110 m。出金塘水道后，沿西北方向海床渐渐抬高，至灰鳖洋水域宽阔平坦，高程仅-5～-8 m，深水区窄小，且紧贴在大鹏山边缘，-10 m等高线以下的宽度在大桥建之前约3km，大桥建后普遍冲刷，目前桥位断面附近-10 m高程范围向西扩大4.6 km，深水区-12 m以下的宽度仍约为3 km[2]。

经统计镇海站历年最大潮差仅3.67 m,多年平均潮差只有1.76 m，涨落潮历时基本相同。2002年实测桥位轴线上最大涨潮流速1.86 m/s，最大落潮流速2.30 m/s，大、中潮落潮流速一般大于涨潮流速。海域悬沙中值粒径0.004～0.01 mm。大潮涨潮垂线平均最大含沙量可达8.47 kg/m3，平均为1.25～4.75 kg/m3，落潮为10.2 kg/m3，平均为1.22～5.73 kg/m3，落潮期大多数测点的垂线最大含沙量和半潮过程平均含沙量大于涨潮期。桥轴线上金塘山西侧深槽的边坡底质为细砂，其余均为粘土质粉砂。可能冲刷层沿桥轴线方向土样物理力学性质较接近，平均中值粒径0.027 mm，可能冲刷海床土层性质较为一致。

大桥海域主要有潮流冲刷槽、边滩和水下浅滩。冲刷槽自金塘水道始，在水道的西出口分成两股，西股冲刷槽连接甬江出口外游山深潭；东股贴金塘山岸线向北伸展，和大鹏山深潭贯通，尖灭于大鹏山北端。海岸边滩主要存在于灰鳖洋西海岸新泓口一侧，这一带边滩为粘土质粉沙，宽度为1 km至3 km，与杭州湾南岸庵东及海王山边滩形成一体，随着围垦的进行，岸线和边滩逐渐外推。水下浅滩发育于七里屿以北的灰鳖洋海域，水深较浅，地形平缓，略有起伏，为杭州湾口外水下平原的一部分。

图3 大桥周边相关工程

1.3 大桥周边工程

金塘大桥镇海侧有新泓口围垦、泥螺山北侧围垦、新泓口东侧围垦3个较大的围垦工程，如图3所示。新泓口围垦工程位于杭州湾南岸出海口，项目围涂面积约0.74万亩；泥螺山北侧围垦工程位于新泓口围垦工程北部，总面积约1.88万亩；新泓口东侧围垦工程外侧顺堤西部基本沿-2 m等高线布置，并向东逐步过渡至0 m高程，拟围面积约3,600亩。根据以往的工程经验看来，周边重大工程对海床的冲淤会有较大影响[3]。

2 现场观测概况

2.1 海势断面观测情况

鉴于海床变迁对桥墩局部冲刷安全的重要性，必须进行桥轴线附近的海床断面观测。平行于桥轴线两侧各200 m、800 m共布置4条监测断面，按1:2000比例尺进行断面测量，对海势断面进行监测。

2012年7月、2013年6月及2013年11月对4条检测断面共进行了3次断面地形测量。

2.2 桥墩冲刷观测情况

某勘察设计院于2011年10～11月对桥墩及附近水下地形进行测量，某测绘院于2012年7月4日～2012年7月8日以及2013年6月、11月对桥墩及附近水下地形进行测量。

2013年度桥墩局部冲刷跟踪观测和分析，重点关注金塘大桥部分冲刷较严重区段的冲刷情况，测量范围：主通航孔及其以西约5 km范围，覆盖D1～E64桥墩，上下游各100 m，面积约1km2；西通航孔及其以西约2.4 km范围，覆盖F1～G34桥墩，上下游各100 m，面积约0.48 km2。采用多波束测深系统进行观测，测图比例为1:1000。观测频次为：主通航孔及其以西约1km2及西通航孔及其以西约0.48 km2范围内，年内观测2次，分别为6月份与11月份。

图4 断面布设图

2.3 水文观测

潮流为引起桥墩局部冲刷的主要因素之一，潮流大小与桥墩局部冲刷深度密切相关。为获取大桥运行期桥墩局部冲刷基础资料，进行桥墩局部冲刷深度评估研究，在进行桥轴线两侧桥墩局部水下地形跟踪测量的同时，需进行潮流观测。根据测区内实际情况以及周边其他工程的测量情况，本次地形测量期间同期布设的3个测流点精简为1个(及同2012年度的N3点)，N3点连续3天的大中潮潮流观测的同时，进行3个临时潮位站的潮位观测，抄录相关长期潮位站同期1个月的潮位资料。

3 研究任务

在获得跟踪观测水文、局部地形及海势断面资料以后，对比分析金塘大桥桥墩的冲刷状况，利用海床演变分析、数学模型预测等研究手段，综合分析大桥附近流场、潮量的变化及其对桥墩冲刷的影响，评估桥墩冲刷的发展趋势：

(1)金塘大桥桥墩冲刷历年变化、桥墩局部冲刷深度及其可能发展趋势。

(2)通过平面二维潮流数学模型研究手段，分析大桥周边工程的影响和部分桥墩局部冲刷的影响。

(3)对实测冲刷高程与设计高程差距较小桥梁段(桥墩)及冲刷发展速度较快的桥梁段(桥墩)进行风险识别，分析冲刷的原因，在此基础上预测今后的冲刷发展趋势，为桥梁管理提供运行养护的技术依据。

4 桥墩冲刷分析

4.1 桥位附近断面冲淤变化分析

综合桥轴线附近2012年、2013年11月、2013年6月断面河床高程及设计冲刷床面高程，D1断面距离西岸0～7,000 m范围内2012年和2013年测次的床面高程基本一致；7，000 ～11，000 m范围内本年度略有冲刷，冲刷幅度在1 m以内；11,000 ～13,500m范围内本年度略有淤积，幅度在0.5 m以内。14,000 m以东范围内，特别是对桥墩大幅冲刷影响巨大的深槽范围两个年度的床面高程变化甚小； D4断面2012年和2013年测次的床面高程基本一致，略有冲淤；个别地方如距离西岸8,800 m附近位置，冲刷幅度达到约3 m；12，500m以东范围内床面高程变化较小，深槽范围内两个年度的床面高程基本一致；D2断面距离西岸600～13,000 m范围内2013年测次较2012年的床面高程总体上有所冲刷，幅度在0.5 m以内；其余部分两者高程基本一致，13,000 m以东范围内的深槽范围两个年度的床面高程变化极小；D3断面距离西岸600～13,000m范围内2013年测次较2012年的床面高程总体上有所冲刷，幅度在0.5 m以内；其余部分两者高程基本一致,13,000 m以东范围内的深槽范围两个年度的床面高程变化极小，与D2断面的变化趋势总体一致。

根据桥轴线附近断面地形分析，桥位附近的海床面有冲有淤，大部分区段冲淤幅度较小， 局部位置冲刷幅度较大，总体上以冲刷为主。东面深槽的地形高程及主槽位置沿桥轴线方向的变化极小，深槽较为稳定。

4.2 大桥墩周冲淤变化分析

综合分析历年观测资料，各桥墩冲刷的情况分析如下：

(1)沿程各墩自西向东至主通航孔的墩周最大冲深呈递增，从4～5 m增大到10～11 m；主通航孔以东冲深递减，从2.7 ～0.2 m。

(2)主通航孔西侧墩(D4)～主通航孔以西E84墩，约5.3 km范围内墩周冲刷较大；该区段2002年-2011年平均冲刷7.3 ～8.3 m，最大冲刷10～11 m；2002年-2012年平均冲刷7.6～9.5 m，最大冲刷11～12 m。

(3)主通航孔以西1km墩号E7～E64的3.4 km范围内墩周冲深较大；2002年～2012年该区段平均冲深8.9m，最大冲深12 m，离设计冲刷高程区段平均富余为3.6 m；E16墩冲刷最大达12 m，离设计高程仅余0.5 m，-20米线范围约170 m2；E17、E18、E21、E22、E26、E27号墩冲深10.9～11.5 m，富余也只有1～2 m，需加强墩周冲刷防护。

(4)西通航孔以西冲深相对不大为4～5 m，但G2～G34墩周的冲刷高程与设计冲刷高程仅相差1.8～3 m，需加强观测。

(5)2011年10月至2012年7月的墩周冲刷有所加深，主通航孔以西各区段加深的平均值为0.2～0.6 m；主通航孔以东深槽非通航孔墩加深平均为0.3 m；主通航孔主墩D3、D4分别加深3.0 m、1.6 m。

(6)主通航孔以西重点桥段E65～E1、D6～D1、C36～C35，2012年测次墩周床面高程较2011年平均刷深约0.6 m，最大刷深3.4 m；2013年6月测次床面高程较2012年又平均刷深约0.4 m，最大刷深2.2 m；2013年11月测次床面高程较2012年平均刷深约0.5 m，最大刷深1.7 m；2013年两个测次局部有冲有淤，床面高程基本一致。

(7)西通航孔以西重点桥段G36～G1、F4～F1、E148～E147，2012年测次床面高程较2011年平均刷深约0.23 m，最大刷深1.0 m；2013年6月测次床面高程较2012年又平均刷深约0.1 m，最大刷深1.3 m；2013年11月测次床面高程较2012年平均刷深约0.15 m，最大刷深2.3 m；2013年两个测次局部有冲有淤，但总体处于冲刷趋势。

(8)在重点的桥段当中，从2013年测量的床面高程及其与设计冲刷高程的对比可知，桥墩G3、G33、E51、E26、E22的富余冲刷深度在2.0 m以内，G20、E24、E21、E17、E16、E14在1.0 m以内，特别是G20和E16分别只有0.1 m和0.4 m，需要进一步加强观测，关注其局部冲刷的后续发展。

5 结 语

分析研究表明，桥位附近的海床面有冲有淤，冲淤幅度较小，总体上略有冲刷，但个别地方冲刷幅度达到约3 m，东侧深槽的地形高程及位置沿桥轴线方向的变化极小，深槽较为稳定。

主通航孔以西1 km处开始的3.4 km范围内墩周冲深较大，且处于持续冲刷的趋势，富余深度较小；西通航孔以西桥墩冲刷深度相对较小，潮动力较弱，但大部分桥墩墩周的冲刷高程与设计冲刷高程较为接近，且处于持续轻微冲刷的趋势，应继续加强这些区域附近的潮流及桥墩局部冲刷观测，并进行深入分析。

目前金塘大桥各桥墩的冲刷坑冲刷高程均高于设计冲刷高程值，大桥桥墩在冲刷高程上还是处于安全范围内，这些数据及分析也为桥梁安全运营提供了有力的技术支撑。

[1]曾剑，等.浙江省河口海湾泥沙特性研究及其工程应用[R]．杭州：浙江省水利河口研究院科研,2010.

[2]熊绍隆,韩海骞,邱建英,等.金塘大桥动床模型与桥墩局部冲刷研究[R]．杭州：浙江省水利河口研究院,2004.

[3]曾剑,吴修广，等.杭州湾上海水域和长江口外重大工程对浙江水域影响研究[R]．杭州：浙江省水利河口研究院,2011.

Analysis of Local Scour around Piers of Jintang Bridge

ZHANG Ji-dong ,CHEN Xing-yu,YAN Yong-xian,FAN Hou-bin

(Zhejiang Zhoushan Cross Sea Bridge Co. Ltd., Zhoushan 316000,China)

The topographies data and the tidal current conditions that were measured at the same time were used in the design stage of Jintang Bridge. However, the local tidal current and water-sediment conditions are significantly affected by human activity around the bridge and endanger the safety of the bridge, recently. A tracking observation and analysis project was carried out by the bridge management department in 2013, basing on observation data of pier scour and tidal current of the bridge in 2011 and 2012. The results of the project indicate that the scour depth of most piers of the bridge is in the safe range except several piers. These piers should be monitored further and the development of the local scour around the piers should be focused on. This study gives supports to the managements and safety operation of the bridge.

local scour; field observation; seabed section; analysis of siltation

2014-06-21

张继东(1969-)，男，浙江绍兴人，高级工程师，E-mail:Hyyzjh@tom.com。

U442.32

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.03.007

1671-234X(2014)03-0022-05