跨海大桥拦阻设施实施的悬沙扩散影响分析

戴 路，陈 鹏，祖晓涵

(1.苏交科集团股份有限公司，南京 210000；2.南京师范大学 虚拟地理环境教育部重点实验室，南京 210023；3.南京雨后地软环境技术有限公司，南京 210000)

随着经济建设的快速发展，超大型跨海桥梁越来越多，与此同时，船桥相撞事件时有发生，严重的会造成船毁人亡、桥梁倒塌、环境灾难及经济损失[1]。为避免或减轻事故后果，非通航孔拦阻船舶设施成为跨海大桥不可或缺的组成部分[2-3]。拦阻设施实施引起的悬浮物扩散对海水水质产生一定影响[4]，因此，有必要基于引起的悬沙扩散分布对水质环境影响进行分析。

本文以金塘大桥为例，在应用二维潮流数学模型分析工程海域水动力特征的基础上，利用悬沙扩散数学模型，模拟了拦阻设施实施时引起的悬沙扩散分布，并分析了对工程海域的水质环境影响。为获得较好的模拟效果，采用等效糙率法对金塘大桥桥墩进行概化。

1 项目背景

图1 拦阻设施平面布置示意图

金塘大桥是舟山连岛工程的主桥之一，为保证桥梁及通航船舶的安全，其非通航孔拦阻设施安装工程于2018年8月实施完成，拦阻设施分布于主通航孔和西通航孔两侧(图1、图2)，总长约6 000 m，其中，主通航孔两侧拦阻设施最大可拦阻2.5万载重吨、航速4.0 m/s的满载船舶，西通航孔两侧拦阻设施最大可拦阻1 000载重吨满载船舶。

依据实施方案，金塘大桥非通航孔拦阻设施由8个拦阻单元组成，每个拦阻单元包括浮基、拦阻网、锚链、浮筒、系泊锚等组成部分，浮基布置间距66～99 m，系泊锚有20 t、10 t两种类型，其体积分别为8 m3、4 m3，其中，拦阻网位于水上，浮基、浮筒浮于水面，锚链位于水中，系泊锚则位于泥面以下0.5～1.5 m。

2 水动力数值模拟

2.1 控制方程及边界条件

波浪影响下的潮流方程[5-6]为

(1)

(2)

(3)

式中：h为总水深；η为当地水位；t为时间；g为重力加速度；u、v为流速沿x、y方向的分量；f为科氏参量；ρ为海水密度；Sxx、Sxy、Syx、Syy为波浪辐射应力张量的4个分量；τbx、τby为波浪、潮流共同作用下的底部切应力沿x、y方向的分量。

计算中，采用干湿网格判别法对露滩现象进行模拟，初始条件设定为静水条件，固边界采用法向流速为0的边界条件，外海开边界采用潮位控制，其过程由中国近海潮波运动数学模型[7]提供。

2.2 计算区域及网格划分

结合工程海域位置、拦阻设施布置及模拟精度要求，本次模拟区域北至长江口以南、南至六横岛以南磨盘洋一线海域、东至嵊山岛以东约65 km处。模型采用非结构三角形网格，并在工程海域进行局部加密，最小网格尺寸20 m，共设计网格节点18 652个，网格单元35 479个。本次计算区域及网格剖分图见图3，相应测站位置见图4。

图3 计算区域及网格剖分图

Fig.3 Simulation area and mesh generation图4 测站布置图

Fig.4 Layout of observation stations

2.3 桩墩概化及模型验证

2.3.1 桩墩概化方法

目前，在数值模拟中，桩墩概化分间接模拟和直接模拟两类，其主要方法及优缺点见表1。

综合分析各方法优缺点，同时考虑到金塘大桥具有分布范围广、桥墩分布众多的特点，本次模拟在适当加密工程区域计算网格的基础上采用等效糙率法对桥墩进行概化，可在减少计算耗时的同时保证模拟结果的精度。

表1 桩墩概化方法比较

2.3.2 等效糙率计算公式

桩墩及床面对水流的总阻力为

(4)

式中：Cd为绕流阻力系数；D为桩径；U为流速；n为床面糙率；np为等效糙率；S为桩墩所在单元网格的面积。

则等效糙率与床面糙率的比值为

(5)

式(5)物理意义明确，但非恒定流条件下阻力系数Cd的确定较为困难，给等效糙率的计算造成了不便，为此，祖晓涵、李瑞杰[8]等分析了各影响因素与等效糙率的关系，并基于数值模拟试验，推求出非恒定流条件下的桩墩等效糙率计算公式

(np/n)2=1+0.4D2/(SFr2)+25D/h

(6)

李瑞杰[9]等提出全潮流速均方根值(有效流速)Urms可以有效解决非恒定流条件下流速的周期性及其差异，更好反映水流的动能属性，在近岸海域具有较好的适用性，因此，U采用全潮流速均方根值(有效流速)，即U=Urms。

式(6)结构形式简单，考虑影响因素全面，易于应用，本次模拟中采用该式计算金塘大桥桥墩的等效糙率。

2.3.3 水动力模型验证结果

采用2016 年1 月在工程海域同步观测的水文资料对水动力模型进行验证，水文测站布置见图4，相应验证结果见图5及图6。限于篇幅，只给出各测站大潮的潮位、流速、流向验证结果。

图5 大潮潮位验证图

Fig.5 Verification of tidal level during spring tide

图6 大潮流向、流速验证图

Fig.6 Verification of tidal current during spring tide

验证结果表明，水动力模型的模拟结果与实测资料均吻合较好，满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》[5]的要求，可较好地模拟计算区域的水动力变化过程。

2.4 水动力计算结果

就模拟区域而言，涨潮时，中、南部海域的潮波绕经诸多岛屿后传入杭州湾，北部海域的潮波经过嵊山洋等海域后往长江口方向运动；落潮时，流向与涨潮时基本相反，路径与涨潮时基本相同。

工程海域大潮涨、落急流矢图分别如图7及图8所示，从工程海域的流向分布来看，涨潮流自东南狭口水域流向西北宽阔水域，落潮流反之；从工程海域的流速分布来看，从金塘岛近岸向西，流速呈逐渐减小的趋势。

图7 工程海域大潮涨急流矢图

Fig.7 Tidal current field in project sea area at flood strength of spring tide

图8 工程海域大潮落急流矢图

Fig.8 Tidal current field in project sea area at ebb strength of spring tide

3 悬沙扩散模型

3.1 控制方程

在水动力模型验证及结果分析的基础上，建立悬沙扩散模型用于悬浮物浓度分布的模拟，其控制方程如下

(7)

图9 大潮含沙量验证图

式中：C为垂向平均含沙量；εx、εy为沿x、y方向的泥沙扩散系数；Fc为泥沙源汇函数或泥沙冲淤函数，其中，泥沙冲淤函数Fs与底部切应力相关

(8)

式中：α为沉降系数；M为冲刷系数；τb为波浪、潮流共同作用下的床面底部切应力；τe为临界冲刷切应力；τd为临界淤积切应力。

3.2 悬沙模型验证

采用2016 年1 月在工程海域同步观测的含沙量资料对悬沙模型进行验证，含沙量测站布置见图4，相应验证结果见图9。限于篇幅，只给出各测站大潮的含沙量验证结果。

验证结果表明，悬沙模型的模拟结果与实测资料均吻合较好，满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》[5]的要求，可用于模拟分析拦阻设施实施对工程海域的悬沙扩散影响。

3.3 悬沙源强及源强点布置

3.3.1 悬沙源强

根据工程施工特点并结合工程海域的水动力环境特征，拦阻设施施工期间产生的悬浮泥沙主要由系泊锚投放引起。由于系泊锚投放时对底床泥沙的扰动时间与悬浮泥沙在水动力作用下的输移扩散时间相比可忽略，系泊锚投放产生的悬沙源强可近似按瞬时考虑。按投放单个20 t系泊锚考虑，其将置换8 m3底泥，根据投放海域环境、施工工艺及底质组成等条件，泥沙起悬率为20%，泥沙干密度为700 kg/m3，投放系泊锚时的瞬时源强为112 kg/s。

图10 各拦阻单元系泊锚投放代表点分布图

表2 各拦阻单元代表点处大潮涨、落急流速表

3.3.2 源强点布置及工况确定

分别取各拦阻单元的中心点作为系泊锚投放的代表点(编号为1#～8#)，其分布如图10所示。对1#～8#处的流速进行比较分析，比较结果见表2。

依据比较结果，在涨急时刻，西通航孔及主通航孔海域的最大流速点分别为3#及7#；在落急时刻，西通航孔及主通航孔海域的最大流速点分别为2#及7#。为考虑最不利情况下工程海域的悬沙扩散影响，分别考虑大潮涨急在7#点投放(工况一)、大潮落急时刻在7#点投放(工况二)、大潮涨急在3#点投放(工况三)及大潮落急在2#点投放(工况四)4种工况。

表3 各工况下悬沙扩散影响面积

3.4 悬沙扩散分布特征

在本地含沙量和拦阻设施实施期间悬沙源强的双重作用下，各工况下悬沙浓度增量的分布见图11～图14，相应的悬沙扩散影响面积见表3。

由此可知，悬沙主要沿涨、落潮主流向扩散，由于主通航孔海域水深条件良好、挟沙能力强，悬浮泥沙输移、扩散、稀释的速度更快，相较于西通航孔海域，其悬沙浓度增大的范围及幅度更小。进一步分析可知，主通航孔附近的系泊锚在涨急时刻投放时，悬沙扩散区域分布于金塘岛西北侧海域；在落急时刻投放时，悬沙扩散区域则呈带状分布于金塘岛以西、金塘大桥以南的局部海域，其范围较涨急时明显减小；西通航孔附近的系泊锚在涨、落急时刻投放时，悬沙扩散区域均呈带状分布于西通航孔两侧。

3.5 悬沙扩散对水质影响分析

由表3分析可知，各工况下工程海域的悬沙浓度增量最大值均超过10 mg/L，工程区附近的海水水质不满足一、二类水质标准[10]，其水质受到一定的影响。

进一步分析可知，主通航孔附近的拦阻设施实施时，悬沙浓度增量达到10 mg/L的海域面积不足0.1 km2，且集中在拦阻设施附近500 m范围内；西通航孔附近的拦阻设施在涨急时刻实施时，悬沙浓度增量达到10 mg/L的海域面积不足2.5 km2，且最远处位于拦阻设施北侧4.5 km处，在落急时刻实施时，相应的海域面积不足3.5 km2，且最远处位于拦阻设施南侧6.5 km处。另外，金塘岛西北侧约10 km处有灰鳖洋产卵场，依据模拟结果，拦阻设施实施时，该海域的悬沙浓度增量低于5 mg/L，满足一、二类水质标准[10]，该海域基本未受影响。

综合分析，金塘大桥拦阻设施的实施对海水水质的影响较为有限。

图11 工况一悬沙浓度增量分布

Fig.11 Distribution of suspended sediment concentration increment under condition 1

图12 工况二悬沙浓度增量分布

Fig.12 Distribution of suspended sediment concentration increment under condition 2

图13 工况三悬沙浓度增量分布

Fig.13 Distribution of suspended sediment concentration increment under condition 3

图14 工况四悬沙浓度增量分布

Fig.14 Distribution of suspended sediment concentration increment under condition 4

4 结论

本文以金塘大桥为例，在采用等效糙率法概化桥墩的基础上，应用二维潮流、泥沙数学模型，对非通航孔拦阻设施实施时引起的悬沙扩散分布进行模拟，并分析了水质环境影响，得到如下结论：

(1)本文采用的等效糙率计算公式适用于近岸海域，其结构简单、考虑因素全面、使用方便，其在工程海域的应用可获得较好的模拟效果。

(2)拦阻设施实施时，悬沙主要沿涨、落潮主流向扩散。主通航孔附近实施时，悬沙浓度增量达到10 mg/L的海域集中在拦阻设施附近500 m范围内；西通航孔附近实施时，相应海域则集中在拦阻设施北侧4.5 km至南侧6.5 km的范围内。总体而言，拦阻设施的实施对海水水质的影响较为有限。

(3)拦阻设施实施时，灰鳖洋产卵场的悬沙浓度增量低于5 mg/L，该海域基本未受影响。