強(qiáng)潮流作用下橋墩不對(duì)稱“雙腎型”沖刷地貌特征與機(jī)理

陸雪駿，程和琴*，周權(quán)平，姜月華，郭興杰，鄭樹偉，吳帥虎

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200062;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

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強(qiáng)潮流作用下橋墩不對(duì)稱“雙腎型”沖刷地貌特征與機(jī)理

陸雪駿1，程和琴1*，周權(quán)平2，姜月華2，郭興杰1，鄭樹偉1，吳帥虎1

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200062;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

本文在海圖地形資料分析橋軸線附近的海床自然沖刷的基礎(chǔ)上，利用多波束測(cè)深技術(shù)研究大橋主墩附近局部沖刷地形。結(jié)果表明，該大橋橋位附近地形沖刷較顯著，且大橋主墩位置有持續(xù)沖刷的趨勢(shì)；主墩上、下游群樁最大沖刷深度呈上游最深、中部淤積、下游漸深的不對(duì)稱形態(tài)，最大局部沖刷深度為4 m；橋墩整體沖刷坑形態(tài)呈南北“雙腎型”；潮流流向與橋墩迎流面存在偏南的入射角，使得各橋墩南側(cè)的最大沖深和沖刷范圍均大于北側(cè)。

局部沖刷;雙向流;多波束;橋墩;上海長(zhǎng)江大橋

1　引言

橋墩沖刷是橋梁水毀的主要原因之一，所以橋墩沖刷問(wèn)題一直被研究者廣泛關(guān)注。許多學(xué)者[1—7]已對(duì)單向流作用下橋墩局部沖刷做過(guò)研究，研究手段主要有物理模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)字模型及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等。近些年，隨著潮汐河口大型橋梁的涌現(xiàn)，出現(xiàn)了針對(duì)雙向流作用下橋墩沖刷的研究，多數(shù)基于借鑒單向流的沖刷深度計(jì)算公式[8—11]、物理模型實(shí)驗(yàn)[12—16]和數(shù)值模擬的方法[17—20]。模擬實(shí)驗(yàn)雖可以極大程度上地模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，但由于自然因素格外復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法充分體現(xiàn)實(shí)際沖刷現(xiàn)狀。本文依托上海長(zhǎng)江大橋工程，對(duì)該橋軸線水域河床沖淤演變進(jìn)行分析，運(yùn)用多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取主橋墩沖刷形態(tài)實(shí)測(cè)資料，對(duì)維護(hù)上海長(zhǎng)江大橋的安全及雙向流作用下橋墩沖刷的研究有重要意義。

2　河勢(shì)與大橋概況

2.1河勢(shì)概況

上海長(zhǎng)江大橋位于長(zhǎng)江口北港水域，連接著長(zhǎng)興島和崇明島(圖1)。北港為長(zhǎng)江入海的二級(jí)岔道，上接中央沙，下至崇明團(tuán)結(jié)沙，臨近長(zhǎng)江口外，潮汐、水動(dòng)力復(fù)雜，河床泥沙活動(dòng)性強(qiáng)，河床自然沖刷和演變較為復(fù)雜。長(zhǎng)江口自徐六涇以下呈“三級(jí)分叉，四口入?！钡暮觿?shì)格局，其泥沙主要來(lái)自長(zhǎng)江流域，大通水文站多年平均輸沙量為3.93×108t。自20世紀(jì)80年代來(lái)，長(zhǎng)江上流來(lái)沙就呈減小趨勢(shì)。2000-2007年平均輸沙量減少到2.1×108t，2006年受特枯水年影響，輸沙量?jī)H為0.848×108t。

注：海面位于橋墩承臺(tái)圖1　上海長(zhǎng)江大橋工程所在區(qū)域及觀測(cè)站示意圖Fig.1　Location of the Shanghai Yangtze River Bridge and observation station

2.2大橋概況

上海長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)16.55 km，2005年開工建設(shè)，主體結(jié)構(gòu)在2008年貫通，在2009年建成通車，主墩為承臺(tái)群樁結(jié)構(gòu)，迎水面總寬37.2 m，總長(zhǎng)72.2 m(圖2)；主墩跨徑730 m，距離副墩253 m[21]。

圖2　上海長(zhǎng)江大橋主橋墩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure of main pier

3　數(shù)據(jù)采集與處理方法

3.1數(shù)據(jù)采集

多波束測(cè)深系統(tǒng)采集的是高密度條帶水深數(shù)據(jù)，可以對(duì)水下地形進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，課題組于2014年10月運(yùn)用多波束測(cè)深系統(tǒng)(Multibeam Echo Sounder，MBES)對(duì)上海長(zhǎng)江大橋主橋墩附近水域經(jīng)行掃測(cè)以便獲取橋墩局部地形資料。掃測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用Reson SeaBat 7125 SV2多波束配合SMC S-108姿態(tài)傳感器采集，頻率選用400 kHz，波束密度選擇最大512個(gè)、120°條帶寬度，考慮定位精度和穩(wěn)定性的均衡，采用差分衛(wèi)星定位技術(shù)(DGPS)；為了保證對(duì)橋墩及附近底形全覆蓋的測(cè)量要求，按照直線行船路線，在橋墩兩側(cè)依次通過(guò)經(jīng)行掃測(cè)(圖3)；同時(shí)，船速大小控制在5節(jié)以下，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和完整性。主橋墩分為南墩和北墩，單個(gè)主墩又分為北側(cè)和南側(cè)，對(duì)主橋墩樁柱自上游向下游方向編號(hào)(圖4)。掃測(cè)結(jié)合走航式ADCP測(cè)流獲取地形與潮流空間準(zhǔn)同步數(shù)據(jù)，用于輔助局部沖刷分析。利用多普勒剖面流速儀(ADCP)于2011年12月枯季大潮和2012年6月洪季大潮在北港青草沙水庫(kù)北側(cè)(S1)和橫沙東灘北岸(S2)進(jìn)行定點(diǎn)水文測(cè)量(圖1)。

圖3　多波束掃測(cè)行船路線Fig.3　Travel route of measuring

圖4　橋墩樁柱編號(hào)Fig.4　The mark number of pile

3.2數(shù)據(jù)處理方法

首先利用PSD2000軟件對(duì)多波束數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，獲取橫搖(roll)、縱搖(pitch)和艏向(yaw)等參數(shù)[22]。然后進(jìn)行潮位改正，本次測(cè)量橋墩區(qū)域范圍較小，探測(cè)時(shí)間短，潮位變化不大，所以此次測(cè)量采用一站式水位時(shí)差法，利用堡鎮(zhèn)驗(yàn)潮站資料(圖5)內(nèi)插出測(cè)量任意時(shí)刻的水位。隨后利用PDS2000對(duì)數(shù)據(jù)回放和導(dǎo)出，并通過(guò)ARCGIS等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及分析。

圖5　堡鎮(zhèn)站潮位過(guò)程線Fig.5　Time series of tides at Station Baozhen

4　結(jié)果與分析

潮汐河口下橋墩附近的床面形態(tài)在水流、泥沙和風(fēng)浪的相互作用下變化極為復(fù)雜[3]，橋墩會(huì)改變其周圍水流條件，并產(chǎn)生水力現(xiàn)象，引起橋墩周圍泥沙輸移能力增加，導(dǎo)致了其附近床面的沖刷。其主要機(jī)理與橋墩阻水形成的漩渦有關(guān)，包括前部下降水流、墩底馬蹄形漩渦和墩后尾渦有關(guān)[3，23—24](圖6)。下降水流因水流受到橋墩阻擋形成的垂直向下射流，被認(rèn)為是沖刷過(guò)程起因，水流在墩前床面分離形成馬蹄形漩渦，沿著橋墩邊緣向下游傳遞，為橋墩局部沖刷之主要因素[6，25]。水流在橋墩下游側(cè)分離產(chǎn)生不穩(wěn)定、無(wú)序的尾渦，此旋渦產(chǎn)生的低壓漩渦，可將泥沙顆粒卷往水面，使橋墩后方的底床產(chǎn)生落淤堆積現(xiàn)象。

圖6　橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)Fig.6　The surrounding flow field of pier

4.1河床自然沖刷

北港河段上承新橋通道、新新橋通道和新橋水道，下接北港攔門沙河段。隨著工程的實(shí)施，南岸岸線大幅度北移，北岸出口端下延和南移，北港平面形態(tài)由過(guò)去順直微彎演變?yōu)橹姓?，向上、下端展寬的“啞鈴”型[26]。

圖7　上海長(zhǎng)江大橋橋位斷面河床沖淤變化Fig.7　The riverbed erosion and deposition range near the Shanghai Yangtze River Bridge

根據(jù)1977—2013年海圖繪制上海長(zhǎng)江大橋橋位斷面歷年高程圖，如圖7所示，可見(jiàn)自1977—2013年，該橋軸線附近主河槽從偏北演化為偏南，即北淤南沖，沖淤分界點(diǎn)位于距離北岸4～5 km處，南部深泓的垂直最大沖深約為9 m，最低高程達(dá)-14 m。2001年以來(lái)，隨著青草沙水庫(kù)工程的實(shí)施，束窄了北港上段過(guò)水?dāng)嗝?，使北港主槽呈刷深擴(kuò)張之勢(shì)；至2009年，主河槽北側(cè)和南側(cè)均外延了約1 km，且該橋主橋墩所在河床刷深約2 m；至2013年，北港河道向北微彎，使北港主槽南側(cè)發(fā)生淤積萎縮，但主槽北側(cè)繼續(xù)沖刷展寬，導(dǎo)致主墩處地形也繼續(xù)沖深，北橋墩附近河床刷深約為4 m，南橋墩附近河床刷深約為3 m。

綜上所述，上海長(zhǎng)江大橋所在區(qū)域的海床不斷變化，主槽河勢(shì)仍處于調(diào)整之中；該橋位附近的河床面有沖有淤，總體上以沖刷為主；該橋主墩附近地形高程變化較大，有不斷沖深趨勢(shì)。

4.2潮流數(shù)據(jù)

根據(jù)S1和S2兩個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖1)的洪、枯季ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(圖8)，北港基本以落潮優(yōu)勢(shì)為主，計(jì)算其優(yōu)勢(shì)流：優(yōu)勢(shì)流=平均落潮歷時(shí)×平均落潮流速/(平均落潮歷時(shí)×平均落潮流速+平均漲潮歷時(shí)×平均漲潮流速)[27]。計(jì)算結(jié)果如表1所示，S1測(cè)點(diǎn)洪季和枯季分別為79.16%和66.52%；S2測(cè)點(diǎn)洪季和枯季分別為75.07%和67.06%，無(wú)論洪季還是枯季，北港落潮優(yōu)勢(shì)均非常明顯。

圖8　S1和S2測(cè)點(diǎn)流速過(guò)程線Fig.8　The velocities of flow hydrograph in S1 and S2 station

表1　北港優(yōu)勢(shì)流統(tǒng)計(jì)

在多波束進(jìn)行掃測(cè)同時(shí)，利用ADCP測(cè)流，保證了時(shí)間同步，達(dá)到測(cè)量時(shí)間內(nèi)的空間同步，獲取橋墩附近漲、落潮流向，如圖9所示，藍(lán)色為一個(gè)落潮周期內(nèi)的流向，紅色為一個(gè)漲潮周期內(nèi)的流向。

圖9　ADCP走航測(cè)流流向Fig.9　Current direction survey with ADCP

4.3橋墩局部沖刷深度

此次測(cè)量對(duì)大橋樁基承臺(tái)外圍樁柱及附近地形進(jìn)行測(cè)量(圖10)。沖刷范圍起始于橋墩上游150 m處，止于橋墩下游500 m處，此處基本上不受橋墩沖刷坑的影響，所以橋墩附近沖刷地形與大橋軸線上游150 m和下游500 m處平均水深做對(duì)比。

圖10　上海長(zhǎng)江大橋北主墩沖刷圖Fig.10　Riverbed scour near the main pier of the Shanghai Yangtze River Bridge

南、北主墩群樁順?biāo)驔_刷呈“上游最深、中部淤積、下游漸深”的基本形態(tài)(圖11)，主橋墩現(xiàn)階段最大局部沖刷深度為4.2 m，部分樁柱出現(xiàn)淤高2.3 m。最大沖深區(qū)均出現(xiàn)于落潮迎流面第3樁柱附近，在第5至第7樁柱附近形成較明顯的突變淤積，并在橋墩中間偏后出現(xiàn)最高淤積區(qū)，這是承臺(tái)群樁的消能作用所致，漲、落潮水流流至承臺(tái)中部流速大幅減小，致使水流挾沙力減弱，在橋墩中部形成淤積區(qū)。接著在第8和第9墩柱附近出現(xiàn)漸深沖刷區(qū)，在漲潮時(shí)段橋墩下游成為迎流面，故在下游段產(chǎn)生明顯的沖刷，但深度不及上游段，下游段的平均沖刷深度僅為上游段的4.5%～14.3%(表2)。這種差異的形成與大橋附近的潮流特征有關(guān)，北港潮汐為非正規(guī)淺海半日潮，潮流落潮優(yōu)勢(shì)明顯，落潮時(shí)段的水流作用時(shí)間和最大流速均大于漲潮時(shí)段，故導(dǎo)致了橋墩局部沖刷深度上游段遠(yuǎn)大于下游段的不對(duì)稱形態(tài)。

圖11　主橋墩兩側(cè)樁柱沖刷深度Fig.11　The scour depth of plies at two sides of main pier

表2　主橋墩樁柱上、下游段平均沖刷深度

注：負(fù)值表示淤積，“/”代表無(wú)數(shù)據(jù)。

通過(guò)實(shí)地勘測(cè)，主橋墩中段略有淤積，高于橋墩周圍起沖高程；下游段略顯沖刷，局部存在淤積；上游段沖刷情況嚴(yán)重，建議強(qiáng)化橋墩上游段的防沖刷措施，同時(shí)加強(qiáng)主橋墩局部沖刷觀測(cè)。

4.4橋墩整體沖刷形態(tài)

通過(guò)多波束實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到南、北主橋墩沖刷坑形態(tài)(圖12，圖13)。強(qiáng)潮地區(qū)雙向流作用下，沖刷坑形態(tài)與單向流下產(chǎn)生的“馬蹄形”沖刷坑不同[28—29]，群樁整體沖刷坑形態(tài)呈現(xiàn)南北“雙腎型”沖刷坑，符合以往物理模型實(shí)驗(yàn)中沖刷坑形態(tài)[30-32]的一般特征。

在潮汐徑流雙向流作用下，水流在床面沿橋墩兩側(cè)生成馬蹄形漩渦使河床淘刷向兩側(cè)延伸，故在群樁垂線方向上形成沖刷地貌，且該區(qū)域沖刷深度變化較大，形成沖刷坑，整個(gè)沖刷坑寬度約為50 m。沖刷深度變化不同于以往物理實(shí)驗(yàn)，自群樁兩側(cè)向遠(yuǎn)處方向先變小再變大，距離25 m處達(dá)到最大沖刷深度2.6～6.5 m，原因?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)并沒(méi)有考慮橋墩防護(hù)工程對(duì)近墩區(qū)域的防護(hù)作用。沖刷坑在橋墩兩側(cè)沿上下游方向漸窄延伸，形成長(zhǎng)約為300 m的長(zhǎng)條型沖刷槽，且向下游延伸長(zhǎng)度約為上游的2倍，強(qiáng)潮水流作用下形成了具有明顯上下游不對(duì)稱特征的沖刷地貌。

圖12　北主墩沖刷坑形態(tài)Fig.12　The scour shape of the north main pier

圖13　南主墩沖刷坑形態(tài)Fig.13　The scour shape of the south main pier

橋墩兩側(cè)的水流離開群樁背水面時(shí)產(chǎn)生的尾渦相匯，使大量泥沙在此落淤，形成延綿的長(zhǎng)沙丘，上游段長(zhǎng)約64 m，下游段長(zhǎng)約95 m；受橋墩阻水影響，橋墩迎水面形成下降水流，對(duì)群樁上、下游兩端經(jīng)行沖刷，北墩沖刷了1～2 m，但是南墩仍淤高1～2 m。在群樁外側(cè)四角水流能量消散較快而產(chǎn)生泥沙堆積床面形成不同程度的局部淤積堆高，北主墩最高淤積幅度為3.2 m，南主墩最高淤積幅度為6.5 m。

在落潮優(yōu)勢(shì)的雙向流作用下，橋墩兩側(cè)形成了中間寬，向下游延伸并逐漸縮窄的沖刷槽，橋墩兩端形成了上游短、下游長(zhǎng)的條形淤積區(qū)，共同構(gòu)成了“雙腎型”沖刷坑。

4.5橋墩南北側(cè)沖刷坑差異

通常條件下，橋墩布置一般選擇中軸線與水流平行的方向，但在實(shí)際施工中，除橋梁自身跨度大外，還受地形、底質(zhì)等天然因素及河勢(shì)演變導(dǎo)致的流向變化等影響，墩前來(lái)流與橋墩軸線會(huì)存在夾角，即來(lái)流入射角[15，33]。根據(jù)ADCP實(shí)測(cè)流速數(shù)據(jù)，大橋附近落潮平均流向?yàn)?22°，漲潮平均流向?yàn)?10°，落潮時(shí)存在10°的入射角，且往南偏，如圖14所示。入射角使橋墩南側(cè)也成為實(shí)際迎流面，同時(shí)增加了橋墩的有效阻水寬度，致使橋墩兩側(cè)出現(xiàn)不對(duì)稱的局部沖刷形態(tài)，橋墩周圍沖刷形態(tài)隨入射角向南偏移，最終使得橋墩南側(cè)的沖刷程度大于北側(cè)。

圖14　落潮時(shí)水流入射角Fig.14　The angle of ebb coming current

橋墩兩側(cè)“雙腎型”沖刷坑沖刷程度并非對(duì)稱，如表2沖刷坑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所示，南、北主墩北側(cè)沖刷坑的最大沖刷深度分別為南側(cè)的71.5%和67.8%，說(shuō)明10°入射角導(dǎo)致最大沖刷深度增加幅度在30%以下。主墩沖刷坑沖深2 m范圍南側(cè)略大于北側(cè)，但是沖深3 m范圍南側(cè)是北側(cè)的10倍；南主墩沖深2 m范圍南側(cè)是北側(cè)的5倍，且北側(cè)不存在沖深3 m的范圍。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)地形資料，獲取了橋墩處自然地形變化趨勢(shì)；運(yùn)用多波束，探索了潮汐河口橋墩局部沖刷特性及附近沖刷地貌形態(tài)，以期為河口地區(qū)大型橋梁設(shè)計(jì)與維護(hù)提供可靠依據(jù)。

(1)由于大型橋梁的建設(shè)對(duì)河床演變產(chǎn)生明顯影響，總體上沖刷較顯著，局部位置略有淤積，主墩附近沖刷幅度達(dá)3 m；北港主槽南側(cè)微沖、北側(cè)微淤；大橋橋墩所在區(qū)域地形還在調(diào)整過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，尤其關(guān)注風(fēng)暴潮等極端自然災(zāi)害導(dǎo)致局部沖刷對(duì)橋墩安全的影響。

表3　南、北主橋墩沖刷坑統(tǒng)計(jì)

(2)潮汐往復(fù)流下，大橋橋墩上下游均出現(xiàn)局部沖刷，最大局部沖刷深度為4.2 m。北港潮流屬落潮優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致了橋墩上游段局部沖刷深度大于下游段，建議加強(qiáng)橋墩上游段防護(hù)與監(jiān)測(cè)。

(3)在潮汐河口群樁承臺(tái)式橋墩與雙向水流發(fā)生作用，在群樁兩側(cè)形成長(zhǎng)條型沖刷槽，上下游迎流面則形成長(zhǎng)條形小丘，共同構(gòu)成“雙腎型”沖刷坑。

(4)根據(jù)實(shí)測(cè)資料，潮流流向與橋墩軸線存在入射角，且入射角向南偏，使得橋墩南側(cè)的最大沖深度和沖深范圍均大于北側(cè)，建議加強(qiáng)對(duì)主墩南側(cè)的拋石防護(hù)。

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Features and mechanism of asymmetric double-kidneys scoured geomorphology of pier in tidal estuary

Lu Xuejun1， Cheng Heqin1， Zhou Quanping2， Jiang Yuehua2， Guo Xingjie1， Zheng Shuwei1， Wu Shuaihu1

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China;2.NanjingGeologicalSurveyCenter，ChinaGeologicalSurvey，Nanjing210016，China)

Based on analyzing the natural scour near the axis of the bridge by data of topographical， this paper used a multi-beam echo-sounding system to study local scour around bridge piers. The results showed that the axis of the bridge and the riverbed near main piers presents erosion evolutionary trend. Upstream the pier, there is a serius erosion while sediments deposit at the mid of pier. Downstream the pier, weak erosion is also found. The largest scour depth of the main pier is about 4 m. The local scour shape of the main pier looks like “double kidneys”. The angle of ebb coming current is 10 degree， as well as the scour depth and scope on the south side of the main pier is larger than that on the north．

reversing tidal current; local scour; multi-beam echo sounder; bridge pier;Shanghai Yangtze River Bridge

2015-11-18；

2016-01-11。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41476075)；沿長(zhǎng)江重大工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查(下游)子項(xiàng)目(12120115043101)。

陸雪駿(1990—)，男，上海市人，主要從事河港口海岸及近海工程研究。E-mail：68779189@qq.com

程和琴，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事河口海岸工程地貌與環(huán)境研究。E-mail:hqch@sklec.ecnu.edu.cn

TV882.2

A

0253-4193(2016)09-0118-08