強潮流作用下橋墩不對稱“雙腎型”沖刷地貌特征與機理

陸雪駿，程和琴*，周權平，姜月華，郭興杰，鄭樹偉，吳帥虎

(1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室， 上海 200062;2.中國地質調查局 南京地質調查中心，江蘇 南京 210016)

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強潮流作用下橋墩不對稱“雙腎型”沖刷地貌特征與機理

陸雪駿1，程和琴1*，周權平2，姜月華2，郭興杰1，鄭樹偉1，吳帥虎1

(1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室， 上海 200062;2.中國地質調查局 南京地質調查中心，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上，利用多波束測深技術研究大橋主墩附近局部沖刷地形。結果表明，該大橋橋位附近地形沖刷較顯著，且大橋主墩位置有持續沖刷的趨勢；主墩上、下游群樁最大沖刷深度呈上游最深、中部淤積、下游漸深的不對稱形態，最大局部沖刷深度為4 m；橋墩整體沖刷坑形態呈南北“雙腎型”；潮流流向與橋墩迎流面存在偏南的入射角，使得各橋墩南側的最大沖深和沖刷范圍均大于北側。

局部沖刷;雙向流;多波束;橋墩;上海長江大橋

1　引言

橋墩沖刷是橋梁水毀的主要原因之一，所以橋墩沖刷問題一直被研究者廣泛關注。許多學者[1—7]已對單向流作用下橋墩局部沖刷做過研究，研究手段主要有物理模型實驗、數字模型及現場實測等。近些年，隨著潮汐河口大型橋梁的涌現，出現了針對雙向流作用下橋墩沖刷的研究，多數基于借鑒單向流的沖刷深度計算公式[8—11]、物理模型實驗[12—16]和數值模擬的方法[17—20]。模擬實驗雖可以極大程度上地模擬現場環境，但由于自然因素格外復雜，導致實驗結果無法充分體現實際沖刷現狀。本文依托上海長江大橋工程，對該橋軸線水域河床沖淤演變進行分析，運用多波束測深系統獲取主橋墩沖刷形態實測資料，對維護上海長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　河勢與大橋概況

2.1河勢概況

上海長江大橋位于長江口北港水域，連接著長興島和崇明島(圖1)。北港為長江入海的二級岔道，上接中央沙，下至崇明團結沙，臨近長江口外，潮汐、水動力復雜，河床泥沙活動性強，河床自然沖刷和演變較為復雜。長江口自徐六涇以下呈“三級分叉，四口入海”的河勢格局，其泥沙主要來自長江流域，大通水文站多年平均輸沙量為3.93×108t。自20世紀80年代來，長江上流來沙就呈減小趨勢。2000-2007年平均輸沙量減少到2.1×108t，2006年受特枯水年影響，輸沙量僅為0.848×108t。

注：海面位于橋墩承臺圖1　上海長江大橋工程所在區域及觀測站示意圖Fig.1　Location of the Shanghai Yangtze River Bridge and observation station

2.2大橋概況

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

圖2　上海長江大橋主橋墩結構示意圖Fig.2　Structure of main pier

3　數據采集與處理方法

3.1數據采集

多波束測深系統采集的是高密度條帶水深數據，可以對水下地形進行全覆蓋測量，課題組于2014年10月運用多波束測深系統(Multibeam Echo Sounder，MBES)對上海長江大橋主橋墩附近水域經行掃測以便獲取橋墩局部地形資料。掃測數據運用Reson SeaBat 7125 SV2多波束配合SMC S-108姿態傳感器采集，頻率選用400 kHz，波束密度選擇最大512個、120°條帶寬度，考慮定位精度和穩定性的均衡，采用差分衛星定位技術(DGPS)；為了保證對橋墩及附近底形全覆蓋的測量要求，按照直線行船路線，在橋墩兩側依次通過經行掃測(圖3)；同時，船速大小控制在5節以下，以保證測量數據的穩定性和完整性。主橋墩分為南墩和北墩，單個主墩又分為北側和南側，對主橋墩樁柱自上游向下游方向編號(圖4)。掃測結合走航式ADCP測流獲取地形與潮流空間準同步數據，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北側(S1)和橫沙東灘北岸(S2)進行定點水文測量(圖1)。

圖3　多波束掃測行船路線Fig.3　Travel route of measuring

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

3.2數據處理方法

首先利用PSD2000軟件對多波束數據校準，獲取橫搖(roll)、縱搖(pitch)和艏向(yaw)等參數[22]。然后進行潮位改正，本次測量橋墩區域范圍較小，探測時間短，潮位變化不大，所以此次測量采用一站式水位時差法，利用堡鎮驗潮站資料(圖5)內插出測量任意時刻的水位。隨后利用PDS2000對數據回放和導出，并通過ARCGIS等軟件對數據進行后處理及分析。

圖5　堡鎮站潮位過程線Fig.5　Time series of tides at Station Baozhen

4　結果與分析

潮汐河口下橋墩附近的床面形態在水流、泥沙和風浪的相互作用下變化極為復雜[3]，橋墩會改變其周圍水流條件，并產生水力現象，引起橋墩周圍泥沙輸移能力增加，導致了其附近床面的沖刷。其主要機理與橋墩阻水形成的漩渦有關，包括前部下降水流、墩底馬蹄形漩渦和墩后尾渦有關[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，被認為是沖刷過程起因，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]。水流在橋墩下游側分離產生不穩定、無序的尾渦，此旋渦產生的低壓漩渦，可將泥沙顆粒卷往水面，使橋墩后方的底床產生落淤堆積現象。

圖6　橋墩周圍的水流結構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，北港平面形態由過去順直微彎演變為中窄，向上、下端展寬的“啞鈴”型[26]。

圖7　上海長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1977—2013年海圖繪制上海長江大橋橋位斷面歷年高程圖，如圖7所示，可見自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-14 m。2001年以來，隨著青草沙水庫工程的實施，束窄了北港上段過水斷面，使北港主槽呈刷深擴張之勢；至2009年，主河槽北側和南側均外延了約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，使北港主槽南側發生淤積萎縮，但主槽北側繼續沖刷展寬，導致主墩處地形也繼續沖深，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，上海長江大橋所在區域的海床不斷變化，主槽河勢仍處于調整之中；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。

4.2潮流數據

根據S1和S2兩個測點(圖1)的洪、枯季ADCP實測數據(圖8)，北港基本以落潮優勢為主，計算其優勢流：優勢流=平均落潮歷時×平均落潮流速/(平均落潮歷時×平均落潮流速+平均漲潮歷時×平均漲潮流速)[27]。計算結果如表1所示，S1測點洪季和枯季分別為79.16%和66.52%；S2測點洪季和枯季分別為75.07%和67.06%，無論洪季還是枯季，北港落潮優勢均非常明顯。

圖8　S1和S2測點流速過程線Fig.8　The velocities of flow hydrograph in S1 and S2 station

表1　北港優勢流統計

在多波束進行掃測同時，利用ADCP測流，保證了時間同步，達到測量時間內的空間同步，獲取橋墩附近漲、落潮流向，如圖9所示，藍色為一個落潮周期內的流向，紅色為一個漲潮周期內的流向。

圖9　ADCP走航測流流向Fig.9　Current direction survey with ADCP

4.3橋墩局部沖刷深度

此次測量對大橋樁基承臺外圍樁柱及附近地形進行測量(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處平均水深做對比。

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

南、北主墩群樁順水向沖刷呈“上游最深、中部淤積、下游漸深”的基本形態(圖11)，主橋墩現階段最大局部沖刷深度為4.2 m，部分樁柱出現淤高2.3 m。最大沖深區均出現于落潮迎流面第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最高淤積區，這是承臺群樁的消能作用所致，漲、落潮水流流至承臺中部流速大幅減小，致使水流挾沙力減弱，在橋墩中部形成淤積區。接著在第8和第9墩柱附近出現漸深沖刷區，在漲潮時段橋墩下游成為迎流面，故在下游段產生明顯的沖刷，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，北港潮汐為非正規淺海半日潮，潮流落潮優勢明顯，落潮時段的水流作用時間和最大流速均大于漲潮時段，故導致了橋墩局部沖刷深度上游段遠大于下游段的不對稱形態。

圖11　主橋墩兩側樁柱沖刷深度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：負值表示淤積，“/”代表無數據。

通過實地勘測，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；上游段沖刷情況嚴重，建議強化橋墩上游段的防沖刷措施，同時加強主橋墩局部沖刷觀測。

4.4橋墩整體沖刷形態

通過多波束實測數據，得到南、北主橋墩沖刷坑形態(圖12，圖13)。強潮地區雙向流作用下，沖刷坑形態與單向流下產生的“馬蹄形”沖刷坑不同[28—29]，群樁整體沖刷坑形態呈現南北“雙腎型”沖刷坑，符合以往物理模型實驗中沖刷坑形態[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生成馬蹄形漩渦使河床淘刷向兩側延伸，故在群樁垂線方向上形成沖刷地貌，且該區域沖刷深度變化較大，形成沖刷坑，整個沖刷坑寬度約為50 m。沖刷深度變化不同于以往物理實驗，自群樁兩側向遠處方向先變小再變大，距離25 m處達到最大沖刷深度2.6～6.5 m，原因為物理實驗并沒有考慮橋墩防護工程對近墩區域的防護作用。沖刷坑在橋墩兩側沿上下游方向漸窄延伸，形成長約為300 m的長條型沖刷槽，且向下游延伸長度約為上游的2倍，強潮水流作用下形成了具有明顯上下游不對稱特征的沖刷地貌。

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

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

橋墩兩側的水流離開群樁背水面時產生的尾渦相匯，使大量泥沙在此落淤，形成延綿的長沙丘，上游段長約64 m，下游段長約95 m；受橋墩阻水影響，橋墩迎水面形成下降水流，對群樁上、下游兩端經行沖刷，北墩沖刷了1～2 m，但是南墩仍淤高1～2 m。在群樁外側四角水流能量消散較快而產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。

在落潮優勢的雙向流作用下，橋墩兩側形成了中間寬，向下游延伸并逐漸縮窄的沖刷槽，橋墩兩端形成了上游短、下游長的條形淤積區，共同構成了“雙腎型”沖刷坑。

4.5橋墩南北側沖刷坑差異

通常條件下，橋墩布置一般選擇中軸線與水流平行的方向，但在實際施工中，除橋梁自身跨度大外，還受地形、底質等天然因素及河勢演變導致的流向變化等影響，墩前來流與橋墩軸線會存在夾角，即來流入射角[15，33]。根據ADCP實測流速數據，大橋附近落潮平均流向為122°，漲潮平均流向為310°，落潮時存在10°的入射角，且往南偏，如圖14所示。入射角使橋墩南側也成為實際迎流面，同時增加了橋墩的有效阻水寬度，致使橋墩兩側出現不對稱的局部沖刷形態，橋墩周圍沖刷形態隨入射角向南偏移，最終使得橋墩南側的沖刷程度大于北側。

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

橋墩兩側“雙腎型”沖刷坑沖刷程度并非對稱，如表2沖刷坑統計數據所示，南、北主墩北側沖刷坑的最大沖刷深度分別為南側的71.5%和67.8%，說明10°入射角導致最大沖刷深度增加幅度在30%以下。主墩沖刷坑沖深2 m范圍南側略大于北側，但是沖深3 m范圍南側是北側的10倍；南主墩沖深2 m范圍南側是北側的5倍，且北側不存在沖深3 m的范圍。

5　結語

通過地形資料，獲取了橋墩處自然地形變化趨勢；運用多波束，探索了潮汐河口橋墩局部沖刷特性及附近沖刷地貌形態，以期為河口地區大型橋梁設計與維護提供可靠依據。

(1)由于大型橋梁的建設對河床演變產生明顯影響，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3 m；北港主槽南側微沖、北側微淤；大橋橋墩所在區域地形還在調整過程中，應加強觀測，尤其關注風暴潮等極端自然災害導致局部沖刷對橋墩安全的影響。

表3　南、北主橋墩沖刷坑統計

(2)潮汐往復流下，大橋橋墩上下游均出現局部沖刷，最大局部沖刷深度為4.2 m。北港潮流屬落潮優勢，導致了橋墩上游段局部沖刷深度大于下游段，建議加強橋墩上游段防護與監測。

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

(4)根據實測資料，潮流流向與橋墩軸線存在入射角，且入射角向南偏，使得橋墩南側的最大沖深度和沖深范圍均大于北側，建議加強對主墩南側的拋石防護。

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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。

國家自然科學基金(41476075)；沿長江重大工程區地質環境綜合調查(下游)子項目(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，博士生導師，主要從事河口海岸工程地貌與環境研究。E-mail:hqch@sklec.ecnu.edu.cn

TV882.2

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0253-4193(2016)09-0118-08