胶州湾大桥建设前后湾内泥沙冲淤数值模拟

张永强，张菀君，迟万清，边淑华，曹成林，胡泽建，刘建强

(自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

当前，我国主要经济带主要分布于东部沿海地区，跨海大桥的建设为我国经济建设做出了重大的贡献。为了加强东部沿海城市与岛屿之间的联系，近年来我国跨海大桥的建设取得了空前的成就，但存在的问题是，跨海大桥的建设对研究海域的海流流态、泥沙冲淤及生物的生态环境等造成了一定的影响，因此对所属海域大桥建成前后的环境评估至关重要。

王晨阳等(2010)基于无结构网格的港珠澳大桥所在海区平面二维潮流数学模型，分析了港珠澳大桥工程周围海域的潮流动力影响[1]。何杰等(2012)采用平面二维潮流数学模型模拟了港珠澳大桥对珠江口水域水动力的影响发现大桥工程对珠江口水域的水动力分布格局基本不产生影响[2]。盛天航(2015)模拟了顺河跨海桥工程对河道行洪的影响，指出跨海大桥的建立是导致河道大涡旋的直接成因，河道道行洪所所造成的河床的冲刷，经过计算后得出其最大冲刷的深度满满足对特殊大桥的基底埋深的安全值[3]。刘波等(2016)基于GOCI数据对杭州湾跨海大桥两侧水域悬浮泥沙浓度空间分异规律进行了研究，指出杭州湾大桥两侧悬浮泥沙浓度呈现一定的梯度特征[4]。石晓雨等(2018)基于区域海洋水动力模型ECOM的模拟结果分析了近年来胶州湾典型水文气象要素的变化特征及建桥前后水动力环境等的变化对冬季冰情的影响，指出跨海大桥建设从多方面影响胶州湾北部海冰的生消[5]。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

胶州湾位于中国黄海中部(36.06°～36.25°N，120.10°～120.37°E)，为一浅水海湾，总体上呈簸箕形，直倾斜在湾口区又转而向东倾斜，湾内平均水深约7 m，最大水深64 m[6]。

1.2 海流观测

2013年11月19日至2013年12月12日期间，在研究海域分别进行了大潮期间海流多船定点同步连续观测，站位分布见图1。

图1 胶州湾海流观测站位示意图Fig.1 Position of ocean current observation stations in Jiaozhou Bay

1.3 研究区泥沙冲淤数值模拟

本研究运用MIKE21软件从而达到有效的设计条件和参数[7-8]，并将沉积物分析、洋流观测等方法与水深地形和工程地质数据相结合来模拟潮流作用下研究区周围海底地形的演变。以2013年11月19日水文观测期间的潮型的开边界为计算条件，计算时采用海流观测期间的岸线，并对当时的水文观测资料进行了验证。为了减少其他胶州湾沿岸工程对计算结果的影响，在考虑胶州湾大桥建设前计算情景时以2013年11月19日水文观测期间的岸线及水深作为计算岸线和水深，与建设预测情景相比增加了桥墩，并且根据实际尺寸将桥墩设计为模型中的防渗结构。

1.3.1 泥沙运动控制方程 泥沙控制方程为：

(1)

1.3.2 沉积物沉积和侵蚀的计算公式 ①沉积速率。根据以前的研究结果提出的方法来计算沉积速率(SD)，公式如下：

SD=ws·cb·pd

(2)

式(2)中：ws为沉降速度；cb为底层悬浮泥沙浓度；pd为淤积速率的斜坡函数。沉降速度计算公式如下：

(3)

式(3)中：k,γ为系数；c为体积浓度；ws,r为沉降速度系数；cgel为泥沙絮凝点；ws,n为组分能量常数。

Pd的计算公式如下：

(4)

式(4)中：τb为底床剪切力；τcd为临界淤积剪切应力。

②泥沙浓度的分布。泥沙浓度分布有2种计算方法，其一是Teeter公式，如下：

(5)

其二如下：

(6)

式(6)中：C为悬浮泥沙浓度；R为Rouse参数，计算公式如下：

(7)

式(7)中：ε为扩散系数；z为垂向笛卡尔坐标；Ca为深度基准面处的悬浮泥沙浓度；a为深度基准面。

③底床侵蚀。底床侵蚀根据底床的密度，有2种计算侵蚀的方法，一是压实固结底床侵蚀的计算公式，如下：

(8)

式(8)中：SE为侵蚀率；E为侵蚀系数；τce为临界冲刷剪切应力；n为侵蚀能力。

二是软、部分固结底床侵蚀计算公式，如下：

SE=Eexp[α(τb-τce)1/2],τb>τce

(9)

式(9)中：α为参考系数。

1.3.3 输入参数确定 水深地形：以研究海域最新实测地形并结合航保部公布的海图数字化的数据提供模型计算水深；计算岸线：与水动数模型计算岸线给定方式一致；沉积物的类型以及粒度参数特征：我们依据研究区最近和历史沉积物的表层调查资料，2013年8月研究区沉积物调查结果表明，在胶州湾湾顶发育了大片潮滩，研究区的潮滩以及海底的沉积物的类别主要有粉砂T、砂质粉砂ST及粉砂质砂TS，中值粒径在1.8～7.8 φ之间(图2)；在大桥中部、2 m水深以深的海域，沉积物颗粒较细，主要成分为粉砂，中值粒径在5.9～6.3 φ之间，沉积物分布较均匀；在大桥的东西两侧接陆端、1 m水深以深的海域沉积物分布相对偏粗，主要是砂质粉砂，中值粒径在3.7～4.9 φ之间；其他区域包括沧口水道海域，沉积物分布比较均匀，主要成分是粉砂，颗粒较细，中值粒径在5.2～7.8 φ之间。

图2 中值粒径φ值分布Fig.2 Distribution map of median particle size (φ)灰色线为等深线，蓝色线为中值粒径等值线，红色线为胶州湾大桥。

2 结果与讨论

2.1 研究区潮流场数值模拟以及对模型的验证

本研究中数值模型采用的是二维平面潮流数值模型—Mike21-FM模型[9-11]，将模拟结果与研究区各站位的实测海流资料进行比较(图3、4)，得出二者的趋势基本一致，准确地说明了大桥建成前后的潮流场分布情况。

图3 L04站潮位验证Fig.3 Verification chart of tide level at L04 station

图4 各站位潮流验证Fig.4 Verification chart of tides at each station

2.2 胶州湾大桥建设前后潮流计算结果比较分析

图5 落急时刻胶州湾大桥施工前后流场比较图Fig.5 Current fields during the ebb before and after the bridge construction工程前流矢量图为红色，工程后流矢量图为黑色。

由胶州湾大桥建设前后落急时流场比较图(图5～9)可以看出，落急时流向改变较大的海域主要是在胶州湾大桥桥墩附近。总体特征是：相对于施工前，胶州湾跨海大桥建成后的流向在东部海区域沿逆时针方向偏转，而在西部海区域则沿顺时针方向偏转。流速改变表现为在胶州湾大桥连接陆侧海域中，在大桥的北侧，大桥建设后流速较大桥建设前变小；在大桥南侧，大桥建设后流速较建设前增大;在大桥东侧通航孔处，两个最大跨度桥墩之间，工程后流速较工程前增大幅度较大，可达0.06 m/s以上；东西两侧的海域中，工程后的流速相对于工程前变小，下降幅度约为0.02 m/s。从各个桥墩附近的海域中可以看出，在桥墩南北两侧，工程后流速相对于工程前变小。在大桥东西两侧的海域中，施工后流速相比工程前变大，但变化幅度不大。落急时在胶州湾大桥与红岛连接线的东西两侧海域，工程后的流速相对于工程前变大，变大幅度在0.02 m/s左右。在大桥中部通航孔附近，跨度最大的桥墩之间的海域，工程后的流速相对于工程前变大，而在东西两侧海域工程后流速相对于工程前变小，变小幅度在0.02 m/s左右。在西侧通航孔附近，跨度最大的桥墩之间海域，工程后流速相对于工程前变大，而在东西两侧海域工程后流速相对于工程前变小，变小幅度在0.04 m/s左右。

由胶州湾大桥建设前后涨急时流场比较图(图10～14)可以看出，涨急时流向改变较大的海域主要是在胶州湾大桥桥墩附近，总体特征是：施工后，与施工前相比流向发生了逆时针偏转。流速改变表现为：大桥东侧通航孔附近，两个最大跨度墩之间的海域，工程后流速相对于工程前变大，变大幅度在0.06 m/s左右；在各个桥墩的南北两侧海域，工程后流速均相对于工程前变小，而东西两侧工程后流速相对于工程前变大，但存在流速改变的海域范围不大。胶州湾大桥与红岛连接线附近海域，工程后流速相对于工程前变小，变小幅度在0.02～0.14 m/s之间。在大桥中部通航孔附近，跨度最大的桥墩之间海域，工程后流速相对于工程前变大，而东西两侧海域工程后流速相对于工程前变小，变小幅度在0.02 m/s左右。在西侧通航孔附近，跨度最大的桥墩之间海域，工程后流速相对于工程前变大，而东西两侧海域工程后流速相对于工程前变小，变小幅度在0.04 m/s左右。

图6 落急时刻胶州湾大桥施工前后流速比较等值线Fig.6 Current velocity contours during the ebb before and after the bridge construction红色区域表示流速增加，蓝色区域表示流速减少；框1、2、3分别为图7、8、9展示区域。

图8 落急时胶州湾大桥中部通航口附近流速比较等值线Fig.8 Current velocity contours during the ebb near the central navigation port红色区域表示流速增加，蓝色区域表示流速减少。

图9 落急时胶州湾大桥西侧通航口附近流速比较等值线Fig.9 Current velocity contours during the ebb near the west navigation port红色区域表示流速增加，蓝色区域表示流速减少。

图10 涨急时刻胶州湾大桥工程前后流场比较Fig.10 Current fields during the flood before and after the bridge construction工程前流矢量图为红色，工程后流矢量图为黑色。

图11 涨急时刻胶州湾大桥工程前后流速比较等值线Fig.11 Current velocity contours during the flood before and after the bridge construction红色区域表示流速增加，蓝色区域表示流速减少；框1、2、3分别为图12、13、14展示区域。

图12 涨急时胶州湾大桥东侧通航口附近流速比较等值线Fig.12 Current velocity contours during the flood near the east navigation port红色区域表示流速增加，蓝色区域表示流速减少。

图13 涨急时胶州湾大桥中部通航口附近流速比较等值线Fig.13 Current velocity contours during the flood near the central navigation port红色区域表示流速增加，蓝色区域表示流速减少。

图14 涨急时胶州湾大桥西侧通航口附近流速比较等值线Fig.14 Current velocity contours during the flood near the west navigation port红色区域表示流速增加，蓝色区域表示流速减少。

2.3 胶州湾大桥建设后冲淤计算结果

由胶州湾大桥建设后年冲淤变化图(图15)可知，在沧口水道与红岛连接线之间的南侧海域，工程后处于冲刷区，冲刷强度最大可达0.015 m/a；在大桥连接青岛侧的岬湾处表现为淤积环境，淤积强度为0.050 m/a左右；在中部通航孔与红岛连接线之间海域表现为冲淤平衡区，淤积强度在-0.004～0.004 m/a之间，在西侧通航孔附近表现为冲刷区，冲刷强度可达0.013 m/a左右。

图15 胶州湾大桥建设后年冲淤变化Fig.15 Annual scouring and silting changes after the bridge construction

在胶州湾大桥建设后东侧通航孔附近，由于大桥建设后的阻流效应，在跨度最大的两个桥墩之间表现为明显的冲刷区，冲刷强度最大可达0.030 m/a；其他小型桥墩表现为：在南北向的两个小桥墩之间为淤积区，淤积强度为0.050 m/a以上，在东西向的平行桥墩之间则为冲刷区，冲刷强度在0.015 m/a左右。

胶洲湾大桥与红岛连接线附近向陆侧海域明显表现为淤积区，在桥墩附近淤积强度为0.080 m/a左右，在桥墩之间淤积强度为0.004 m/a左右；在南侧海域主要表现为冲刷区，冲刷强度为0.006 m/a。

在中部通航孔附近，除跨度最大的两个桥墩之间表现为冲刷区(年冲刷强度在0.017 m/a左右)外，其他大部分海域表现为淤积区，且桥墩附近海域淤积强度可达0.050 m/a以上。

在西侧通航孔附近，跨度最大的两个桥墩之间和通航孔北侧海域表现为冲刷区，冲刷强度分别在0.020 m/a左右和0.009 m/a左右，通航孔南侧海域则表现为冲淤平衡区。

2.4 胶州湾大桥建设前冲淤计算结果

由胶州湾大桥建设前年冲淤变化图(图16)可知，大桥建设前后研究海域在大范围上的冲淤趋势上基本一致。在东侧通航孔附近，部分海域表现为冲刷区，冲刷强度在0.007 m/a左右。

在大桥与红岛连接线之间的南侧海域表现为冲刷区，冲刷强度在0.007 m/a左右，北侧海域表现为弱冲刷区，冲刷强度在0.001 m/a左右。

在中部通航孔附近，大部分海域表现为淤积区，其中跨度最大的两个桥墩之间淤积强度在0.030 m/a左右，其他区域淤积强度可达0.010 m/a左右；在中部通航孔与红岛连接线之间海域表现为冲淤平衡区。

在西侧通航孔附近海域表现为冲刷区，冲刷强度在0.007 m/a左右，大桥北侧的冲刷趋势较大桥南侧稍强；在大桥连接青岛侧的岬湾处表现为淤积区。

3 结论

由胶州湾大桥建设后各典型海域如东侧通航孔、红岛连接线附近、中部通航孔、西侧通航孔等的潮流场数值模拟结果可知，在通航孔处跨度最大的桥墩之间，流速略高于周围的海域。与周围海域相比，小桥墩南侧和北侧的流速相对较小，东西两侧海域的速度大于周围海域的速度。在连接线附近海域表现为：落急时桥墩南侧海域流速较周边海域小，涨急时桥墩北侧海域流速较周边海域小。

通过对胶州湾大桥建设前的流场进行数值模拟可知，胶州湾大桥的建设对胶州湾整体的流态影响较小，涨落急等特征时刻流场分布在胶州湾大桥建设前后基本一致。

胶州湾大桥的建设对胶州湾湾内水动力的改变主要在桥墩建设附近海域，主要表现为在涨落急特征时刻，桥墩南北两侧的流速比工程前要小，桥墩东西两侧的流速比工程前要大。特别在跨度较大的通航孔附近海域，桥墩东西两侧流速与工程前相比增大幅度较大。

图16 胶州湾大桥建设前年冲淤变化Fig.16 Annual scouring and silting changes before the bridge construction

通过对大桥建设前后冲淤数值进行模拟，结果可知，工程前后工程附近冲淤趋势基本一致，只是在大桥桥墩附近出现的冲淤变化较大的情况，表现为在桥墩的南北两侧出现较大桥建设前淤积加强区，在桥墩的东西两侧出现冲刷加强区，在通航孔桥墩跨度较大的海域，冲刷强度增大比较明显。