橋墩沖淤檢測中多波束測深系統結合三維圖像聲吶的應用

陳曉佳 CHEN Xiao-jia

（上海海洋地質勘察設計有限公司，上海 200120）

0 引言

東海大橋2005 年全線貫通以來，海域近岸水域的動力條件、泥沙運移、沉積過程和地貌演變均較為復雜[1]。近年來長江流域入海砂量逐年減少，東海大橋沿線海域沖淤變化直接影響橋墩樁基的樁基承載能力，掌握橋墩基礎沖淤動態變化在確保橋梁安全運營顯得尤為重要，而橋墩基礎局部沖刷深度是確定基礎埋深和保證橋梁運行安全的重要參數。

利用波束測深系統可以通過同時發射和接收多波束來進行水下地形測量，可以實時顯示海底地形狀況和測量精度。同時配合三維圖像聲吶，對海底復雜的水下構造物精細繪制，提供清晰、高分辨的水下環境圖像。影響墩基局部沖刷因素較多，通過多波束測深系統和三維圖像聲吶進行水下地形測量能直觀反饋樁基沖刷實際情況，對于后期東海大橋后期樁基防護工程提供重要依據，也為類似海上風電、杭州灣大橋等跨海大橋沖刷防護等工程提供水下測量借鑒。

本文主要對多波束測深技術在東海大橋橋墩沖淤檢測過程中的應用進行分析探討，為東海大橋運營和后期橋墩回填施工提供準確、高效的測量數據。

1 依托項目概況

東海大橋是上海市跨越杭州灣北部海域通往洋山深水港的跨海長橋，全長32.5 公里，陸上段約3.7 公里，蘆潮港新大堤到大烏龜島之間跨海段長25.3 公里，大烏龜島至小洋山島之間連接段約3.5 公里。全橋設5000 噸級主通航孔三處，10000 噸級主通航孔一處，通航凈高40m。

本次對東海大橋跨海段測量在蘆潮港新大堤至大烏龜島段測量起始位置位于PM100 附近，測量結束位置位于PM450 橋墩附近，測區覆蓋PM100-PM450 共350 座承臺。PM100 以北水域及PM450 以南水域靠近岸邊，水深較淺，測量船只無法進入。顆珠山至小洋山段測量起始位置位于PM473，測量結束位置位于PM484，測量區域覆蓋PM473-PM484 共11 座承臺。掃測完成后對各橋墩軸線左右各200m 范圍內進行高程統計，掃測統計范圍如圖1 所示。

圖1 各橋墩高程值統計范圍示意圖

2 沖淤條件變化

2.1 泥沙輸送環境變化

根據2023 年長江水利委員會發布的2022 年度《長江泥沙公報》，2022 年6-10 月長江流域降水量為1961 年以來同期最少，長江流域干支流來水嚴重偏少，形成流域性嚴重枯水。長江遭遇百年一遇枯水、中下游輸沙量劇減。年輸沙量只有6650 萬噸。與多年平均值比較，年輸沙量量偏小81%[2]。

2.2 沉積動力環境變化

王澤等學者通過2011 年04 月-2020 年12 月共208張高質量GOCI 影像反演獲得東海大橋及鄰近水域表層懸浮泥沙濃度，從空間變化看，懸浮泥沙濃度在東海大橋兩側存在明顯的水平梯度。漲潮時，大橋西側懸浮泥沙濃度高于大橋東側。落潮時，大橋東側懸浮泥沙濃度高于大橋西側。大橋北側懸沙濃度高于南部，可能與近岸水淺，再懸浮能力有關。東海大橋建設15 年后研究海域最高懸沙濃度由2013 年950mg/l 變為800mg/l。懸浮泥沙濃度明顯減低[3]。

由于受大橋海域泥沙輸送大環境改變，泥沙沉積動力變化的雙重影響，東海大橋大部分橋墩下部出現了沖刷導致樁基入土深度減少，威脅橋體結構安全。

3 沖淤變化分析

3.1 大橋軸線水域海床面層的沖淤變化分析

東海大橋軸線水域位于杭州灣北部海域，受杭州灣強潮和長江口泥沙運動的牽制，大范圍的海床演變比較復雜，另外在東海大橋水下構筑物與水流、泥沙、波浪的相互作用下，大橋軸線水域中的橋墩沖刷坑十分明顯，根據今年及多年實測資料，結合長江口和杭州灣北部海區的近期演變，大橋軸線水域海床沖淤變化的主要特征如下：①PM100 號橋墩以北區域：由于長江口南匯邊灘向東南淤漲延伸和蘆潮港東側興建人工半島，東海大橋軸線灘地水域，目前仍然淤積。2023 年因水深較淺，測量船無法進入，故不做變化分析。②PM100-PM450、PM473-PM484 區域，按照大橋軸線兩側各200m 范圍內水域沖刷對比分析，2023 年側掃顯示平均沖刷深度為5.09m，其中只有PM473、PM45、PM481 三處為淤積，其他均為沖刷。同時2002 年-2009 年累計沖深均值為2.0-3.0m。總體趨勢大橋海床面水域仍將繼續緩慢沖刷。

3.2 大橋橋墩沖刷情況分析

沖刷坑的形成主要是水下橋墩構筑物對水流泥沙運動的作用影響。東海大橋橋墩事由不同大小河形狀的鋼混凝土承臺及簇樁組成。在水流、泥沙動力作用下，形成橋墩沖刷坑也有所不同。本次評價東海大橋從最大沖刷深度、樁周最小高程，斷面圖以及通航孔區域橋墩等四個緯度進行分析。

3.2.1 橋墩最大沖刷深度

墩臺周圍河床的最大沖刷深度是各種沖刷綜合作用的結果，它直接威脅著墩臺基礎的安全。橋墩周圍最大坑深為在橋墩周圍400m×60m 范圍內的泥面高程與墩周最小高程的差值。根據2023 年橋墩側掃數據分析，橋墩周邊400m×60m 范圍內，相對周邊泥面高程的最大坑深范圍為0.18～9.1m，最小、最大沖坑深度分別PM476 和PM442，其中PM473、PM475 和PM481 未見有沖刷坑，橋墩周邊地形表現為淤積。

監測最大沖坑深度（400m×60m 范圍內）范圍為0～3m（含3m）的橋墩共有32 個，占比9%；最大沖坑深度范圍為3～6m（含6m）的橋墩共有184 個，占比51%；最大沖坑深度范圍大于6m 的橋墩共有147 個，占比40%。

2023 年與2019 年相比，相比海床面沖刷深度變化最大的為PM411 號承臺，PM411 西側沖刷深度較2019 年淤積7.2m，東側較2019 年淤積5.3m。承臺較2019 年沖刷較為嚴重的為PM103 號承臺，2019 年PM103 西側相比海床面沖刷-2.4m，2023 年PM103 西側相比海床面沖刷-4.6m，沖刷深度增加2.2m。

3.2.2 樁周最小高程

自2009 年以來橋墩樁周最小高程，在-19 以下的警戒點的數量逐年在增加，根據2023 年實測數據，樁基相比海床面沖刷超過6m（不包含6m）承臺有159 處，沖刷坑最大沖深在-19m 以下的有207 處，占比78.6%。沖刷坑狀況相較2019 年均有所改善，橋墩周邊400m×60m 范圍內海底地形，最小高程范圍為-41.20～-12.05m，分別在PM473和PM100 周邊；最大高程范圍為-18.80～-1.81m，分別在PM475 和PM443 周邊；橋墩周邊140m×60m 范圍內海底地形，最小高程范圍為-35.72～-9.65m，分別在PM474 和PM450 周邊。其中PM474 樁周最小高程為-35.72m。

2019 年底至2023 年，持續實施的東海大橋橋墩多度沖刷區域防護工程，工程主要采取將拋填料拋填至核心區樁群內的方式維護東海大橋樁基。實測數據已經顯現其效果。其中PM473、PM475 和PM481，2023 年與2019 年數據對比，分別回淤深度為5.88m、1.59m 和3.57m。

3.2.3 橋墩沖刷坑斷面圖

橋墩周邊400m×60m 范圍內，相對泥面高程沖淤總量范圍為-25495.11 ～6526.69m3（PM440-PM450、PM473-PM484 承臺由于近岸，地形變化較大，未納入統計范圍），平均沖淤總量為-9567.73m3，最小、最大沖淤總量分別位于PM428 承臺和PM336 承臺。從斷面圖上可以看出，沖刷內部各等深線的范圍有些變化，主要是不斷沖深，沖刷范圍擴大，沖刷量也有所增加。通過多波束側掃影像圖，可以直觀看到橋墩周圍的沖刷情況，如圖2 所示。截取PM225，PM335 號橋墩剖面圖可知，PM225 橋墩基礎為鋼管樁樁，PM335 橋墩基礎為鉆孔灌注樁。2023 年沖刷深度較2019 年均有所增加，增量分別為2.8%和28%。PM335位于主通航孔處，沖刷量是PM225 的5.4 倍，詳見表1。PM225、PM335 橋墩樁周最小深度變化圖見圖3 所示。

圖3 PM225、PM335 橋墩樁周最小深度變化圖

3.2.4 通航區域橋墩樁基沖刷情況

東海大橋設置4 處通航孔，分別為K6、K12、K2 副通航孔和主通航孔，通航孔橋墩樁基類型均為鉆孔灌注樁。通過對2002 年、2013 年、2014 年、2016 年、2018 年、2020年、2023 年多波束側掃數據進行分析，截取K6 副通航孔、K12 副通航孔、主通航孔、K24 副通航孔位置的橋墩進行多年樁周最小高程進行統計。

2023 年測量墩周最小高程為大橋軸線兩側各70m 范圍內（140m×60m） 的最小高程值。其中PM145-147、PM240-242、PM335-336 主通航孔、PM418-420 部分大橋墩適當擴大統計范圍，取軸線兩側各90m、南北方向70m（180m×70m）范圍內最小高程；PM472-484 由于海底地形起伏較大，最小高程多位于海底泥面，故統計范圍適當縮小，取軸線兩側各40m（80m×60m）范圍內的最小高程，以最佳反應墩周的沖刷情況。

通過多次多波束側掃資料綜合對比，4 處通航孔處的橋墩整體持續沖刺。刷坑的大小、方向與水流有關。通過樁周最小高程對比，主通航孔沖刷范圍擴大，沖刷量也有所增加，其中PM335、PM337 橋墩沖刷分別增加22.8%、8.7%。2019 年底至2023 年，對部分橋墩沖刷坑實施了圍填工程，K24 副通航孔處PM418-PM421 橋墩回淤明顯，其中PM421，側掃數據顯示回淤2.09m。

4 三維圖像聲吶

通過三維圖像聲吶對水下樁基沖刷掏空程度進行補充測量。截取PM334，PM337 號橋墩三維聲吶圖像為例如圖4 所示，PM334 橋墩周圍最小高程為-19.86m，周邊泥面高程約為-13.3m，最大沖刷坑深度為6.01m。沖刷坑在東西方向上呈條帶狀分布，東西方向長約82.3m，在橋墩西側寬約16.4m，在橋墩東側寬約12.8m。在橋墩東西側及中心軸各做剖面線，結果如圖4 所示，橋墩軸線剖面線上最小高程點高程為-19.72m。PM337 橋墩周圍橋墩周圍最小高程為-20.04m，周邊泥面高程約為-13.5m，最大沖刷坑深度為6.54m。沖刷坑圍繞橋墩呈橢圓形分布，東側橋墩沖刷坑東西方向長約38.2m，南北方向長約32.2m；西側橋墩沖刷坑東西方向長約26.7m，南北方向長約35.8m。三維成像聲吶對于水下目標物的檢測具有高分辨率、高精度等優勢，將成為未來水下工程精細測量的重要手段。

圖4 PM334，PM337 號橋墩三維聲吶圖像

5 結論與展望

本文以東海大橋沖淤測量為多年數據綜合對比分析，得出如下結論：①查明東海大橋橋墩基礎沖淤情況，通過與以往數據對比，準確得到了沖刷和淤積位置，為后期處理提供可靠的數據支撐。2023 年沖刷坑較2019 年相比，橋墩沖刷坑平面位置不變，而沖刷坑內部各等深線的范圍有些變化，主要是不斷沖深，沖刷范圍擴大，沖刷量也有所增加。預計在長江流域來沙偏少的情況下，大橋水域仍將繼續緩慢沖刷。關注本項目橋墩周邊的沖刷情況，定期進行橋墩周邊水下地形的監測，結合連續多年數據，分析沖刷情況變化。②及時對沖坑深度較大、沖刷量較大的橋墩，進行評估或防護處理。③與傳統的作業手段相比，多波束測深系統的全覆蓋、高精度、高效率測量得到的三維立體模型可以直觀、真實地反映水下地形地貌。④三維圖像聲吶與多波束的結合測量，兩者進行印證互補，共同完成水下測量工作，極大地提高了數據的準確性。