滬通長(zhǎng)江大橋建設(shè)期工程河段水文監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

李聶貴，田 立，周 賽

（1．水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2．江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局，江蘇 南通 226006；3．江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

滬通長(zhǎng)江大橋是中國(guó)自主設(shè)計(jì)建造、世界上最大跨度的公鐵合建斜拉橋，大橋的建設(shè)進(jìn)一步完善了區(qū)域交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)。大橋位于長(zhǎng)江下游的澄通河段，總長(zhǎng)為 11 km，距離上游的江陰長(zhǎng)江公路大橋約為 45 km，距離下游的蘇通長(zhǎng)江公路大橋約為 40 km。滬通長(zhǎng)江大橋主航道橋采用雙塔五跨，總計(jì) 2 296 m，其中主跨長(zhǎng)為 1 092 m，地理位置如圖1所示。

圖1 地理位置圖

滬通長(zhǎng)江大橋橋位橫跨天生港水道、橫港沙、南通水道等[1–3]多汊道河段，工程河段的水文泥沙環(huán)境復(fù)雜，且 28，29# 主墩沉井是世界上規(guī)模最大的橋梁沉井結(jié)構(gòu)，工程的實(shí)施會(huì)對(duì)工程區(qū)域及相鄰河段河勢(shì)、上下游涉水工程、相關(guān)水文設(shè)施等產(chǎn)生一定的影響。建設(shè)前期，國(guó)內(nèi)眾多專(zhuān)家對(duì)大橋建設(shè)的必要性、橋墩布置的合理性等方面開(kāi)展了深入研究，成果主要基于河床演變、水文計(jì)算、模型試驗(yàn)等技術(shù)手段進(jìn)行研究并提出了預(yù)測(cè)性的結(jié)論，有待工程河段的實(shí)測(cè)水文資料驗(yàn)證。

本研究通過(guò)施工期對(duì)工程河段進(jìn)行系統(tǒng)全面的水文監(jiān)測(cè)，開(kāi)展橋區(qū)河床、汊道分流比、沖淤分析等，實(shí)時(shí)掌握施工區(qū)水流動(dòng)力條件的動(dòng)態(tài)發(fā)展，分析大橋建設(shè)對(duì)河床響應(yīng)的影響，為大橋維護(hù)及工程河段同類(lèi)大型橋梁建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 施工期水文監(jiān)測(cè)布置

根據(jù)滬通長(zhǎng)江大橋工程所在長(zhǎng)江澄通河段基本情況，并結(jié)合工程的布置情況，確定監(jiān)測(cè)范圍為澄通河段護(hù)漕港（夏仕港）至龍爪巖（六干河）。本研究選取的水文斷面主要是工程上下游如皋沙斷面（左右 2個(gè)）、九龍港斷面（1個(gè)）、碾砣港斷面（1個(gè)）、通州沙斷面（左右 2個(gè)）。一共布設(shè) 6個(gè) ADCP，取11個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)河道分流分沙比的變化情況。護(hù)漕港至龍爪巖 CK18～58 每隔 2 km 布設(shè)固定斷面，施測(cè)比例為 1∶5 000。工程河段水文測(cè)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 工程河段水文測(cè)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

為掌握大橋施工期間水動(dòng)力的變化情況，在天生港和瀏海沙水道上游 200 m 布置 1條測(cè)流斷面，其中，天生港水道布設(shè) 3條垂線(xiàn)（T1，T2，T3），使用 1條 ADCP 施測(cè)，瀏海沙斷面布置 5條垂線(xiàn)（L1，L2，L3，L4，L5），使用 2條 ADCP 施測(cè)。

2 大橋建設(shè)對(duì)工程河段影響分析

2.1 工程河段水動(dòng)力影響分析

前期模型試驗(yàn)研究表明[4–5]，在各種水文條件下，建橋后水動(dòng)力影響范圍大致為大橋上游 3.0 km處，對(duì)下游水流的影響范圍為 5.0 km 左右，橋位附近流速有一定程度的變化。施工期，利用 ADCP 進(jìn)行工程河段及橋區(qū)斷面測(cè)流。2015年9月，2016年8月，2018年2月各監(jiān)測(cè)斷面漲落潮期平均流速、流向分別如表1～3所示?？梢钥闯觯簼q潮期斷面平均流速為大潮明顯大于小潮，落潮期平均流速大于漲潮期，與河口流速分布一般規(guī)律基本一致[6]；各斷面落潮期平均流速為大潮大于小潮；落潮期斷面平均流向?yàn)楦鲾嗝娲?、小潮差異不大；從漲、落潮看，除天生港水道 TSG3# 斷面外，其余各斷面均為落潮平均流速大于漲潮?？傮w來(lái)看，大橋建設(shè)期間對(duì)斷面流速分布影響較小。

表1 2015年9月各斷面漲落潮期平均流速、流向

漲落急斷面平均流速如圖3所示，橋區(qū)垂線(xiàn)漲落潮期平均流速、流向如表4所示。由圖3、表4可以看出：天生港水道漲潮平均流速大于落潮平均流速，瀏海沙水道落潮平均流速大于漲潮平均流速。漲潮最大平均流速出現(xiàn)在 3 號(hào)和 4 號(hào)橋墩間，達(dá)到 0.58 m/s；落潮最大平均流速出現(xiàn)在 29 號(hào)主墩附近，達(dá)到 0.96 m/s。從橋位沿程漲落急流速分布來(lái)看，29 號(hào)橋墩位于流速最大核心區(qū)，漲潮最大流速約為 0.9 m/s，落潮最大流速約為 1.7 m/s。

圖3 漲落急斷面平均流速分布圖

表2 2016年8月各斷面漲落潮期平均流速、流向

表3 2018年2月各斷面漲落潮期平均流速、流向

表4 各垂線(xiàn)漲落潮期平均流速、流向

2.2 工程河段河勢(shì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

河勢(shì)影響監(jiān)測(cè)水文測(cè)驗(yàn)汊道分流比監(jiān)測(cè)，主要統(tǒng)計(jì)了民主沙、長(zhǎng)青沙、天生港及通州沙斷面各汊道分流比和分沙比，如表5所示。

由表5可知，滬通長(zhǎng)江大橋施工期間，各監(jiān)測(cè)汊道分流比基本穩(wěn)定。在民主沙斷面，洪水期，上游大通站流量越大，如皋左汊分流比可達(dá) 30.9%，枯水期分流比基本穩(wěn)定，洪枯季汊道分流比略有小幅變化[7]；在長(zhǎng)青沙斷面，分流比基本穩(wěn)定；而橋軸線(xiàn)下游的天生港斷面（TSGL，TSGR#）監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，洪水期，上游大通站流量越大，天生港左汊道分流比略有增加，枯水期分流比基本穩(wěn)定；通州沙無(wú)論洪、枯水期，東水道分流比在 92% 左右，西水道分流比約為 8%。

表5 各汊道全潮潮平均流量分流比及輸沙量分沙比 %

由斷面分沙比統(tǒng)計(jì)可知，各汊道分沙比與分流比呈正相關(guān)性，滬通長(zhǎng)江大橋施工期間各汊道分流比基本穩(wěn)定，因此大橋施工期各汊道分沙比基本穩(wěn)定無(wú)影響。

2.3 工程河段河床沖淤分析

根據(jù)滬通大橋河勢(shì)、河床演變分析及澄通河段相關(guān)河床演變研究成果可知，工程河段在九龍港等天然節(jié)點(diǎn)及河道、航道整治工程和相關(guān)護(hù)岸工程等人類(lèi)活動(dòng)的影響下，大的河勢(shì)總體來(lái)說(shuō)得到有效控制[8–9]，目前工程河段河床平面形態(tài)總體基本穩(wěn)定，本河段河勢(shì)將進(jìn)一步穩(wěn)定，為大橋的建設(shè)提供較好的河勢(shì)基礎(chǔ)條件。

從目前河勢(shì)的演變來(lái)看，水道的總體水流動(dòng)力條件沒(méi)有改變，中汊將繼續(xù)維持 30% 左右的分流比，這為如皋中汊提供較為穩(wěn)定的入流條件，有利于橋區(qū)局部河勢(shì)穩(wěn)定。

工程河段河床沖淤變化如圖4所示。由圖4可知：滬通長(zhǎng)江大橋工程施工期間，工程河段河床略有沖刷，河床平面形態(tài)總體穩(wěn)定。2015年8月—2018年4月，天生港水道河床變幅較小，瀏海沙水道河床沖淤變幅較大的為 -20 m 等高線(xiàn)以下深槽區(qū)域和雙锏沙航道整治工程丁順壩前沿區(qū)域，大橋橋軸線(xiàn) 28，29# 周邊及橋軸線(xiàn)下游側(cè)深槽沖刷明顯，橋區(qū)下游橫港沙沙體右緣淤積，但未改變橋區(qū)深槽總體穩(wěn)定的大格局。

圖4 工程河段河床沖淤變化（2015-08—2018-04）

瀏海沙水道主橋墩沖淤結(jié)果如表6所示，可以看出 28# 沉井周邊河床沖刷深度達(dá) 28.1 m，29# 沉井下沉初期采取了預(yù)防護(hù)措施[10–11]，取得較好的預(yù)防護(hù)效果，29# 沉井周邊局部沖刷深度達(dá) 19.1 m。

表6 瀏海沙水道主橋墩沖淤結(jié)果

總體來(lái)看，工程河段河床沖淤變化較大的為深槽區(qū)域和雙锏沙航道整治工程區(qū)域，平面形態(tài)總體穩(wěn)定，滬通長(zhǎng)江大橋工程施工期間，橋軸線(xiàn)斷面深槽有一定幅度的沖淤變化，目前橋軸線(xiàn)區(qū)域深槽的沖淤變化對(duì)工程河段總體河勢(shì)穩(wěn)定影響較小。

2.4 橋區(qū)河床斷面變化分析

施工期間橋區(qū)河床斷面監(jiān)測(cè)位置如圖5所示。

圖5 施工期間橋區(qū)河床監(jiān)測(cè)斷面位置

從橋區(qū)河床平面變化看，重點(diǎn)選擇了上、下游河床監(jiān)測(cè)斷面 CK45～54# 進(jìn)行分析，具體分析如下：

1）九龍港—十三圩南岸邊灘區(qū)域。滬通長(zhǎng)江大橋施工期間對(duì)上游九龍港—十三圩南岸邊灘區(qū)域的河床影響是相關(guān)部門(mén)重點(diǎn)關(guān)心的問(wèn)題之一。CK45～48# 斷面位于該區(qū)域，從施工期斷面監(jiān)測(cè)變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，大橋施工期間，九龍港—十三圩南岸邊灘區(qū)域河床變幅較小，大橋施工對(duì)邊灘穩(wěn)定基本無(wú)影響。

2）滬通長(zhǎng)江大橋橋軸線(xiàn)區(qū)域?？拷鼧蜉S線(xiàn)區(qū)域的河床斷面從上至下分別為 CK49，50# 斷面，圖6和 7 分別為 CK49，50# 河床斷面變化圖。從斷面變化來(lái)看，大橋施工期間，橫港沙灘面和兩側(cè)岸坡變幅甚微，總體較為穩(wěn)定。

圖6 CK49# 河床斷面變化圖（橋軸線(xiàn)區(qū)域）

圖7 CK50# 河床斷面變化圖（橋軸線(xiàn)區(qū)域）

施工期天生港、瀏海沙水道橋軸線(xiàn)斷面變化分別如圖8 和 9所示?？梢钥闯觯焐酆蜑g海沙水道橋區(qū)河床變化特點(diǎn)與橋軸線(xiàn)斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。瀏海沙水道主墩沉井基礎(chǔ)周邊河床沖淤變幅較大，主橋墩周邊及下游側(cè)沖刷幅度較大。天生港水道河床斷面除涉水橋墩周邊局部沖刷外，其斷面形態(tài)仍保持較好穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 施工期天生港水道橋軸線(xiàn)斷面變化

圖9 施工期瀏海沙水道橋軸線(xiàn)斷面變化

3）通州沙東、西水道進(jìn)口區(qū)域。從通州沙進(jìn)口CK51～54# 斷面監(jiān)測(cè)變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，滬通長(zhǎng)江大橋施工期間，橫港沙沙尾總體較穩(wěn)定；通州沙東水道深槽區(qū)域沖淤變幅約為 2 m；通州沙水道進(jìn)口通州沙沙體較穩(wěn)定；西水道在邊界調(diào)整后進(jìn)口斷面深槽總體呈沖刷狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

滬通長(zhǎng)江大橋施工期間，通過(guò)對(duì)施工河段水流動(dòng)力、河勢(shì)監(jiān)測(cè)、橋區(qū)河床斷面變化、工程河段河床沖淤分析，得出如下結(jié)論：

1）滬通長(zhǎng)江大橋施工期水文測(cè)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，工程河段各汊道分流比、分沙比基本穩(wěn)定，對(duì)斷面流速分布影響較小。工程河段河床平面形態(tài)總體穩(wěn)定，橋軸線(xiàn)區(qū)域河床深槽平面有一定沖刷發(fā)展，橋區(qū)局部深槽的沖淤變化目前對(duì)工程河段河勢(shì)穩(wěn)定影響較小。

2）滬通長(zhǎng)江大橋軸線(xiàn)斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：天生港水道涉水橋墩周邊局部沖刷較小，幅度為 1～2 m；橫港沙橋墩筑島成陸后，無(wú)局部沖刷；瀏海沙水道 23～27# 墩周邊最終局部沖刷較?。?8～31# 局部沖刷深度分別為 28.1，19.1，16.9，8.4 m。

3）大型跨江橋梁沉井基礎(chǔ)施工期局部沖刷不可避免，尤其是 28# 主墩沉井基礎(chǔ)下沉初期，局部沖刷發(fā)展迅速，29# 沉井采用預(yù)防護(hù)措施后，有效減少了沉井周邊局部沖刷，后期局部沖刷可能會(huì)增加，所以應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng) 28，29# 沉井基礎(chǔ)局部沖刷保護(hù)與監(jiān)測(cè)。

4）開(kāi)展施工期河道水文監(jiān)測(cè)，掌握滬通長(zhǎng)江大橋工程河段河勢(shì)、水流動(dòng)力條件的動(dòng)態(tài)發(fā)展，分析工程建設(shè)對(duì)河床響應(yīng)的影響，可為涉水工程和水文設(shè)施的影響分析評(píng)價(jià)提供資料，并對(duì)可能危及大橋安全的河勢(shì)變化隱患及時(shí)提出預(yù)警，為大橋施工建設(shè)、維護(hù)及今后工程河段大型橋梁建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。