膠州灣大橋建設前后灣內(nèi)泥沙沖淤數(shù)值模擬

張永強，張菀君，遲萬清，邊淑華，曹成林，胡澤建，劉建強

(自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061)

當前，我國主要經(jīng)濟帶主要分布于東部沿海地區(qū)，跨海大橋的建設為我國經(jīng)濟建設做出了重大的貢獻。為了加強東部沿海城市與島嶼之間的聯(lián)系，近年來我國跨海大橋的建設取得了空前的成就，但存在的問題是，跨海大橋的建設對研究海域的海流流態(tài)、泥沙沖淤及生物的生態(tài)環(huán)境等造成了一定的影響，因此對所屬海域大橋建成前后的環(huán)境評估至關(guān)重要。

王晨陽等(2010)基于無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的港珠澳大橋所在海區(qū)平面二維潮流數(shù)學模型，分析了港珠澳大橋工程周圍海域的潮流動力影響[1]。何杰等(2012)采用平面二維潮流數(shù)學模型模擬了港珠澳大橋?qū)χ榻谒蛩畡恿Φ挠绊懓l(fā)現(xiàn)大橋工程對珠江口水域的水動力分布格局基本不產(chǎn)生影響[2]。盛天航(2015)模擬了順河跨海橋工程對河道行洪的影響，指出跨海大橋的建立是導致河道大渦旋的直接成因，河道道行洪所所造成的河床的沖刷，經(jīng)過計算后得出其最大沖刷的深度滿滿足對特殊大橋的基底埋深的安全值[3]。劉波等(2016)基于GOCI數(shù)據(jù)對杭州灣跨海大橋兩側(cè)水域懸浮泥沙濃度空間分異規(guī)律進行了研究，指出杭州灣大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度呈現(xiàn)一定的梯度特征[4]。石曉雨等(2018)基于區(qū)域海洋水動力模型ECOM的模擬結(jié)果分析了近年來膠州灣典型水文氣象要素的變化特征及建橋前后水動力環(huán)境等的變化對冬季冰情的影響，指出跨海大橋建設從多方面影響膠州灣北部海冰的生消[5]。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

膠州灣位于中國黃海中部(36.06°～36.25°N，120.10°～120.37°E)，為一淺水海灣，總體上呈簸箕形，直傾斜在灣口區(qū)又轉(zhuǎn)而向東傾斜，灣內(nèi)平均水深約7 m，最大水深64 m[6]。

1.2 海流觀測

2013年11月19日至2013年12月12日期間，在研究海域分別進行了大潮期間海流多船定點同步連續(xù)觀測，站位分布見圖1。

圖1 膠州灣海流觀測站位示意圖Fig.1 Position of ocean current observation stations in Jiaozhou Bay

1.3 研究區(qū)泥沙沖淤數(shù)值模擬

本研究運用MIKE21軟件從而達到有效的設計條件和參數(shù)[7-8]，并將沉積物分析、洋流觀測等方法與水深地形和工程地質(zhì)數(shù)據(jù)相結(jié)合來模擬潮流作用下研究區(qū)周圍海底地形的演變。以2013年11月19日水文觀測期間的潮型的開邊界為計算條件，計算時采用海流觀測期間的岸線，并對當時的水文觀測資料進行了驗證。為了減少其他膠州灣沿岸工程對計算結(jié)果的影響，在考慮膠州灣大橋建設前計算情景時以2013年11月19日水文觀測期間的岸線及水深作為計算岸線和水深，與建設預測情景相比增加了橋墩，并且根據(jù)實際尺寸將橋墩設計為模型中的防滲結(jié)構(gòu)。

1.3.1 泥沙運動控制方程 泥沙控制方程為：

(1)

1.3.2 沉積物沉積和侵蝕的計算公式 ①沉積速率。根據(jù)以前的研究結(jié)果提出的方法來計算沉積速率(SD)，公式如下：

SD=ws·cb·pd

(2)

式(2)中：ws為沉降速度；cb為底層懸浮泥沙濃度；pd為淤積速率的斜坡函數(shù)。沉降速度計算公式如下：

(3)

式(3)中：k,γ為系數(shù)；c為體積濃度；ws,r為沉降速度系數(shù)；cgel為泥沙絮凝點；ws,n為組分能量常數(shù)。

Pd的計算公式如下：

(4)

式(4)中：τb為底床剪切力；τcd為臨界淤積剪切應力。

②泥沙濃度的分布。泥沙濃度分布有2種計算方法，其一是Teeter公式，如下：

(5)

其二如下：

(6)

式(6)中：C為懸浮泥沙濃度；R為Rouse參數(shù)，計算公式如下：

(7)

式(7)中：ε為擴散系數(shù)；z為垂向笛卡爾坐標；Ca為深度基準面處的懸浮泥沙濃度；a為深度基準面。

③底床侵蝕。底床侵蝕根據(jù)底床的密度，有2種計算侵蝕的方法，一是壓實固結(jié)底床侵蝕的計算公式，如下：

(8)

式(8)中：SE為侵蝕率；E為侵蝕系數(shù)；τce為臨界沖刷剪切應力；n為侵蝕能力。

二是軟、部分固結(jié)底床侵蝕計算公式，如下：

SE=Eexp[α(τb-τce)1/2],τb>τce

(9)

式(9)中：α為參考系數(shù)。

1.3.3 輸入?yún)?shù)確定 水深地形：以研究海域最新實測地形并結(jié)合航保部公布的海圖數(shù)字化的數(shù)據(jù)提供模型計算水深；計算岸線：與水動數(shù)模型計算岸線給定方式一致；沉積物的類型以及粒度參數(shù)特征：我們依據(jù)研究區(qū)最近和歷史沉積物的表層調(diào)查資料，2013年8月研究區(qū)沉積物調(diào)查結(jié)果表明，在膠州灣灣頂發(fā)育了大片潮灘，研究區(qū)的潮灘以及海底的沉積物的類別主要有粉砂T、砂質(zhì)粉砂ST及粉砂質(zhì)砂TS，中值粒徑在1.8～7.8 φ之間(圖2)；在大橋中部、2 m水深以深的海域，沉積物顆粒較細，主要成分為粉砂，中值粒徑在5.9～6.3 φ之間，沉積物分布較均勻；在大橋的東西兩側(cè)接陸端、1 m水深以深的海域沉積物分布相對偏粗，主要是砂質(zhì)粉砂，中值粒徑在3.7～4.9 φ之間；其他區(qū)域包括滄口水道海域，沉積物分布比較均勻，主要成分是粉砂，顆粒較細，中值粒徑在5.2～7.8 φ之間。

圖2 中值粒徑φ值分布Fig.2 Distribution map of median particle size (φ)灰色線為等深線，藍色線為中值粒徑等值線，紅色線為膠州灣大橋。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)潮流場數(shù)值模擬以及對模型的驗證

本研究中數(shù)值模型采用的是二維平面潮流數(shù)值模型—Mike21-FM模型[9-11]，將模擬結(jié)果與研究區(qū)各站位的實測海流資料進行比較(圖3、4)，得出二者的趨勢基本一致，準確地說明了大橋建成前后的潮流場分布情況。

圖3 L04站潮位驗證Fig.3 Verification chart of tide level at L04 station

圖4 各站位潮流驗證Fig.4 Verification chart of tides at each station

2.2 膠州灣大橋建設前后潮流計算結(jié)果比較分析

圖5 落急時刻膠州灣大橋施工前后流場比較圖Fig.5 Current fields during the ebb before and after the bridge construction工程前流矢量圖為紅色，工程后流矢量圖為黑色。

由膠州灣大橋建設前后落急時流場比較圖(圖5～9)可以看出，落急時流向改變較大的海域主要是在膠州灣大橋橋墩附近。總體特征是：相對于施工前，膠州灣跨海大橋建成后的流向在東部海區(qū)域沿逆時針方向偏轉(zhuǎn)，而在西部海區(qū)域則沿順時針方向偏轉(zhuǎn)。流速改變表現(xiàn)為在膠州灣大橋連接陸側(cè)海域中，在大橋的北側(cè)，大橋建設后流速較大橋建設前變?。辉诖髽蚰蟼?cè)，大橋建設后流速較建設前增大;在大橋東側(cè)通航孔處，兩個最大跨度橋墩之間，工程后流速較工程前增大幅度較大，可達0.06 m/s以上；東西兩側(cè)的海域中，工程后的流速相對于工程前變小，下降幅度約為0.02 m/s。從各個橋墩附近的海域中可以看出，在橋墩南北兩側(cè)，工程后流速相對于工程前變小。在大橋東西兩側(cè)的海域中，施工后流速相比工程前變大，但變化幅度不大。落急時在膠州灣大橋與紅島連接線的東西兩側(cè)海域，工程后的流速相對于工程前變大，變大幅度在0.02 m/s左右。在大橋中部通航孔附近，跨度最大的橋墩之間的海域，工程后的流速相對于工程前變大，而在東西兩側(cè)海域工程后流速相對于工程前變小，變小幅度在0.02 m/s左右。在西側(cè)通航孔附近，跨度最大的橋墩之間海域，工程后流速相對于工程前變大，而在東西兩側(cè)海域工程后流速相對于工程前變小，變小幅度在0.04 m/s左右。

由膠州灣大橋建設前后漲急時流場比較圖(圖10～14)可以看出，漲急時流向改變較大的海域主要是在膠州灣大橋橋墩附近，總體特征是：施工后，與施工前相比流向發(fā)生了逆時針偏轉(zhuǎn)。流速改變表現(xiàn)為：大橋東側(cè)通航孔附近，兩個最大跨度墩之間的海域，工程后流速相對于工程前變大，變大幅度在0.06 m/s左右；在各個橋墩的南北兩側(cè)海域，工程后流速均相對于工程前變小，而東西兩側(cè)工程后流速相對于工程前變大，但存在流速改變的海域范圍不大。膠州灣大橋與紅島連接線附近海域，工程后流速相對于工程前變小，變小幅度在0.02～0.14 m/s之間。在大橋中部通航孔附近，跨度最大的橋墩之間海域，工程后流速相對于工程前變大，而東西兩側(cè)海域工程后流速相對于工程前變小，變小幅度在0.02 m/s左右。在西側(cè)通航孔附近，跨度最大的橋墩之間海域，工程后流速相對于工程前變大，而東西兩側(cè)海域工程后流速相對于工程前變小，變小幅度在0.04 m/s左右。

圖6 落急時刻膠州灣大橋施工前后流速比較等值線Fig.6 Current velocity contours during the ebb before and after the bridge construction紅色區(qū)域表示流速增加，藍色區(qū)域表示流速減少；框1、2、3分別為圖7、8、9展示區(qū)域。

圖8 落急時膠州灣大橋中部通航口附近流速比較等值線Fig.8 Current velocity contours during the ebb near the central navigation port紅色區(qū)域表示流速增加，藍色區(qū)域表示流速減少。

圖9 落急時膠州灣大橋西側(cè)通航口附近流速比較等值線Fig.9 Current velocity contours during the ebb near the west navigation port紅色區(qū)域表示流速增加，藍色區(qū)域表示流速減少。

圖10 漲急時刻膠州灣大橋工程前后流場比較Fig.10 Current fields during the flood before and after the bridge construction工程前流矢量圖為紅色，工程后流矢量圖為黑色。

圖11 漲急時刻膠州灣大橋工程前后流速比較等值線Fig.11 Current velocity contours during the flood before and after the bridge construction紅色區(qū)域表示流速增加，藍色區(qū)域表示流速減少；框1、2、3分別為圖12、13、14展示區(qū)域。

圖12 漲急時膠州灣大橋東側(cè)通航口附近流速比較等值線Fig.12 Current velocity contours during the flood near the east navigation port紅色區(qū)域表示流速增加，藍色區(qū)域表示流速減少。

圖13 漲急時膠州灣大橋中部通航口附近流速比較等值線Fig.13 Current velocity contours during the flood near the central navigation port紅色區(qū)域表示流速增加，藍色區(qū)域表示流速減少。

圖14 漲急時膠州灣大橋西側(cè)通航口附近流速比較等值線Fig.14 Current velocity contours during the flood near the west navigation port紅色區(qū)域表示流速增加，藍色區(qū)域表示流速減少。

2.3 膠州灣大橋建設后沖淤計算結(jié)果

由膠州灣大橋建設后年沖淤變化圖(圖15)可知，在滄口水道與紅島連接線之間的南側(cè)海域，工程后處于沖刷區(qū)，沖刷強度最大可達0.015 m/a；在大橋連接青島側(cè)的岬灣處表現(xiàn)為淤積環(huán)境，淤積強度為0.050 m/a左右；在中部通航孔與紅島連接線之間海域表現(xiàn)為沖淤平衡區(qū)，淤積強度在-0.004～0.004 m/a之間，在西側(cè)通航孔附近表現(xiàn)為沖刷區(qū)，沖刷強度可達0.013 m/a左右。

圖15 膠州灣大橋建設后年沖淤變化Fig.15 Annual scouring and silting changes after the bridge construction

在膠州灣大橋建設后東側(cè)通航孔附近，由于大橋建設后的阻流效應，在跨度最大的兩個橋墩之間表現(xiàn)為明顯的沖刷區(qū)，沖刷強度最大可達0.030 m/a；其他小型橋墩表現(xiàn)為：在南北向的兩個小橋墩之間為淤積區(qū)，淤積強度為0.050 m/a以上，在東西向的平行橋墩之間則為沖刷區(qū)，沖刷強度在0.015 m/a左右。

膠洲灣大橋與紅島連接線附近向陸側(cè)海域明顯表現(xiàn)為淤積區(qū)，在橋墩附近淤積強度為0.080 m/a左右，在橋墩之間淤積強度為0.004 m/a左右；在南側(cè)海域主要表現(xiàn)為沖刷區(qū)，沖刷強度為0.006 m/a。

在中部通航孔附近，除跨度最大的兩個橋墩之間表現(xiàn)為沖刷區(qū)(年沖刷強度在0.017 m/a左右)外，其他大部分海域表現(xiàn)為淤積區(qū)，且橋墩附近海域淤積強度可達0.050 m/a以上。

在西側(cè)通航孔附近，跨度最大的兩個橋墩之間和通航孔北側(cè)海域表現(xiàn)為沖刷區(qū)，沖刷強度分別在0.020 m/a左右和0.009 m/a左右，通航孔南側(cè)海域則表現(xiàn)為沖淤平衡區(qū)。

2.4 膠州灣大橋建設前沖淤計算結(jié)果

由膠州灣大橋建設前年沖淤變化圖(圖16)可知，大橋建設前后研究海域在大范圍上的沖淤趨勢上基本一致。在東側(cè)通航孔附近，部分海域表現(xiàn)為沖刷區(qū)，沖刷強度在0.007 m/a左右。

在大橋與紅島連接線之間的南側(cè)海域表現(xiàn)為沖刷區(qū)，沖刷強度在0.007 m/a左右，北側(cè)海域表現(xiàn)為弱沖刷區(qū)，沖刷強度在0.001 m/a左右。

在中部通航孔附近，大部分海域表現(xiàn)為淤積區(qū)，其中跨度最大的兩個橋墩之間淤積強度在0.030 m/a左右，其他區(qū)域淤積強度可達0.010 m/a左右；在中部通航孔與紅島連接線之間海域表現(xiàn)為沖淤平衡區(qū)。

在西側(cè)通航孔附近海域表現(xiàn)為沖刷區(qū)，沖刷強度在0.007 m/a左右，大橋北側(cè)的沖刷趨勢較大橋南側(cè)稍強；在大橋連接青島側(cè)的岬灣處表現(xiàn)為淤積區(qū)。

3 結(jié)論

由膠州灣大橋建設后各典型海域如東側(cè)通航孔、紅島連接線附近、中部通航孔、西側(cè)通航孔等的潮流場數(shù)值模擬結(jié)果可知，在通航孔處跨度最大的橋墩之間，流速略高于周圍的海域。與周圍海域相比，小橋墩南側(cè)和北側(cè)的流速相對較小，東西兩側(cè)海域的速度大于周圍海域的速度。在連接線附近海域表現(xiàn)為：落急時橋墩南側(cè)海域流速較周邊海域小，漲急時橋墩北側(cè)海域流速較周邊海域小。

通過對膠州灣大橋建設前的流場進行數(shù)值模擬可知，膠州灣大橋的建設對膠州灣整體的流態(tài)影響較小，漲落急等特征時刻流場分布在膠州灣大橋建設前后基本一致。

膠州灣大橋的建設對膠州灣灣內(nèi)水動力的改變主要在橋墩建設附近海域，主要表現(xiàn)為在漲落急特征時刻，橋墩南北兩側(cè)的流速比工程前要小，橋墩東西兩側(cè)的流速比工程前要大。特別在跨度較大的通航孔附近海域，橋墩東西兩側(cè)流速與工程前相比增大幅度較大。

圖16 膠州灣大橋建設前年沖淤變化Fig.16 Annual scouring and silting changes before the bridge construction

通過對大橋建設前后沖淤數(shù)值進行模擬，結(jié)果可知，工程前后工程附近沖淤趨勢基本一致，只是在大橋橋墩附近出現(xiàn)的沖淤變化較大的情況，表現(xiàn)為在橋墩的南北兩側(cè)出現(xiàn)較大橋建設前淤積加強區(qū)，在橋墩的東西兩側(cè)出現(xiàn)沖刷加強區(qū)，在通航孔橋墩跨度較大的海域，沖刷強度增大比較明顯。