杭州湾跨海大桥海中平台区海床冲刷特性

2021-07-05王金权李最森史永忠张芝永

水利水运工程学报 2021年3期

王金权，李最森，沈翔，陈健，史永忠，张芝永

(1. 宁波市杭州湾大桥发展有限公司，浙江宁波 315327；2. 浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江杭州 310020；3. 浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州 310020)

近年来随着我国经济的发展，跨海桥梁的建设规模取得了突飞猛进的增长。如我国已建成的港珠澳大桥、杭州湾跨海大桥、胶州湾大桥等。在复杂的海洋水动力条件下，跨海桥梁的桥墩基础局部海床受到三维绕流影响而发生剧烈冲刷[1]，导致桥墩基础裸露过多，降低了桥墩基础的承载能力，严重的则会导致桥梁冲刷破坏。国内外学者调查了一些桥梁损坏原因后发现，桥梁基础冲刷是导致桥墩损毁的主要原因之一。对于桥梁基础冲刷问题，目前相关学者对其进行了系统深入的研究与探索[2-6]，采用的方法普遍是室内物理模型试验和数值模拟方法。但大部分研究主要集中于简单水流波浪条件或者简化桥墩。而在实际工程中，桥墩基础样式和潮流动力条件均较为复杂，且因部分大桥附属结构叠加影响，实际情况下跨海桥梁基础冲刷特征[7]与传统的室内试验或数模研究成果差别较大。如横跨杭州湾海域的杭州湾跨海大桥（图1），在南通航孔以南2 km 位置桥轴线下游侧有一座海中观光平台，配有4 座匝道，海中平台区上游的匝道下部墩群、大桥主墩及海中平台下部结构形成了复杂的墩群结构[8-9]。在其影响下，基础冲刷问题比较突出。鉴于此，本文拟基于多年的海中平台区实测资料，通过对比统计历年地形资料分析海中平台区海床冲刷规律，结合数值模拟结果，揭示复杂墩群结构下的冲刷机理，为杭州湾跨海大桥的桥墩冲刷评估提供技术支撑。

图1 杭州湾跨海大桥地理位置Fig. 1 Location of Hangzhou Bay Sea-Crossing Bridge

1 工程概况及水文泥沙特征

1.1 项目概况

杭州湾跨海大桥北起嘉兴市海盐县郑家埭，南止于宁波市慈溪市丰收闸，正桥长度达36 km，共600 余跨，大桥于2008 年5 月1 日正式通车运行，杭州湾跨海大桥海中平台位于大桥下游南航道桥以南位置，海中平台呈椭圆形，长轴长147.8 m，短轴长99.0 m，采用桩柱一体+梁板结构。海中平台基础采用直径为1.6 m 的钢管桩+填芯混凝土结构。海中平台下游40 m 为观光塔，观光塔基础采用高桩承台。海中平台南侧码头平台尺度62.0 m×10.2 m，采用高桩梁板结构。海中平台与B、C、D、E4 座匝道桥形成了海中的互通立交系统。匝道桥下部构造均采用桩柱体结构，桩基础采用直径2.0 m 的钻孔摩擦桩，上接直径1.8 m 的圆柱墩身[9]，匝道墩最大跨径21 m（图2）。

图2 海中平台桥墩分布Fig. 2 Location of piers around platform area

1.2 潮流

工程海域潮流呈往复流[10]，流向基本与等深线走向一致。整体上涨潮流速大于落潮流速，但涨潮历时要小于落潮历时，涨潮历时约5.28 h，落潮历时6.57 h。根据杭州湾跨海大桥北通航孔、中引桥、海中平台及庵东边滩4 个位置多年潮流测验资料，各垂线平均最大涨潮流速1.74～3.30 m/s，垂线平均最大落潮流速1.67～2.45 m/s。空间分布上，自北向南潮流逐渐增强，位于北通航孔区的流速相对较小，涨、落潮垂线平均最大流速分别为1.74 和1.67 m/s，位于庵东边滩坡脚处的流速最大，涨、落潮垂线平均最大流速分别达3.30 和2.45 m/s。海中平台附近的流速亦较大，其涨、落潮垂线平均最大流速分别达2.72 和2.11 m/s，涨潮流流速占优势。

1.3 海床底质

地质勘查资料表明，杭州湾跨海大桥所在区域海床主要由亚砂土层和淤泥质亚黏土层构成。其中亚砂土层平均层底高程为−17.3 m，饱和，局部含贝壳碎片、夹少量黏性土，天然含水量31%（平均值，下同），密度为1.91 g/cm3，天然孔隙比0.86，水下休止角30°，经颗粒分析可知其粒径在0.005～0.100 mm 范围内的占81.1%。淤泥质亚黏土层平均层底高程为−36.8 m，属高压缩性土，夹亚砂土、粉砂薄层，天然含水量39%，密度为1.80 g/cm3，天然孔隙比1.09，其粒径在0.005～0.100 mm 范围内的约占84.1%，与亚砂土层接近，仅黏性含量稍高一些，该河段河床质较为均匀一致，其平均中值粒径约0.049 mm，根据张瑞瑾细颗粒泥沙起动公式计算，大桥所在海域河床泥沙起动流速为0.7～1.0 m/s（水深10～20 m）。

2 海中平台区局部水动力特征

2.1 模型构造

海床冲刷与水动力特征密切相关[11]，为探究海中平台区海床冲刷机理，首先应用三维CFD 数值模型FLUENT 软件对海中平台及匝道墩局部区域进行了概化模拟计算。模型中将海中平台、主墩、匝道墩均进行了刻画，取建桥前的海床平均地形及相应的平均高潮位以下水深。考虑到该区域涨潮流占优且实测地形资料也表明各墩冲刷坑呈涨潮流占优形态[12]，选用实测最大涨急垂向平均流速2.72 m/s，进行海中平台及匝道墩局部涨潮期的模拟计算。模型水流方向长4 000 m、宽2 000 m、水深11 m，采用非结构化网格进行离散，总网格数180 万。模型下游侧为流速边界，上游侧为自由出流边界，底部边界设置为壁面边界，其他边界均设置为Symmtery 边界。

2.2 流速分布规律

图3 为平均水深位置及其流速分布，可以看出，在海中平台北侧及南侧码头位置流速普遍较大，最大流速约4 m/s，而在海中平台上游侧因处于隐蔽区，其流速普遍较小，部分区域流速在1 m/s 以内。对于南侧匝道墩ZD 系列匝道墩，可以看出ZD 系列匝道墩前沿流速普遍与来流流速接近（图4(a)），仅ZD11 墩附近流速较大。ZD17～ZD22 墩流速普遍较小。对于ZD 系列墩上游的ZB 系列匝道墩，受主墩及ZD 系列匝道墩绕流影响，ZB 系列匝道墩的前沿流速要稍大，特别是ZB～ZB22 墩区域，ZB1～ZB7 墩流速相对稍小些。

北侧下游ZE 系列匝道墩ZE1～ZE3 匝道墩位于海中平台掩护区（图4(b)），流速普遍较小，ZE4～ZE14匝道墩受海中平台绕流影响，墩前流速稍大。ZE15～ZE22 墩因远离海中平台，绕流影响减弱，墩前流速稍小。上游ZC 系列匝道墩，特别是ZC1～ZC14 墩，受下游侧海中平台绕流及主墩绕流影响，其墩前流速普遍大于ZE 墩前流速。而ZC15～ZC22 墩则因处于海中平台掩护区，流速较小。

图3 海中平台区域局部流速大小分布Fig. 3 Distribution of local velocity around platform area

图4 匝道区局部流速大小分布Fig. 4 Distribution of local velocity of the ramp piers area

3 海中平台区海床冲淤

自大桥建成以来，每年均进行了大桥重点桥墩及海中平台区桥墩冲刷地形的跟踪观测。应用建桥前2001 年及建桥后2012—2019 年的水下地形资料对海中平台区海床冲淤情况进行分析。

对于海中平台区的测量，为全方位了解海床情况，设定了矩形测量区域：即桥轴线上下游各1 km、海中平台东西向中心线的南北两侧各500 m。测量范围涵盖了海中平台、上游主桥墩及4 座匝道墩[6]。测量设备采用美国R2Sonic 公司Sonic 2024 多波束测深系统进行全覆盖测量。为保证定位精度，多波束水下地形测量采用基于ZJCORS 的网络RTK 技术进行导航定位。多波束水下地形测量使用QINSy 软件进行导航和数据采集。首先由Applanix POS MV Elite 组合导航系统输出定位、姿态及航向数据给多波束测深系统和数据采集系统，同时将多波束测深系统获取的水下地形地貌数据提供给数据采集系统，并根据POS MV 提供的1PPS 秒脉冲信号进行时间同步并由QINSy 软件记录所有的数据，用于后续处理。为了尽可能捕捉到每年的最低冲刷高程，水下地形观测时间均安排在每年的9 月大潮期。

3.1 海床地形面貌特征

海中平台区域2012 年以来历年实测地形如图5 所示。

图5 海中平台局部海床地形变化（2012—2019 年）Fig. 5 Topographic change around platform area （2012—2019）

可见，由于海中平台及其前端观光塔塔基的阻水，对水流特别是涨潮流造成挤压[12]，南北两侧的水流得到加强，海中平台两侧形成条带状冲刷槽，冲刷槽向上游延伸，呈明显涨潮流占优的冲刷坑。对比2012—2019 年以来各测次海中平台附近海床地形图可见，海中平台两侧冲刷槽形成的−20 m 等高线于2015 年与主墩及匝道墩区的−20 m 等高线贯通，其后基本保持贯通状态。对于−22 m 等高线，北侧自2013 年的66 m延长到了144 m，而南侧从25 m 发展到了245 m。−23 m 等高线在2015 年首先形成于南侧码头前沿，长度约18 m，其后码头形成的局部冲刷坑自2015 年以来有逐年加深和扩大趋势，可能与涨潮流增强有关。从图5 中还可以看出，大桥部分主墩及匝道墩位于南北两侧冲刷槽内，导致部分主墩及匝道墩局部河床高程普遍在−20 m 以下，明显低于周边海床高程。对于海中平台上游侧隐蔽区，特别是ZB 和ZC 系列匝道墩交汇区域，由于海中平台的掩护作用，海床高程普遍高于两侧冲刷槽海床高程。

3.2 海床冲淤变化

建桥后，受桥梁基础的绕流冲刷影响，跨海大桥附近海床将会发生剧烈冲刷，为比较直观了解海中平台区大桥建设对海床冲刷的影响，应用2001 年建桥前该区域水下地形测量资料及2012 年、2019 年建桥后海床地形资料进行冲淤变化分析。图6(a)为2001—2012 年间的海床冲淤图，可见，建桥后大桥上游侧500 m以外区域海床整体淤积，这与大桥所在的澉浦-乍浦海域以往整体淤积的趋势是一致的。但在大桥近区，受跨海大桥整体阻水影响，桥轴线上下游约500 m 范围内海床普遍冲刷1 m 以上，其中海中平台两侧受局部绕流冲刷影响冲刷幅度较大，最大冲刷幅度可达14 m 以上。海中平台上游的部分主墩与匝道墩区域海床也因局部绕流冲刷影响而刷深较多。

图6 海床冲淤Fig. 6 Image of scouring and silting of seabed

以上通过建桥前后地形对比分析了海中平台区大桥建设引起的一般冲刷及局部冲刷影响情况，而建桥后海中平台区海床冲淤变化因大桥的局部冲刷及一般冲刷基本趋于稳定[8]，其海床冲淤逐渐受到宏观海床冲淤的影响。图6(b)为2012—2019 年海中平台区的海床冲淤变化情况。总体而言，建桥引起的一般冲刷及局部冲刷影响基本很小，海中平台附近海床整体呈淤积趋势，平均淤积幅度超过1 m，这主要受整个河段宏观淤积的影响。但在局部区域受海中平台、主墩等局部建筑物的绕流冲刷影响，2012—2019 年期间仍呈现冲刷加剧趋势，特别是海中平台南侧码头前沿位置，但其最大冲刷幅度在3 m 以内，要远小于2001—2012 年的冲刷幅度。

3.3 匝道墩最低高程统计

由前述分析可知，海中平台区部分匝道墩位于冲刷槽内，海床高程较低，且因海中平台区匝道墩为单桩独柱结构，桥墩的冲刷对匝道墩的结构稳定影响较大，因此桥梁管理部门十分重视各匝道墩附近的河床最低高程。根据几次测量资料[7]，统计各墩历史最低高程见图7。对于位于桥轴线下游的ZD、ZE 系列匝道墩，直接受到海中平台绕流冲刷的影响，海床高程略低，ZD 系列匝道墩的ZD1-ZD17 墩海床高程基本为−22～−23 m，而ZD18-ZD22 墩的最低海床高程则因位于海中平台的隐蔽区而略高。ZE 系列匝道墩中间区域即位于海中平台冲刷槽内的匝道墩的海床高程较低，其中ZE10-ZD13 的最低高程低于−24 m，越往两侧匝道墩海床高程略有抬高。

图7 各系列匝道墩历史最低高程统计Fig. 7 Statistical chart of lowest elevation for each series of ramp piers

对于桥轴线上游的ZB 和ZC 系列匝道墩，受到海中平台及大桥主墩绕流冲刷叠加影响。ZB 和ZC 系列匝道墩的海床高程整体来说要比下游侧ZD 和ZE 系列匝道墩海床高程低。ZB 系列墩ZB8～ZB22 墩海床高程普遍在−23 m 以下，其中位于主墩之间区域的ZB14 墩海床高程低至−25 m 以下。ZC 系列匝道墩ZC1～ZC14 墩的海床高程也是普遍在−23 m 以下，其中ZC8～ZC14 海床高程均低于−24 m，最低至−26 m（ZC8）。

3.4 匝道墩最低高程与潮流动力相关性

各匝道墩最低高程与所在墩前流速密切相关，根据前述流速分布情况，提取了各匝道墩的前沿流速，并将其与各墩历史最低高程进行了相关性分析，图8为两者的相关关系图，可以看出基本呈现墩前流速越大，冲刷深度越大，相应的最低高程越低的规律。相比建桥前匝道墩的冲刷深度普遍在6～14 m，其冲刷深度约为匝道墩直径的3～7 倍，远大于以往学者认为的桥墩局部冲刷深度最大约为2.0 倍的桥墩阻流尺度。这说明对匝道墩来说，海中平台较强的局部冲刷效应掩盖了匝道墩自身的局部冲刷效应，是导致各匝道墩最低高程的主要因素[12]。而近年来，随着杭州湾南岸围垦工程的实施，大桥海域潮流动力有逐年增强趋势，这势必会进一步加剧海中平台区的桥墩冲刷，需引起关注。