桥墩冲淤检测中多波束测深系统结合三维图像声呐的应用

陈晓佳 CHEN Xiao-jia

（上海海洋地质勘察设计有限公司，上海 200120）

0 引言

东海大桥2005 年全线贯通以来，海域近岸水域的动力条件、泥沙运移、沉积过程和地貌演变均较为复杂[1]。近年来长江流域入海砂量逐年减少，东海大桥沿线海域冲淤变化直接影响桥墩桩基的桩基承载能力，掌握桥墩基础冲淤动态变化在确保桥梁安全运营显得尤为重要，而桥墩基础局部冲刷深度是确定基础埋深和保证桥梁运行安全的重要参数。

利用波束测深系统可以通过同时发射和接收多波束来进行水下地形测量，可以实时显示海底地形状况和测量精度。同时配合三维图像声呐，对海底复杂的水下构造物精细绘制，提供清晰、高分辨的水下环境图像。影响墩基局部冲刷因素较多，通过多波束测深系统和三维图像声呐进行水下地形测量能直观反馈桩基冲刷实际情况，对于后期东海大桥后期桩基防护工程提供重要依据，也为类似海上风电、杭州湾大桥等跨海大桥冲刷防护等工程提供水下测量借鉴。

本文主要对多波束测深技术在东海大桥桥墩冲淤检测过程中的应用进行分析探讨，为东海大桥运营和后期桥墩回填施工提供准确、高效的测量数据。

1 依托项目概况

东海大桥是上海市跨越杭州湾北部海域通往洋山深水港的跨海长桥，全长32.5 公里，陆上段约3.7 公里，芦潮港新大堤到大乌龟岛之间跨海段长25.3 公里，大乌龟岛至小洋山岛之间连接段约3.5 公里。全桥设5000 吨级主通航孔三处，10000 吨级主通航孔一处，通航净高40m。

本次对东海大桥跨海段测量在芦潮港新大堤至大乌龟岛段测量起始位置位于PM100 附近，测量结束位置位于PM450 桥墩附近，测区覆盖PM100-PM450 共350 座承台。PM100 以北水域及PM450 以南水域靠近岸边，水深较浅，测量船只无法进入。颗珠山至小洋山段测量起始位置位于PM473，测量结束位置位于PM484，测量区域覆盖PM473-PM484 共11 座承台。扫测完成后对各桥墩轴线左右各200m 范围内进行高程统计，扫测统计范围如图1 所示。

图1 各桥墩高程值统计范围示意图

2 冲淤条件变化

2.1 泥沙输送环境变化

根据2023 年长江水利委员会发布的2022 年度《长江泥沙公报》，2022 年6-10 月长江流域降水量为1961 年以来同期最少，长江流域干支流来水严重偏少，形成流域性严重枯水。长江遭遇百年一遇枯水、中下游输沙量剧减。年输沙量只有6650 万吨。与多年平均值比较，年输沙量量偏小81%[2]。

2.2 沉积动力环境变化

王泽等学者通过2011 年04 月-2020 年12 月共208张高质量GOCI 影像反演获得东海大桥及邻近水域表层悬浮泥沙浓度，从空间变化看，悬浮泥沙浓度在东海大桥两侧存在明显的水平梯度。涨潮时，大桥西侧悬浮泥沙浓度高于大桥东侧。落潮时，大桥东侧悬浮泥沙浓度高于大桥西侧。大桥北侧悬沙浓度高于南部，可能与近岸水浅，再悬浮能力有关。东海大桥建设15 年后研究海域最高悬沙浓度由2013 年950mg/l 变为800mg/l。悬浮泥沙浓度明显减低[3]。

由于受大桥海域泥沙输送大环境改变，泥沙沉积动力变化的双重影响，东海大桥大部分桥墩下部出现了冲刷导致桩基入土深度减少，威胁桥体结构安全。

3 冲淤变化分析

3.1 大桥轴线水域海床面层的冲淤变化分析

东海大桥轴线水域位于杭州湾北部海域，受杭州湾强潮和长江口泥沙运动的牵制，大范围的海床演变比较复杂，另外在东海大桥水下构筑物与水流、泥沙、波浪的相互作用下，大桥轴线水域中的桥墩冲刷坑十分明显，根据今年及多年实测资料，结合长江口和杭州湾北部海区的近期演变，大桥轴线水域海床冲淤变化的主要特征如下：①PM100 号桥墩以北区域：由于长江口南汇边滩向东南淤涨延伸和芦潮港东侧兴建人工半岛，东海大桥轴线滩地水域，目前仍然淤积。2023 年因水深较浅，测量船无法进入，故不做变化分析。②PM100-PM450、PM473-PM484 区域，按照大桥轴线两侧各200m 范围内水域冲刷对比分析，2023 年侧扫显示平均冲刷深度为5.09m，其中只有PM473、PM45、PM481 三处为淤积，其他均为冲刷。同时2002 年-2009 年累计冲深均值为2.0-3.0m。总体趋势大桥海床面水域仍将继续缓慢冲刷。

3.2 大桥桥墩冲刷情况分析

冲刷坑的形成主要是水下桥墩构筑物对水流泥沙运动的作用影响。东海大桥桥墩事由不同大小河形状的钢混凝土承台及簇桩组成。在水流、泥沙动力作用下，形成桥墩冲刷坑也有所不同。本次评价东海大桥从最大冲刷深度、桩周最小高程，断面图以及通航孔区域桥墩等四个纬度进行分析。

3.2.1 桥墩最大冲刷深度

墩台周围河床的最大冲刷深度是各种冲刷综合作用的结果，它直接威胁着墩台基础的安全。桥墩周围最大坑深为在桥墩周围400m×60m 范围内的泥面高程与墩周最小高程的差值。根据2023 年桥墩侧扫数据分析，桥墩周边400m×60m 范围内，相对周边泥面高程的最大坑深范围为0.18～9.1m，最小、最大冲坑深度分别PM476 和PM442，其中PM473、PM475 和PM481 未见有冲刷坑，桥墩周边地形表现为淤积。

监测最大冲坑深度（400m×60m 范围内）范围为0～3m（含3m）的桥墩共有32 个，占比9%；最大冲坑深度范围为3～6m（含6m）的桥墩共有184 个，占比51%；最大冲坑深度范围大于6m 的桥墩共有147 个，占比40%。

2023 年与2019 年相比，相比海床面冲刷深度变化最大的为PM411 号承台，PM411 西侧冲刷深度较2019 年淤积7.2m，东侧较2019 年淤积5.3m。承台较2019 年冲刷较为严重的为PM103 号承台，2019 年PM103 西侧相比海床面冲刷-2.4m，2023 年PM103 西侧相比海床面冲刷-4.6m，冲刷深度增加2.2m。

3.2.2 桩周最小高程

自2009 年以来桥墩桩周最小高程，在-19 以下的警戒点的数量逐年在增加，根据2023 年实测数据，桩基相比海床面冲刷超过6m（不包含6m）承台有159 处，冲刷坑最大冲深在-19m 以下的有207 处，占比78.6%。冲刷坑状况相较2019 年均有所改善，桥墩周边400m×60m 范围内海底地形，最小高程范围为-41.20～-12.05m，分别在PM473和PM100 周边；最大高程范围为-18.80～-1.81m，分别在PM475 和PM443 周边；桥墩周边140m×60m 范围内海底地形，最小高程范围为-35.72～-9.65m，分别在PM474 和PM450 周边。其中PM474 桩周最小高程为-35.72m。

2019 年底至2023 年，持续实施的东海大桥桥墩多度冲刷区域防护工程，工程主要采取将抛填料抛填至核心区桩群内的方式维护东海大桥桩基。实测数据已经显现其效果。其中PM473、PM475 和PM481，2023 年与2019 年数据对比，分别回淤深度为5.88m、1.59m 和3.57m。

3.2.3 桥墩冲刷坑断面图

桥墩周边400m×60m 范围内，相对泥面高程冲淤总量范围为-25495.11 ～6526.69m3（PM440-PM450、PM473-PM484 承台由于近岸，地形变化较大，未纳入统计范围），平均冲淤总量为-9567.73m3，最小、最大冲淤总量分别位于PM428 承台和PM336 承台。从断面图上可以看出，冲刷内部各等深线的范围有些变化，主要是不断冲深，冲刷范围扩大，冲刷量也有所增加。通过多波束侧扫影像图，可以直观看到桥墩周围的冲刷情况，如图2 所示。截取PM225，PM335 号桥墩剖面图可知，PM225 桥墩基础为钢管桩桩，PM335 桥墩基础为钻孔灌注桩。2023 年冲刷深度较2019 年均有所增加，增量分别为2.8%和28%。PM335位于主通航孔处，冲刷量是PM225 的5.4 倍，详见表1。PM225、PM335 桥墩桩周最小深度变化图见图3 所示。

图3 PM225、PM335 桥墩桩周最小深度变化图

3.2.4 通航区域桥墩桩基冲刷情况

东海大桥设置4 处通航孔，分别为K6、K12、K2 副通航孔和主通航孔，通航孔桥墩桩基类型均为钻孔灌注桩。通过对2002 年、2013 年、2014 年、2016 年、2018 年、2020年、2023 年多波束侧扫数据进行分析，截取K6 副通航孔、K12 副通航孔、主通航孔、K24 副通航孔位置的桥墩进行多年桩周最小高程进行统计。

2023 年测量墩周最小高程为大桥轴线两侧各70m 范围内（140m×60m） 的最小高程值。其中PM145-147、PM240-242、PM335-336 主通航孔、PM418-420 部分大桥墩适当扩大统计范围，取轴线两侧各90m、南北方向70m（180m×70m）范围内最小高程；PM472-484 由于海底地形起伏较大，最小高程多位于海底泥面，故统计范围适当缩小，取轴线两侧各40m（80m×60m）范围内的最小高程，以最佳反应墩周的冲刷情况。

通过多次多波束侧扫资料综合对比，4 处通航孔处的桥墩整体持续冲刺。刷坑的大小、方向与水流有关。通过桩周最小高程对比，主通航孔冲刷范围扩大，冲刷量也有所增加，其中PM335、PM337 桥墩冲刷分别增加22.8%、8.7%。2019 年底至2023 年，对部分桥墩冲刷坑实施了围填工程，K24 副通航孔处PM418-PM421 桥墩回淤明显，其中PM421，侧扫数据显示回淤2.09m。

4 三维图像声呐

通过三维图像声呐对水下桩基冲刷掏空程度进行补充测量。截取PM334，PM337 号桥墩三维声呐图像为例如图4 所示，PM334 桥墩周围最小高程为-19.86m，周边泥面高程约为-13.3m，最大冲刷坑深度为6.01m。冲刷坑在东西方向上呈条带状分布，东西方向长约82.3m，在桥墩西侧宽约16.4m，在桥墩东侧宽约12.8m。在桥墩东西侧及中心轴各做剖面线，结果如图4 所示，桥墩轴线剖面线上最小高程点高程为-19.72m。PM337 桥墩周围桥墩周围最小高程为-20.04m，周边泥面高程约为-13.5m，最大冲刷坑深度为6.54m。冲刷坑围绕桥墩呈椭圆形分布，东侧桥墩冲刷坑东西方向长约38.2m，南北方向长约32.2m；西侧桥墩冲刷坑东西方向长约26.7m，南北方向长约35.8m。三维成像声呐对于水下目标物的检测具有高分辨率、高精度等优势，将成为未来水下工程精细测量的重要手段。

图4 PM334，PM337 号桥墩三维声呐图像

5 结论与展望

本文以东海大桥冲淤测量为多年数据综合对比分析，得出如下结论：①查明东海大桥桥墩基础冲淤情况，通过与以往数据对比，准确得到了冲刷和淤积位置，为后期处理提供可靠的数据支撑。2023 年冲刷坑较2019 年相比，桥墩冲刷坑平面位置不变，而冲刷坑内部各等深线的范围有些变化，主要是不断冲深，冲刷范围扩大，冲刷量也有所增加。预计在长江流域来沙偏少的情况下，大桥水域仍将继续缓慢冲刷。关注本项目桥墩周边的冲刷情况，定期进行桥墩周边水下地形的监测，结合连续多年数据，分析冲刷情况变化。②及时对冲坑深度较大、冲刷量较大的桥墩，进行评估或防护处理。③与传统的作业手段相比，多波束测深系统的全覆盖、高精度、高效率测量得到的三维立体模型可以直观、真实地反映水下地形地貌。④三维图像声呐与多波束的结合测量，两者进行印证互补，共同完成水下测量工作，极大地提高了数据的准确性。