强涌潮水域嘉绍大桥桥区冲刷特点

陈 艳，郭 勇

（浙江嘉绍跨江大桥投资发展有限公司，浙江 绍兴 312366）

1 问题的提出

嘉绍大桥位于钱塘江河口尖山河湾（见图1），大桥北起海宁尖山二期围垦区，跨钱塘江水域，至上虞九六丘围垦区，主航道桥采用70+200+50×428+200+70的六塔独柱四索面钢箱梁斜拉桥，北副航道桥采用70+2×120+70+2×120+70的便截面连续钢构桥[1]，桥长10.137 km。大桥于2008年12月开工，2013年7月19日正式通车。

嘉绍大桥所在河段海床宽浅、潮强流急、涌潮汹涌，涨落潮流路分歧，海床年内和年际冲淤变化剧烈[2]。近十几年来，在河口治江围垦背景下，河口形态变化剧烈，潮差增大，涌潮动力增强，外加泥沙源减少，桥区滩槽摆动和桥墩局部冲刷不确定性风险呈增大趋势[3-4]。为了大桥安全运行，需要在河口新的河势条件下开展桥区冲刷特点跟踪研究，密切关注和动态掌握桥区航道、滩槽格局变化和桥墩冲刷形态特点，实时研判大桥安全形势。

图1 嘉绍大桥位置图

2 研究区域与资料

2.1 研究区域

钱塘江又名“之江”，是浙江省的母亲河，富春江电站大坝以下为感潮河段，即钱塘江河口，全长291 km。根据自然条件和河床演变特性的差异，河口分为河流段、河口段和潮流段（杭州湾），海宁古海塘位于河口段，径流和潮流共同作用，河床冲淤剧烈[5]。钱塘江涌潮闻名古今中外，本工程河段为涌潮的起潮区，实测涌潮高度一般1 ～3 m，最大可达3 m以上[6]。钱塘江多年平均径流总量301亿m3，年际间连续丰、枯水文年交替变化，年内径流分布不均匀，梅汛期（4 — 7月）4个月的径流总量占全年径流总量的52.7%。河口潮汐类型为非正规半日潮，澉浦多年平均潮差5.66 m，最大潮差可达9.15 m，居我国河口之首[1]。河口以海相来沙为主，河床底质细颗粒主要为粉沙，在强劲的潮动力和年际年内变幅较大的径流作用下，河床变化频繁剧烈[3]。

2.2 资料来源

地形资料分为河口常规大测量和桥区精细化测量2个层级。

（1）河口常规大测量数据：自20世纪50年代至今，钱塘江河口开始系统跟踪监测，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）实施全河段准1:50 000的水下地形测量，平均1 ～ 3 km为1个断面，断面上100 ～ 500 m有一个测点的精度。基于河口常规大测量数据，并结合同期的河口水文河势数据，分析桥区宏观河势变化特点。

（2）桥区精细化测量资料：①分别于2017年4月、9月，2018年4月、9月和2019年4月、9月，沿大桥布测6个断面开展水下地形测量（见图2），其中DM1、DM2、DM3位 于 大 桥 上 游500，200，100 m，DM4、DM5、DM6位于大桥下游100，200，500 m。D2和D5断面线较短，主要在主通航孔平行于桥轴线上下游监测，断面比尺1:2 000。在河势断面的基础上，2016年10月、2017年9月、2018年9月、2019年10月在桥墩上下游100 m范围进行多波速地形扫测，以掌握大桥各桥墩局部冲刷变化情况。

图2 桥区断面布置图

3 结果与讨论

3.1 江道冲淤变化及深槽摆动

图3为嘉绍大桥所在尖山 — 澉浦河段2015 — 2018年多年平均高潮位（简称“多高”）下容积和多年平均低潮位（简称“多低”）下容积变化过程图。从图3可见，各年份均以7月份容积最小，7月份上游河段受洪汛冲刷后，泥沙冲刷至本河段，河床淤积，造成河床容积减小。进入枯季大潮，潮水冲刷，容积增大，至翌年4月容积最大。可见大桥河段河床“洪淤潮冲”变化特征明显，且冲淤交替频繁。

图3 嘉绍大桥所在（尖山 — 澉浦河段）多高与多低下容积变化图

嘉绍大桥河段在尖山河段治理前主槽的平面摆动遍及全河两岸堤线之间[7]。1997年尖山围垦以来，由于尖山凸体的控导作用，涨潮主槽呈较稳定的偏走南河势（见图4）。随着尖山河湾的治理，河势整体稳定性增强，大桥主通航孔位于南部主槽区，航路较稳定。

图4 现状常态化大桥主槽形态图

3.2 大桥桥床近期冲淤特点

大桥上下游河床断面形态基本一致，图5为大桥上游500 m的DM1河床近期变化图。从图5可见：①北航道区：2017年4月最低高程、最高高程和平均高程均较低，主要与2017年4月深槽在桥址中北部发育有关；2017年4 — 9月，北副航道区回淤明显，平均高程抬高2.02 m；2017年9月至2019年9月北副航道区特征高程数据基本一致，平均高程介于-2.25 ～ -1.98 m。②中引桥区：中引桥区冲淤规律与北副航道区较为一致，其中2017年4月测次河床高程最低；2017年4 — 9月河床回淤明显，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月河床较稳定，2018年4 — 9月，河床有所刷深，平均高程降低0.70 m，但整体河床仍高于2017年4月测次。③南航道区：从河势断面可见，2017年9月南汊刷深最为剧烈，涨潮流贴南岸发育明显，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月主航道进一步刷深，较2019年4月，平均高程降低0.50 m，最低高程降低2.41 m。④南引桥区：南引桥区冲淤规律与主航道区较为一致，2018年9月以来，河床呈现趋势性冲刷，平均河床高程刷深1.50 m。从整体河床变化形态而言，南航道和南引桥区冲刷最为剧烈，河床上下包络最大变幅近8.0 m，需要关注短期河床剧烈变化对桥梁下部结构的影响。

图5 大桥上游500 m DM1断面冲淤变化图

3.3 桥墩局部冲刷形态与安全形势

图6为2019各墩周围河床地形平面图。由图6可见，各墩周围均有明显的冲刷坑形态，而且桥墩尺度越大，其冲刷坑范围越大。北航道桥墩最低高程-10.00 m左右，中引桥区桥墩因其桥墩型式为直径3.8 m的双桩型式，其桥墩尺度小于主航道桥及副航道桥尺度，因而其冲刷坑形态较小，且最低高程也明显高于北航道区桥墩最低高程。主航道桥区主墩桥墩直径较大，阻流效应显著，桥墩局部冲刷坑范围远大于其他类型的桥墩，且各墩均呈现向下游扩展的形态。南引桥区有一贴岸深槽发育，导致该段区域的桥墩最低高程明显降低。大桥所在河段潮动力强劲，深槽的发育与水文条件、河势变化密切相关。

图6 桥墩冲刷坑形态图

图7为2016 — 2019年桥墩内河床最低高程与桥墩设计不利冲刷高程的对比图。从图7可见，嘉绍大桥各桥墩冲刷处于允许安全范围内。其中北引桥段最小富余16.9 m，北航道桥段富余14.0 m以上，中引桥区桥墩富余在17.0 m以上。历史上嘉绍大桥河段主槽的平面摆动遍及全河段，桥梁设计从安全角度以床面历史最大冲刷下包络起算，桥墩实际冲刷高程较设计高程具有很大的富余度。但需要指出的是，主航道桥Z4 ～ Z7桥墩最低高程冲刷降低，2019年与2018年相比，Z6墩富余值减小了4.6 m，南引桥因深槽发育，最小富余度减小至14.3 m（N5墩），后期需进一步加强对桥墩的继续观测，关注主航道桥及南引桥区桥墩局部冲刷趋势，同时对于床面淤积对桥墩的影响也需要加强跟踪监测分析。

图7 桥墩内河床最低高程与桥墩设计不利冲刷高程对比图

4 结 论

通过2014 — 2019年对嘉绍大桥的河势监测断面观测，结合以往钱塘江河口常规地形测量资料，对桥位水域附近河床滩槽稳定性及桥墩局部冲刷深度进行监测与分析，结论如下：

（1）嘉绍大桥所在的河段受上游径流和下游潮流的双重影响，整体河势呈现“洪淤潮冲”的变化特征，河床冲淤变化剧烈。随着尖山河湾的治理，河势整体稳定性增强，涨潮主槽呈较稳定的偏走南河势。

（2）大桥河床断面分析表明，南航道区和南引桥区呈现显著冲刷态势，冲淤变幅可达8.0 m，建议加强监测，重点关注。

（3）嘉绍大桥各桥墩冲刷处于安全允许范围内，但南航道桥及南引桥桥墩最低高程有所冲刷，幅度可达4.0 m以上，建议后期加强对桥墩冲刷观测，特别是主航道桥及南引桥区桥墩。