跨海大橋攔阻設施實施的懸沙擴散影響分析

戴 路，陳 鵬，祖曉涵

(1.蘇交科集團股份有限公司，南京 210000；2.南京師范大學 虛擬地理環境教育部重點實驗室，南京 210023；3.南京雨后地軟環境技術有限公司，南京 210000)

隨著經濟建設的快速發展，超大型跨海橋梁越來越多，與此同時，船橋相撞事件時有發生，嚴重的會造成船毀人亡、橋梁倒塌、環境災難及經濟損失[1]。為避免或減輕事故后果，非通航孔攔阻船舶設施成為跨海大橋不可或缺的組成部分[2-3]。攔阻設施實施引起的懸浮物擴散對海水水質產生一定影響[4]，因此，有必要基于引起的懸沙擴散分布對水質環境影響進行分析。

本文以金塘大橋為例，在應用二維潮流數學模型分析工程海域水動力特征的基礎上，利用懸沙擴散數學模型，模擬了攔阻設施實施時引起的懸沙擴散分布，并分析了對工程海域的水質環境影響。為獲得較好的模擬效果，采用等效糙率法對金塘大橋橋墩進行概化。

1 項目背景

圖1 攔阻設施平面布置示意圖

金塘大橋是舟山連島工程的主橋之一，為保證橋梁及通航船舶的安全，其非通航孔攔阻設施安裝工程于2018年8月實施完成，攔阻設施分布于主通航孔和西通航孔兩側(圖1、圖2)，總長約6 000 m，其中，主通航孔兩側攔阻設施最大可攔阻2.5萬載重噸、航速4.0 m/s的滿載船舶，西通航孔兩側攔阻設施最大可攔阻1 000載重噸滿載船舶。

依據實施方案，金塘大橋非通航孔攔阻設施由8個攔阻單元組成，每個攔阻單元包括浮基、攔阻網、錨鏈、浮筒、系泊錨等組成部分，浮基布置間距66～99 m，系泊錨有20 t、10 t兩種類型，其體積分別為8 m3、4 m3，其中，攔阻網位于水上，浮基、浮筒浮于水面，錨鏈位于水中，系泊錨則位于泥面以下0.5～1.5 m。

2 水動力數值模擬

2.1 控制方程及邊界條件

波浪影響下的潮流方程[5-6]為

(1)

(2)

(3)

式中：h為總水深；η為當地水位；t為時間；g為重力加速度；u、v為流速沿x、y方向的分量；f為科氏參量；ρ為海水密度；Sxx、Sxy、Syx、Syy為波浪輻射應力張量的4個分量；τbx、τby為波浪、潮流共同作用下的底部切應力沿x、y方向的分量。

計算中，采用干濕網格判別法對露灘現象進行模擬，初始條件設定為靜水條件，固邊界采用法向流速為0的邊界條件，外海開邊界采用潮位控制，其過程由中國近海潮波運動數學模型[7]提供。

2.2 計算區域及網格劃分

結合工程海域位置、攔阻設施布置及模擬精度要求，本次模擬區域北至長江口以南、南至六橫島以南磨盤洋一線海域、東至嵊山島以東約65 km處。模型采用非結構三角形網格，并在工程海域進行局部加密，最小網格尺寸20 m，共設計網格節點18 652個，網格單元35 479個。本次計算區域及網格剖分圖見圖3，相應測站位置見圖4。

圖3 計算區域及網格剖分圖

Fig.3 Simulation area and mesh generation圖4 測站布置圖

Fig.4 Layout of observation stations

2.3 樁墩概化及模型驗證

2.3.1 樁墩概化方法

目前，在數值模擬中，樁墩概化分間接模擬和直接模擬兩類，其主要方法及優缺點見表1。

綜合分析各方法優缺點，同時考慮到金塘大橋具有分布范圍廣、橋墩分布眾多的特點，本次模擬在適當加密工程區域計算網格的基礎上采用等效糙率法對橋墩進行概化，可在減少計算耗時的同時保證模擬結果的精度。

表1 樁墩概化方法比較

2.3.2 等效糙率計算公式

樁墩及床面對水流的總阻力為

(4)

式中：Cd為繞流阻力系數；D為樁徑；U為流速；n為床面糙率；np為等效糙率；S為樁墩所在單元網格的面積。

則等效糙率與床面糙率的比值為

(5)

式(5)物理意義明確，但非恒定流條件下阻力系數Cd的確定較為困難，給等效糙率的計算造成了不便，為此，祖曉涵、李瑞杰[8]等分析了各影響因素與等效糙率的關系，并基于數值模擬試驗，推求出非恒定流條件下的樁墩等效糙率計算公式

(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可以有效解決非恒定流條件下流速的周期性及其差異，更好反映水流的動能屬性，在近岸海域具有較好的適用性，因此，U采用全潮流速均方根值(有效流速)，即U=Urms。

式(6)結構形式簡單，考慮影響因素全面，易于應用，本次模擬中采用該式計算金塘大橋橋墩的等效糙率。

2.3.3 水動力模型驗證結果

采用2016 年1 月在工程海域同步觀測的水文資料對水動力模型進行驗證，水文測站布置見圖4，相應驗證結果見圖5及圖6。限于篇幅，只給出各測站大潮的潮位、流速、流向驗證結果。

圖5 大潮潮位驗證圖

Fig.5 Verification of tidal level during spring tide

圖6 大潮流向、流速驗證圖

Fig.6 Verification of tidal current during spring tide

驗證結果表明，水動力模型的模擬結果與實測資料均吻合較好，滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》[5]的要求，可較好地模擬計算區域的水動力變化過程。

2.4 水動力計算結果

就模擬區域而言，漲潮時，中、南部海域的潮波繞經諸多島嶼后傳入杭州灣，北部海域的潮波經過嵊山洋等海域后往長江口方向運動；落潮時，流向與漲潮時基本相反，路徑與漲潮時基本相同。

工程海域大潮漲、落急流矢圖分別如圖7及圖8所示，從工程海域的流向分布來看，漲潮流自東南狹口水域流向西北寬闊水域，落潮流反之；從工程海域的流速分布來看，從金塘島近岸向西，流速呈逐漸減小的趨勢。

圖7 工程海域大潮漲急流矢圖

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

圖8 工程海域大潮落急流矢圖

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

3 懸沙擴散模型

3.1 控制方程

在水動力模型驗證及結果分析的基礎上，建立懸沙擴散模型用于懸浮物濃度分布的模擬，其控制方程如下

(7)

圖9 大潮含沙量驗證圖

式中：C為垂向平均含沙量；εx、εy為沿x、y方向的泥沙擴散系數；Fc為泥沙源匯函數或泥沙沖淤函數，其中，泥沙沖淤函數Fs與底部切應力相關

(8)

式中：α為沉降系數；M為沖刷系數；τb為波浪、潮流共同作用下的床面底部切應力；τe為臨界沖刷切應力；τd為臨界淤積切應力。

3.2 懸沙模型驗證

采用2016 年1 月在工程海域同步觀測的含沙量資料對懸沙模型進行驗證，含沙量測站布置見圖4，相應驗證結果見圖9。限于篇幅，只給出各測站大潮的含沙量驗證結果。

驗證結果表明，懸沙模型的模擬結果與實測資料均吻合較好，滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》[5]的要求，可用于模擬分析攔阻設施實施對工程海域的懸沙擴散影響。

3.3 懸沙源強及源強點布置

3.3.1 懸沙源強

根據工程施工特點并結合工程海域的水動力環境特征，攔阻設施施工期間產生的懸浮泥沙主要由系泊錨投放引起。由于系泊錨投放時對底床泥沙的擾動時間與懸浮泥沙在水動力作用下的輸移擴散時間相比可忽略，系泊錨投放產生的懸沙源強可近似按瞬時考慮。按投放單個20 t系泊錨考慮，其將置換8 m3底泥，根據投放海域環境、施工工藝及底質組成等條件，泥沙起懸率為20%，泥沙干密度為700 kg/m3，投放系泊錨時的瞬時源強為112 kg/s。

圖10 各攔阻單元系泊錨投放代表點分布圖

表2 各攔阻單元代表點處大潮漲、落急流速表

3.3.2 源強點布置及工況確定

分別取各攔阻單元的中心點作為系泊錨投放的代表點(編號為1#～8#)，其分布如圖10所示。對1#～8#處的流速進行比較分析，比較結果見表2。

依據比較結果，在漲急時刻，西通航孔及主通航孔海域的最大流速點分別為3#及7#；在落急時刻，西通航孔及主通航孔海域的最大流速點分別為2#及7#。為考慮最不利情況下工程海域的懸沙擴散影響，分別考慮大潮漲急在7#點投放(工況一)、大潮落急時刻在7#點投放(工況二)、大潮漲急在3#點投放(工況三)及大潮落急在2#點投放(工況四)4種工況。

表3 各工況下懸沙擴散影響面積

3.4 懸沙擴散分布特征

在本地含沙量和攔阻設施實施期間懸沙源強的雙重作用下，各工況下懸沙濃度增量的分布見圖11～圖14，相應的懸沙擴散影響面積見表3。

由此可知，懸沙主要沿漲、落潮主流向擴散，由于主通航孔海域水深條件良好、挾沙能力強，懸浮泥沙輸移、擴散、稀釋的速度更快，相較于西通航孔海域，其懸沙濃度增大的范圍及幅度更小。進一步分析可知，主通航孔附近的系泊錨在漲急時刻投放時，懸沙擴散區域分布于金塘島西北側海域；在落急時刻投放時，懸沙擴散區域則呈帶狀分布于金塘島以西、金塘大橋以南的局部海域，其范圍較漲急時明顯減小；西通航孔附近的系泊錨在漲、落急時刻投放時，懸沙擴散區域均呈帶狀分布于西通航孔兩側。

3.5 懸沙擴散對水質影響分析

由表3分析可知，各工況下工程海域的懸沙濃度增量最大值均超過10 mg/L，工程區附近的海水水質不滿足一、二類水質標準[10]，其水質受到一定的影響。

進一步分析可知，主通航孔附近的攔阻設施實施時，懸沙濃度增量達到10 mg/L的海域面積不足0.1 km2，且集中在攔阻設施附近500 m范圍內；西通航孔附近的攔阻設施在漲急時刻實施時，懸沙濃度增量達到10 mg/L的海域面積不足2.5 km2，且最遠處位于攔阻設施北側4.5 km處，在落急時刻實施時，相應的海域面積不足3.5 km2，且最遠處位于攔阻設施南側6.5 km處。另外，金塘島西北側約10 km處有灰鱉洋產卵場，依據模擬結果，攔阻設施實施時，該海域的懸沙濃度增量低于5 mg/L，滿足一、二類水質標準[10]，該海域基本未受影響。

綜合分析，金塘大橋攔阻設施的實施對海水水質的影響較為有限。

圖11 工況一懸沙濃度增量分布

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

圖12 工況二懸沙濃度增量分布

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

圖13 工況三懸沙濃度增量分布

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

圖14 工況四懸沙濃度增量分布

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

4 結論

本文以金塘大橋為例，在采用等效糙率法概化橋墩的基礎上，應用二維潮流、泥沙數學模型，對非通航孔攔阻設施實施時引起的懸沙擴散分布進行模擬，并分析了水質環境影響，得到如下結論：

(1)本文采用的等效糙率計算公式適用于近岸海域，其結構簡單、考慮因素全面、使用方便，其在工程海域的應用可獲得較好的模擬效果。

(2)攔阻設施實施時，懸沙主要沿漲、落潮主流向擴散。主通航孔附近實施時，懸沙濃度增量達到10 mg/L的海域集中在攔阻設施附近500 m范圍內；西通航孔附近實施時，相應海域則集中在攔阻設施北側4.5 km至南側6.5 km的范圍內。總體而言，攔阻設施的實施對海水水質的影響較為有限。

(3)攔阻設施實施時，灰鱉洋產卵場的懸沙濃度增量低于5 mg/L，該海域基本未受影響。