強涌潮水域嘉紹大橋橋區沖刷特點

陳 艷，郭 勇

（浙江嘉紹跨江大橋投資發展有限公司，浙江 紹興 312366）

1 問題的提出

嘉紹大橋位于錢塘江河口尖山河灣（見圖1），大橋北起海寧尖山二期圍墾區，跨錢塘江水域，至上虞九六丘圍墾區，主航道橋采用70+200+50×428+200+70的六塔獨柱四索面鋼箱梁斜拉橋，北副航道橋采用70+2×120+70+2×120+70的便截面連續鋼構橋[1]，橋長10.137 km。大橋于2008年12月開工，2013年7月19日正式通車。

嘉紹大橋所在河段海床寬淺、潮強流急、涌潮洶涌，漲落潮流路分歧，海床年內和年際沖淤變化劇烈[2]。近十幾年來，在河口治江圍墾背景下，河口形態變化劇烈，潮差增大，涌潮動力增強，外加泥沙源減少，橋區灘槽擺動和橋墩局部沖刷不確定性風險呈增大趨勢[3-4]。為了大橋安全運行，需要在河口新的河勢條件下開展橋區沖刷特點跟蹤研究，密切關注和動態掌握橋區航道、灘槽格局變化和橋墩沖刷形態特點，實時研判大橋安全形勢。

圖1 嘉紹大橋位置圖

2 研究區域與資料

2.1 研究區域

錢塘江又名“之江”，是浙江省的母親河，富春江電站大壩以下為感潮河段，即錢塘江河口，全長291 km。根據自然條件和河床演變特性的差異，河口分為河流段、河口段和潮流段（杭州灣），海寧古海塘位于河口段，徑流和潮流共同作用，河床沖淤劇烈[5]。錢塘江涌潮聞名古今中外，本工程河段為涌潮的起潮區，實測涌潮高度一般1 ～3 m，最大可達3 m以上[6]。錢塘江多年平均徑流總量301億m3，年際間連續豐、枯水文年交替變化，年內徑流分布不均勻，梅汛期（4 — 7月）4個月的徑流總量占全年徑流總量的52.7%。河口潮汐類型為非正規半日潮，澉浦多年平均潮差5.66 m，最大潮差可達9.15 m，居我國河口之首[1]。河口以海相來沙為主，河床底質細顆粒主要為粉沙，在強勁的潮動力和年際年內變幅較大的徑流作用下，河床變化頻繁劇烈[3]。

2.2 資料來源

地形資料分為河口常規大測量和橋區精細化測量2個層級。

（1）河口常規大測量數據：自20世紀50年代至今，錢塘江河口開始系統跟蹤監測，每年4月（代表梅汛前），7月（代表梅汛后）、11月（代表秋季大潮后）實施全河段準1:50 000的水下地形測量，平均1 ～ 3 km為1個斷面，斷面上100 ～ 500 m有一個測點的精度?；诤涌诔Ｒ幋鬁y量數據，并結合同期的河口水文河勢數據，分析橋區宏觀河勢變化特點。

（2）橋區精細化測量資料：①分別于2017年4月、9月，2018年4月、9月和2019年4月、9月，沿大橋布測6個斷面開展水下地形測量（見圖2），其中DM1、DM2、DM3位 于 大 橋 上 游500，200，100 m，DM4、DM5、DM6位于大橋下游100，200，500 m。D2和D5斷面線較短，主要在主通航孔平行于橋軸線上下游監測，斷面比尺1:2 000。在河勢斷面的基礎上，2016年10月、2017年9月、2018年9月、2019年10月在橋墩上下游100 m范圍進行多波速地形掃測，以掌握大橋各橋墩局部沖刷變化情況。

圖2 橋區斷面布置圖

3 結果與討論

3.1 江道沖淤變化及深槽擺動

圖3為嘉紹大橋所在尖山 — 澉浦河段2015 — 2018年多年平均高潮位（簡稱“多高”）下容積和多年平均低潮位（簡稱“多低”）下容積變化過程圖。從圖3可見，各年份均以7月份容積最小，7月份上游河段受洪汛沖刷后，泥沙沖刷至本河段，河床淤積，造成河床容積減小。進入枯季大潮，潮水沖刷，容積增大，至翌年4月容積最大?？梢姶髽蚝佣魏哟病昂橛俪睕_”變化特征明顯，且沖淤交替頻繁。

圖3 嘉紹大橋所在（尖山 — 澉浦河段）多高與多低下容積變化圖

嘉紹大橋河段在尖山河段治理前主槽的平面擺動遍及全河兩岸堤線之間[7]。1997年尖山圍墾以來，由于尖山凸體的控導作用，漲潮主槽呈較穩定的偏走南河勢（見圖4）。隨著尖山河灣的治理，河勢整體穩定性增強，大橋主通航孔位于南部主槽區，航路較穩定。

圖4 現狀常態化大橋主槽形態圖

3.2 大橋橋床近期沖淤特點

大橋上下游河床斷面形態基本一致，圖5為大橋上游500 m的DM1河床近期變化圖。從圖5可見：①北航道區：2017年4月最低高程、最高高程和平均高程均較低，主要與2017年4月深槽在橋址中北部發育有關；2017年4 — 9月，北副航道區回淤明顯，平均高程抬高2.02 m；2017年9月至2019年9月北副航道區特征高程數據基本一致，平均高程介于-2.25 ～ -1.98 m。②中引橋區：中引橋區沖淤規律與北副航道區較為一致，其中2017年4月測次河床高程最低；2017年4 — 9月河床回淤明顯，最低高程抬高3.40 m，平均高程抬高1.90 m；2017年9月至2018年4月河床較穩定，2018年4 — 9月，河床有所刷深，平均高程降低0.70 m，但整體河床仍高于2017年4月測次。③南航道區：從河勢斷面可見，2017年9月南汊刷深最為劇烈，漲潮流貼南岸發育明顯，2017年9月至2019年4月河床回淤，最低高程抬高4.60 m，2019年9月主航道進一步刷深，較2019年4月，平均高程降低0.50 m，最低高程降低2.41 m。④南引橋區：南引橋區沖淤規律與主航道區較為一致，2018年9月以來，河床呈現趨勢性沖刷，平均河床高程刷深1.50 m。從整體河床變化形態而言，南航道和南引橋區沖刷最為劇烈，河床上下包絡最大變幅近8.0 m，需要關注短期河床劇烈變化對橋梁下部結構的影響。

圖5 大橋上游500 m DM1斷面沖淤變化圖

3.3 橋墩局部沖刷形態與安全形勢

圖6為2019各墩周圍河床地形平面圖。由圖6可見，各墩周圍均有明顯的沖刷坑形態，而且橋墩尺度越大，其沖刷坑范圍越大。北航道橋墩最低高程-10.00 m左右，中引橋區橋墩因其橋墩型式為直徑3.8 m的雙樁型式，其橋墩尺度小于主航道橋及副航道橋尺度，因而其沖刷坑形態較小，且最低高程也明顯高于北航道區橋墩最低高程。主航道橋區主墩橋墩直徑較大，阻流效應顯著，橋墩局部沖刷坑范圍遠大于其他類型的橋墩，且各墩均呈現向下游擴展的形態。南引橋區有一貼岸深槽發育，導致該段區域的橋墩最低高程明顯降低。大橋所在河段潮動力強勁，深槽的發育與水文條件、河勢變化密切相關。

圖6 橋墩沖刷坑形態圖

圖7為2016 — 2019年橋墩內河床最低高程與橋墩設計不利沖刷高程的對比圖。從圖7可見，嘉紹大橋各橋墩沖刷處于允許安全范圍內。其中北引橋段最小富余16.9 m，北航道橋段富余14.0 m以上，中引橋區橋墩富余在17.0 m以上。歷史上嘉紹大橋河段主槽的平面擺動遍及全河段，橋梁設計從安全角度以床面歷史最大沖刷下包絡起算，橋墩實際沖刷高程較設計高程具有很大的富余度。但需要指出的是，主航道橋Z4 ～ Z7橋墩最低高程沖刷降低，2019年與2018年相比，Z6墩富余值減小了4.6 m，南引橋因深槽發育，最小富余度減小至14.3 m（N5墩），后期需進一步加強對橋墩的繼續觀測，關注主航道橋及南引橋區橋墩局部沖刷趨勢，同時對于床面淤積對橋墩的影響也需要加強跟蹤監測分析。

圖7 橋墩內河床最低高程與橋墩設計不利沖刷高程對比圖

4 結 論

通過2014 — 2019年對嘉紹大橋的河勢監測斷面觀測，結合以往錢塘江河口常規地形測量資料，對橋位水域附近河床灘槽穩定性及橋墩局部沖刷深度進行監測與分析，結論如下：

（1）嘉紹大橋所在的河段受上游徑流和下游潮流的雙重影響，整體河勢呈現“洪淤潮沖”的變化特征，河床沖淤變化劇烈。隨著尖山河灣的治理，河勢整體穩定性增強，漲潮主槽呈較穩定的偏走南河勢。

（2）大橋河床斷面分析表明，南航道區和南引橋區呈現顯著沖刷態勢，沖淤變幅可達8.0 m，建議加強監測，重點關注。

（3）嘉紹大橋各橋墩沖刷處于安全允許范圍內，但南航道橋及南引橋橋墩最低高程有所沖刷，幅度可達4.0 m以上，建議后期加強對橋墩沖刷觀測，特別是主航道橋及南引橋區橋墩。