嘉紹跨江大橋錢塘江強潮水域流速及沖刷監測

任亮亮 羅超云

1 工程概況

嘉紹跨江大橋北起海寧尖山圍墾區,跨錢塘江水域,至上虞九六圍墾區,全長10.137 km,采用雙向八車道高速公路標準。主航道北側主橋基礎工程主要包括Z1過渡墩、Z2輔助墩、Z3Z5主墩基礎施工。橋位區的錢塘江河口尖山河段河床寬淺、潮強流急、涌潮洶涌,最大水深10 m左右,為非正規半日淺海潮流,水位每日兩漲兩落,水流屬往復流,但不對稱性較明顯,漲潮流大于落潮流,橋址處無長期潮位觀測站。

2 監測目的

鑒于本工程所處的錢塘江區域水文、地質條件極其復雜惡劣,為了實時了解橋梁樁基和下部構造及上部構造施工期橋位區河床的最大沖刷深度,對施工過程中可能發生的河床地形變化進行預測,制定相關階段的防護工程預案,對橋位區一定范圍內的河床標高、潮位、潮流進行監測。

3 監測方法

3.1 潮位及河床標高監測

1)監測點布設。河床標高監測點布設在每個墩施工平臺上,沿著鋼圍堰位置區域一圈布設8個點,承臺中心處布設1個點,施工平臺四角分別布設1個點,每個平臺共布設13個監測點。

2)監測方法。首先采用普通水準測量方法,測量出布設河床標高監測點處的施工平臺面標高H平臺。然后在高、低潮位平潮時,采用測繩快速測量每個監測點處施工平臺面到水面的深度L水面,同時采用SSH型超聲波測深儀測量此監測點處水面到河床的深度L河床,并做好記錄。完成外業觀測后,及時對測量的數據進行計算整理,將觀測的平潮水面及河床深度數據轉換成標高數據,此轉換計算可采用下面公式:H水面=H平臺-L水面。H河床=H水面-L河床。其中,H水面為平潮水面標高;H河床為河床面標高。

3.2 潮流流速監測

1)監測點布設。本合同段五個墩、塔基礎均處于主航道范圍內,水流方向和流速基本相同,并根據漲潮潮流方向為由東北向西南,因此在Z3墩(Z3墩在五個墩的中間位置處)施工平臺的東北角處布設了潮流流速監測點。

2)監測方法。采用LS20B流速儀對潮流流速進行觀測。漲潮時,在布設好的監測點處,將LS20B流速儀置于水面以下0.3 m處,在水流沖擊下,流速儀內部的程序可將螺旋槳的轉數通過計算轉換成流速,顯示在流速儀的觀測手簿屏幕上。

4 強潮流速及河床沖刷標高變化監測研究

4.1 潮位、潮差研究分析

從2009年6月15日到2010年3月10日,根據在本項目工程區域對潮汐潮位的監測數據,最高潮位4.80 m(2009年10月5日和6日的高平潮),平均高潮位 3.42 m,最低潮位-3.1 m(2009年10月5日的低平潮),平均低潮位為-2.04 m,最大潮差7.90 m(2009年10月5日)。

圖1為 2010年2月1日～2月28日在Z3墩位置監測的錢塘江潮位曲線圖,2月8日～2月10日(農歷十二月二十五～二十七日)高潮位曲線達到一個低谷,同時這三天,低潮位曲線達到高峰;2月14日～2月 16日(農歷一月初一～初三)高潮位曲線達到一個高峰,同時這三天,低潮位曲線達到低谷;2月22日～2月24日(農歷一月初九～十一日)高潮位曲線達到一個低谷,同時這三天,低潮位曲線達到高峰,由此潮位變化曲線圖可以看出,高、低潮位變化曲線均呈正弦曲線規律,且高、低兩條潮位變化曲線構成橫放的“葫蘆狀”隨日期對稱起伏,變化周期為半個月。

在圖1中,同一天高潮位與低潮位兩條曲線之間的距離可表示當天的潮差值,且潮差值在“葫蘆腹和頸”之間交替變化,與高潮位曲線波動方向相同,但變化幅度遠大于高潮位曲線,變化周期也為半個月。

4.2 潮流流速研究分析

自2009年6月15日至2010年3月10日,在Z3墩位置處連續對潮流流速進行了監測,此期間最大潮流流速7.09 m/s(2009年10月6日11:26漲潮流速)。

下面是2010年1月的潮流流速監測的數據統計:2日(農歷十一月十八日)潮流流速達到一個最大值3.15 m/s,后面逐日減小,一直到 10日(農歷十一月二十六日)潮流流速達到最小值1.55 m/s,后面逐日增大,一直到 17日(農歷十二月初三)潮流流速又達到一個最大值3.10 m/s,再到25日(農歷十一月二十六日)潮流流速再次達到最小值1.45 m/s,后面逐日增大,由此可看出,在一個月內,潮流流速變化兩次達到最大值和最小值,并呈正弦曲線規律變化,變化周期為半個月。

再結合前、后幾個月的潮流流速監測數據可知,2009年6月最大潮流流速3.12 m/s(25日11:58漲潮流速),7月最大4.23 m/s(24日11:49漲潮流速),8月、9月一直到 10月,每個月潮流流速最大值逐月增大,10月潮流流速最大值達到本次連續近9個月監測期中的最大值,11月、12月、2010年1月、2月一直到 3月,每個月潮流流速最大值逐月減小。

4.3 河床標高變化與潮流流速關系研究

圖2是一個由小潮汛到大潮汛再轉入小潮汛過程的河床標高和潮流流速監測曲線圖,2009年8月 15日～8月26日,在Z3墩施工平臺附近,進行了12 d連續監測。

由圖2可看出,在潮流流速較小時,高、低平潮時的河床標高均較高,潮流流速增大時,高、低平潮時的河床標高均隨之降低,等潮流流速再次減小時,高、低平潮時的河床標高均也隨之增大,河床標高和潮流流速成反比變化;在同一天,高平潮河床標高曲線和低平潮河床標高曲線之間的距離表示當天河床沖刷和淤積的深(厚)度,河床標高沖刷和淤積的深(厚)度隨潮流流速增大而增大,潮流流速最小約2.8 m/s時,河床標高沖刷和淤積的深(厚)度也最小約0.30 m,到潮流流速達到最大值約5.6 m/s時,河床標高沖刷和淤積的深(厚)度也達到最大約1.80 m,所以河床標高沖刷和淤積的深(厚)度與潮流流速成正比變化。

4.4 工程結構物處受沖刷河床標高變化研究

Z3墩進行鋼護筒施工期間,在鋼護筒插打前后,對鋼護筒插打位置處河床標高進行了連續監測,下面為Z3-21號鋼護筒位置處在鋼護筒插打前后6天連續監測:Z3-21號鋼護筒位置處在鋼護筒插打前河床標高高平潮時-5.00 m、低平潮時-6.00 m,2009年8月27日低平潮時Z3-21號鋼護筒插打入河床,經過第一個漲潮沖刷后,其位置處河床標高(高平潮時)-7.50 m,一個潮水沖刷深度達2.5 m,再經過2 d～3 d漲落潮沖刷,其位置處的高平潮河床標高降至-9.20 m,低平潮河床標高降至-9.50 m,高平潮時河床標高比鋼護筒插打前降低了4.20 m,低平潮時降低了3.5 m,趨于穩定。由此可見,在受到結構物阻擋的情況下,潮水水流會在結構物附近產生強沖刷,結構物附近的河床標高會急劇下降,結構物的穩定性下降,產生不安全因素,因此在結構物施工前,對河床沖刷我們應提前做好必要的防護。根據此變化規律,可指導類似條件和工況的工程施工。

5 結語

本次對嘉紹跨江大橋主航道橋區域的潮位、河床標高和潮流流速進行了連續監測,并對監測數據進行了整理統計,分析總結出了錢塘江在嘉紹大橋區域的河床標高變化和潮流流速的規律,可對本工程后續施工起指導作用,也可供在錢塘江本江段區域或類似強潮水域的其他工程中借鑒參考。

[1]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].

[2]JGJ 8-2007,建筑變形測量規范[S].

[3]黃 永.某大橋動力分析[J].山西建筑,2008,34(22):317-318.