王金權，李最森，沈 翔，陳 健，史永忠，張芝永

(1. 寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315327；2. 浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設計研究院），浙江 杭州 310020；3. 浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020)

近年來隨著我國經濟的發(fā)展，跨海橋梁的建設規(guī)模取得了突飛猛進的增長。如我國已建成的港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋、膠州灣大橋等。在復雜的海洋水動力條件下，跨海橋梁的橋墩基礎局部海床受到三維繞流影響而發(fā)生劇烈沖刷[1]，導致橋墩基礎裸露過多，降低了橋墩基礎的承載能力，嚴重的則會導致橋梁沖刷破壞。國內外學者調查了一些橋梁損壞原因后發(fā)現(xiàn)，橋梁基礎沖刷是導致橋墩損毀的主要原因之一。對于橋梁基礎沖刷問題，目前相關學者對其進行了系統(tǒng)深入的研究與探索[2-6]，采用的方法普遍是室內物理模型試驗和數(shù)值模擬方法。但大部分研究主要集中于簡單水流波浪條件或者簡化橋墩。而在實際工程中，橋墩基礎樣式和潮流動力條件均較為復雜，且因部分大橋附屬結構疊加影響，實際情況下跨海橋梁基礎沖刷特征[7]與傳統(tǒng)的室內試驗或數(shù)模研究成果差別較大。如橫跨杭州灣海域的杭州灣跨海大橋（圖1），在南通航孔以南2 km 位置橋軸線下游側有一座海中觀光平臺，配有4 座匝道，海中平臺區(qū)上游的匝道下部墩群、大橋主墩及海中平臺下部結構形成了復雜的墩群結構[8-9]。在其影響下，基礎沖刷問題比較突出。鑒于此，本文擬基于多年的海中平臺區(qū)實測資料，通過對比統(tǒng)計歷年地形資料分析海中平臺區(qū)海床沖刷規(guī)律，結合數(shù)值模擬結果，揭示復雜墩群結構下的沖刷機理，為杭州灣跨海大橋的橋墩沖刷評估提供技術支撐。

圖1 杭州灣跨海大橋地理位置Fig. 1 Location of Hangzhou Bay Sea-Crossing Bridge

1 工程概況及水文泥沙特征

1.1 項目概況

杭州灣跨海大橋北起嘉興市海鹽縣鄭家埭，南止于寧波市慈溪市豐收閘，正橋長度達36 km，共600 余跨，大橋于2008 年5 月1 日正式通車運行，杭州灣跨海大橋海中平臺位于大橋下游南航道橋以南位置，海中平臺呈橢圓形，長軸長147.8 m，短軸長99.0 m，采用樁柱一體+梁板結構。海中平臺基礎采用直徑為1.6 m 的鋼管樁+填芯混凝土結構。海中平臺下游40 m 為觀光塔，觀光塔基礎采用高樁承臺。海中平臺南側碼頭平臺尺度62.0 m×10.2 m，采用高樁梁板結構。海中平臺與B、C、D、E4 座匝道橋形成了海中的互通立交系統(tǒng)。匝道橋下部構造均采用樁柱體結構，樁基礎采用直徑2.0 m 的鉆孔摩擦樁，上接直徑1.8 m 的圓柱墩身[9]，匝道墩最大跨徑21 m（圖2）。

圖2 海中平臺橋墩分布Fig. 2 Location of piers around platform area

1.2 潮 流

工程海域潮流呈往復流[10]，流向基本與等深線走向一致。整體上漲潮流速大于落潮流速，但漲潮歷時要小于落潮歷時，漲潮歷時約5.28 h，落潮歷時6.57 h。根據杭州灣跨海大橋北通航孔、中引橋、海中平臺及庵東邊灘4 個位置多年潮流測驗資料，各垂線平均最大漲潮流速1.74～3.30 m/s，垂線平均最大落潮流速1.67～2.45 m/s。空間分布上，自北向南潮流逐漸增強，位于北通航孔區(qū)的流速相對較小，漲、落潮垂線平均最大流速分別為1.74 和1.67 m/s，位于庵東邊灘坡腳處的流速最大，漲、落潮垂線平均最大流速分別達3.30 和2.45 m/s。海中平臺附近的流速亦較大，其漲、落潮垂線平均最大流速分別達2.72 和2.11 m/s，漲潮流流速占優(yōu)勢。

1.3 海床底質

地質勘查資料表明，杭州灣跨海大橋所在區(qū)域海床主要由亞砂土層和淤泥質亞黏土層構成。其中亞砂土層平均層底高程為?17.3 m，飽和，局部含貝殼碎片、夾少量黏性土，天然含水量31%（平均值，下同），密度為1.91 g/cm3，天然孔隙比0.86，水下休止角30°，經顆粒分析可知其粒徑在0.005～0.100 mm 范圍內的占81.1%。淤泥質亞黏土層平均層底高程為?36.8 m，屬高壓縮性土，夾亞砂土、粉砂薄層，天然含水量39%，密度為1.80 g/cm3，天然孔隙比1.09，其粒徑在0.005～0.100 mm 范圍內的約占84.1%，與亞砂土層接近，僅黏性含量稍高一些，該河段河床質較為均勻一致，其平均中值粒徑約0.049 mm，根據張瑞瑾細顆粒泥沙起動公式計算，大橋所在海域河床泥沙起動流速為0.7～1.0 m/s（水深10～20 m）。

2 海中平臺區(qū)局部水動力特征

2.1 模型構造

海床沖刷與水動力特征密切相關[11]，為探究海中平臺區(qū)海床沖刷機理，首先應用三維CFD 數(shù)值模型FLUENT 軟件對海中平臺及匝道墩局部區(qū)域進行了概化模擬計算。模型中將海中平臺、主墩、匝道墩均進行了刻畫，取建橋前的海床平均地形及相應的平均高潮位以下水深?？紤]到該區(qū)域漲潮流占優(yōu)且實測地形資料也表明各墩沖刷坑呈漲潮流占優(yōu)形態(tài)[12]，選用實測最大漲急垂向平均流速2.72 m/s，進行海中平臺及匝道墩局部漲潮期的模擬計算。模型水流方向長4 000 m、寬2 000 m、水深11 m，采用非結構化網格進行離散，總網格數(shù)180 萬。模型下游側為流速邊界，上游側為自由出流邊界，底部邊界設置為壁面邊界，其他邊界均設置為Symmtery 邊界。

2.2 流速分布規(guī)律

圖3 為平均水深位置及其流速分布，可以看出，在海中平臺北側及南側碼頭位置流速普遍較大，最大流速約4 m/s，而在海中平臺上游側因處于隱蔽區(qū)，其流速普遍較小，部分區(qū)域流速在1 m/s 以內。對于南側匝道墩ZD 系列匝道墩，可以看出ZD 系列匝道墩前沿流速普遍與來流流速接近（圖4(a)），僅ZD11 墩附近流速較大。ZD17～ZD22 墩流速普遍較小。對于ZD 系列墩上游的ZB 系列匝道墩，受主墩及ZD 系列匝道墩繞流影響，ZB 系列匝道墩的前沿流速要稍大，特別是ZB～ZB22 墩區(qū)域，ZB1～ZB7 墩流速相對稍小些。

北側下游ZE 系列匝道墩ZE1～ZE3 匝道墩位于海中平臺掩護區(qū)（圖4(b)），流速普遍較小，ZE4～ZE14匝道墩受海中平臺繞流影響，墩前流速稍大。ZE15～ZE22 墩因遠離海中平臺，繞流影響減弱，墩前流速稍小。上游ZC 系列匝道墩，特別是ZC1～ZC14 墩，受下游側海中平臺繞流及主墩繞流影響，其墩前流速普遍大于ZE 墩前流速。而ZC15～ZC22 墩則因處于海中平臺掩護區(qū)，流速較小。

圖3 海中平臺區(qū)域局部流速大小分布Fig. 3 Distribution of local velocity around platform area

圖4 匝道區(qū)局部流速大小分布Fig. 4 Distribution of local velocity of the ramp piers area

3 海中平臺區(qū)海床沖淤

自大橋建成以來，每年均進行了大橋重點橋墩及海中平臺區(qū)橋墩沖刷地形的跟蹤觀測。應用建橋前2001 年及建橋后2012—2019 年的水下地形資料對海中平臺區(qū)海床沖淤情況進行分析。

對于海中平臺區(qū)的測量，為全方位了解海床情況，設定了矩形測量區(qū)域：即橋軸線上下游各1 km、海中平臺東西向中心線的南北兩側各500 m。測量范圍涵蓋了海中平臺、上游主橋墩及4 座匝道墩[6]。測量設備采用美國R2Sonic 公司Sonic 2024 多波束測深系統(tǒng)進行全覆蓋測量。為保證定位精度，多波束水下地形測量采用基于ZJCORS 的網絡RTK 技術進行導航定位。多波束水下地形測量使用QINSy 軟件進行導航和數(shù)據采集。首先由Applanix POS MV Elite 組合導航系統(tǒng)輸出定位、姿態(tài)及航向數(shù)據給多波束測深系統(tǒng)和數(shù)據采集系統(tǒng)，同時將多波束測深系統(tǒng)獲取的水下地形地貌數(shù)據提供給數(shù)據采集系統(tǒng)，并根據POS MV 提供的1PPS 秒脈沖信號進行時間同步并由QINSy 軟件記錄所有的數(shù)據，用于后續(xù)處理。為了盡可能捕捉到每年的最低沖刷高程，水下地形觀測時間均安排在每年的9 月大潮期。

3.1 海床地形面貌特征

海中平臺區(qū)域2012 年以來歷年實測地形如圖5 所示。

圖5 海中平臺局部海床地形變化（2012—2019 年）Fig. 5 Topographic change around platform area （2012—2019）

可見，由于海中平臺及其前端觀光塔塔基的阻水，對水流特別是漲潮流造成擠壓[12]，南北兩側的水流得到加強，海中平臺兩側形成條帶狀沖刷槽，沖刷槽向上游延伸，呈明顯漲潮流占優(yōu)的沖刷坑。對比2012—2019 年以來各測次海中平臺附近海床地形圖可見，海中平臺兩側沖刷槽形成的?20 m 等高線于2015 年與主墩及匝道墩區(qū)的?20 m 等高線貫通，其后基本保持貫通狀態(tài)。對于?22 m 等高線，北側自2013 年的66 m延長到了144 m，而南側從25 m 發(fā)展到了245 m。?23 m 等高線在2015 年首先形成于南側碼頭前沿，長度約18 m，其后碼頭形成的局部沖刷坑自2015 年以來有逐年加深和擴大趨勢，可能與漲潮流增強有關。從圖5 中還可以看出，大橋部分主墩及匝道墩位于南北兩側沖刷槽內，導致部分主墩及匝道墩局部河床高程普遍在?20 m 以下，明顯低于周邊海床高程。對于海中平臺上游側隱蔽區(qū)，特別是ZB 和ZC 系列匝道墩交匯區(qū)域，由于海中平臺的掩護作用，海床高程普遍高于兩側沖刷槽海床高程。

3.2 海床沖淤變化

建橋后，受橋梁基礎的繞流沖刷影響，跨海大橋附近海床將會發(fā)生劇烈沖刷，為比較直觀了解海中平臺區(qū)大橋建設對海床沖刷的影響，應用2001 年建橋前該區(qū)域水下地形測量資料及2012 年、2019 年建橋后海床地形資料進行沖淤變化分析。圖6(a)為2001—2012 年間的海床沖淤圖，可見，建橋后大橋上游側500 m以外區(qū)域海床整體淤積，這與大橋所在的澉浦-乍浦海域以往整體淤積的趨勢是一致的。但在大橋近區(qū)，受跨海大橋整體阻水影響，橋軸線上下游約500 m 范圍內海床普遍沖刷1 m 以上，其中海中平臺兩側受局部繞流沖刷影響沖刷幅度較大，最大沖刷幅度可達14 m 以上。海中平臺上游的部分主墩與匝道墩區(qū)域海床也因局部繞流沖刷影響而刷深較多。

圖6 海床沖淤Fig. 6 Image of scouring and silting of seabed

以上通過建橋前后地形對比分析了海中平臺區(qū)大橋建設引起的一般沖刷及局部沖刷影響情況，而建橋后海中平臺區(qū)海床沖淤變化因大橋的局部沖刷及一般沖刷基本趨于穩(wěn)定[8]，其海床沖淤逐漸受到宏觀海床沖淤的影響。圖6(b)為2012—2019 年海中平臺區(qū)的海床沖淤變化情況?？傮w而言，建橋引起的一般沖刷及局部沖刷影響基本很小，海中平臺附近海床整體呈淤積趨勢，平均淤積幅度超過1 m，這主要受整個河段宏觀淤積的影響。但在局部區(qū)域受海中平臺、主墩等局部建筑物的繞流沖刷影響，2012—2019 年期間仍呈現(xiàn)沖刷加劇趨勢，特別是海中平臺南側碼頭前沿位置，但其最大沖刷幅度在3 m 以內，要遠小于2001—2012 年的沖刷幅度。

3.3 匝道墩最低高程統(tǒng)計

由前述分析可知，海中平臺區(qū)部分匝道墩位于沖刷槽內，海床高程較低，且因海中平臺區(qū)匝道墩為單樁獨柱結構，橋墩的沖刷對匝道墩的結構穩(wěn)定影響較大，因此橋梁管理部門十分重視各匝道墩附近的河床最低高程。根據幾次測量資料[7]，統(tǒng)計各墩歷史最低高程見圖7。對于位于橋軸線下游的ZD、ZE 系列匝道墩，直接受到海中平臺繞流沖刷的影響，海床高程略低，ZD 系列匝道墩的ZD1-ZD17 墩海床高程基本為?22～?23 m，而ZD18-ZD22 墩的最低海床高程則因位于海中平臺的隱蔽區(qū)而略高。ZE 系列匝道墩中間區(qū)域即位于海中平臺沖刷槽內的匝道墩的海床高程較低，其中ZE10-ZD13 的最低高程低于?24 m，越往兩側匝道墩海床高程略有抬高。

圖7 各系列匝道墩歷史最低高程統(tǒng)計Fig. 7 Statistical chart of lowest elevation for each series of ramp piers

對于橋軸線上游的ZB 和ZC 系列匝道墩，受到海中平臺及大橋主墩繞流沖刷疊加影響。ZB 和ZC 系列匝道墩的海床高程整體來說要比下游側ZD 和ZE 系列匝道墩海床高程低。ZB 系列墩ZB8～ZB22 墩海床高程普遍在?23 m 以下，其中位于主墩之間區(qū)域的ZB14 墩海床高程低至?25 m 以下。ZC 系列匝道墩ZC1～ZC14 墩的海床高程也是普遍在?23 m 以下，其中ZC8～ZC14 海床高程均低于?24 m，最低至?26 m（ZC8）。

3.4 匝道墩最低高程與潮流動力相關性

各匝道墩最低高程與所在墩前流速密切相關，根據前述流速分布情況，提取了各匝道墩的前沿流速，并將其與各墩歷史最低高程進行了相關性分析，圖8為兩者的相關關系圖，可以看出基本呈現(xiàn)墩前流速越大，沖刷深度越大，相應的最低高程越低的規(guī)律。相比建橋前匝道墩的沖刷深度普遍在6～14 m，其沖刷深度約為匝道墩直徑的3～7 倍，遠大于以往學者認為的橋墩局部沖刷深度最大約為2.0 倍的橋墩阻流尺度。這說明對匝道墩來說，海中平臺較強的局部沖刷效應掩蓋了匝道墩自身的局部沖刷效應，是導致各匝道墩最低高程的主要因素[12]。而近年來，隨著杭州灣南岸圍墾工程的實施，大橋海域潮流動力有逐年增強趨勢，這勢必會進一步加劇海中平臺區(qū)的橋墩沖刷，需引起關注。

圖8 匝道墩前流速與最低沖刷高程相關關系Fig. 8 Relationship between velocity and lowest elevation

4 結 語

（1）針對杭州灣跨海大橋海中平臺區(qū)的宏觀沖刷及局部沖刷特征，利用建橋前后的水下地形資料對比分析了海中平臺區(qū)建橋引起的一般沖刷及局部沖刷幅度，并分析了海中平臺區(qū)海床沖淤發(fā)展趨勢，為未來的橋墩沖刷評估提供了支撐。

（2）受海中平臺阻流影響，海中平臺南北兩側形成向上游延伸的局部沖刷槽，這是引起平臺上游側匝道墩海床高程普遍較低的主要原因。除此之外，位于橋軸線上游的匝道墩還受到主墩繞流沖刷影響，導致橋軸線上游側匝道墩最低海床高程普遍要低于橋軸線下游側匝道墩最低海床高程。

（3）各匝道墩最低海床高程與水流流速密切相關，受海中平臺阻流影響，平臺兩側流速增大，同時各主墩之間流速也有所增大，進而導致各流速增大區(qū)內的匝道墩沖刷幅度較大，歷史最低海床高程較低，而海中平臺的背流區(qū)流速較小，匝道墩的沖刷高程也較高。