嘉绍跨江大桥钱塘江强潮水域流速及冲刷监测

任亮亮 罗超云

1 工程概况

嘉绍跨江大桥北起海宁尖山围垦区,跨钱塘江水域,至上虞九六围垦区,全长10.137 km,采用双向八车道高速公路标准。主航道北侧主桥基础工程主要包括Z1过渡墩、Z2辅助墩、Z3Z5主墩基础施工。桥位区的钱塘江河口尖山河段河床宽浅、潮强流急、涌潮汹涌,最大水深10 m左右,为非正规半日浅海潮流,水位每日两涨两落,水流属往复流,但不对称性较明显,涨潮流大于落潮流,桥址处无长期潮位观测站。

2 监测目的

鉴于本工程所处的钱塘江区域水文、地质条件极其复杂恶劣,为了实时了解桥梁桩基和下部构造及上部构造施工期桥位区河床的最大冲刷深度,对施工过程中可能发生的河床地形变化进行预测,制定相关阶段的防护工程预案,对桥位区一定范围内的河床标高、潮位、潮流进行监测。

3 监测方法

3.1 潮位及河床标高监测

1)监测点布设。河床标高监测点布设在每个墩施工平台上,沿着钢围堰位置区域一圈布设8个点,承台中心处布设1个点,施工平台四角分别布设1个点,每个平台共布设13个监测点。

2)监测方法。首先采用普通水准测量方法,测量出布设河床标高监测点处的施工平台面标高H平台。然后在高、低潮位平潮时,采用测绳快速测量每个监测点处施工平台面到水面的深度L水面,同时采用SSH型超声波测深仪测量此监测点处水面到河床的深度L河床,并做好记录。完成外业观测后,及时对测量的数据进行计算整理,将观测的平潮水面及河床深度数据转换成标高数据,此转换计算可采用下面公式:H水面=H平台-L水面。H河床=H水面-L河床。其中,H水面为平潮水面标高;H河床为河床面标高。

3.2 潮流流速监测

1)监测点布设。本合同段五个墩、塔基础均处于主航道范围内,水流方向和流速基本相同,并根据涨潮潮流方向为由东北向西南,因此在Z3墩(Z3墩在五个墩的中间位置处)施工平台的东北角处布设了潮流流速监测点。

2)监测方法。采用LS20B流速仪对潮流流速进行观测。涨潮时,在布设好的监测点处,将LS20B流速仪置于水面以下0.3 m处,在水流冲击下,流速仪内部的程序可将螺旋桨的转数通过计算转换成流速,显示在流速仪的观测手簿屏幕上。

4 强潮流速及河床冲刷标高变化监测研究

4.1 潮位、潮差研究分析

从2009年6月15日到2010年3月10日,根据在本项目工程区域对潮汐潮位的监测数据,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),平均低潮位为-2.04 m,最大潮差7.90 m(2009年10月5日)。

图1为 2010年2月1日～2月28日在Z3墩位置监测的钱塘江潮位曲线图,2月8日～2月10日(农历十二月二十五～二十七日)高潮位曲线达到一个低谷,同时这三天,低潮位曲线达到高峰;2月14日～2月 16日(农历一月初一～初三)高潮位曲线达到一个高峰,同时这三天,低潮位曲线达到低谷;2月22日～2月24日(农历一月初九～十一日)高潮位曲线达到一个低谷,同时这三天,低潮位曲线达到高峰,由此潮位变化曲线图可以看出,高、低潮位变化曲线均呈正弦曲线规律,且高、低两条潮位变化曲线构成横放的“葫芦状”随日期对称起伏,变化周期为半个月。

在图1中,同一天高潮位与低潮位两条曲线之间的距离可表示当天的潮差值,且潮差值在“葫芦腹和颈”之间交替变化,与高潮位曲线波动方向相同,但变化幅度远大于高潮位曲线,变化周期也为半个月。

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墩位置处连续对潮流流速进行了监测,此期间最大潮流流速7.09 m/s(2009年10月6日11:26涨潮流速)。

下面是2010年1月的潮流流速监测的数据统计:2日(农历十一月十八日)潮流流速达到一个最大值3.15 m/s,后面逐日减小,一直到 10日(农历十一月二十六日)潮流流速达到最小值1.55 m/s,后面逐日增大,一直到 17日(农历十二月初三)潮流流速又达到一个最大值3.10 m/s,再到25日(农历十一月二十六日)潮流流速再次达到最小值1.45 m/s,后面逐日增大,由此可看出,在一个月内,潮流流速变化两次达到最大值和最小值,并呈正弦曲线规律变化,变化周期为半个月。

再结合前、后几个月的潮流流速监测数据可知,2009年6月最大潮流流速3.12 m/s(25日11:58涨潮流速),7月最大4.23 m/s(24日11:49涨潮流速),8月、9月一直到 10月,每个月潮流流速最大值逐月增大,10月潮流流速最大值达到本次连续近9个月监测期中的最大值,11月、12月、2010年1月、2月一直到 3月,每个月潮流流速最大值逐月减小。

4.3 河床标高变化与潮流流速关系研究

图2是一个由小潮汛到大潮汛再转入小潮汛过程的河床标高和潮流流速监测曲线图,2009年8月 15日～8月26日,在Z3墩施工平台附近,进行了12 d连续监测。

由图2可看出,在潮流流速较小时,高、低平潮时的河床标高均较高,潮流流速增大时,高、低平潮时的河床标高均随之降低,等潮流流速再次减小时,高、低平潮时的河床标高均也随之增大,河床标高和潮流流速成反比变化;在同一天,高平潮河床标高曲线和低平潮河床标高曲线之间的距离表示当天河床冲刷和淤积的深(厚)度,河床标高冲刷和淤积的深(厚)度随潮流流速增大而增大,潮流流速最小约2.8 m/s时,河床标高冲刷和淤积的深(厚)度也最小约0.30 m,到潮流流速达到最大值约5.6 m/s时,河床标高冲刷和淤积的深(厚)度也达到最大约1.80 m,所以河床标高冲刷和淤积的深(厚)度与潮流流速成正比变化。

4.4 工程结构物处受冲刷河床标高变化研究

Z3墩进行钢护筒施工期间,在钢护筒插打前后,对钢护筒插打位置处河床标高进行了连续监测,下面为Z3-21号钢护筒位置处在钢护筒插打前后6天连续监测:Z3-21号钢护筒位置处在钢护筒插打前河床标高高平潮时-5.00 m、低平潮时-6.00 m,2009年8月27日低平潮时Z3-21号钢护筒插打入河床,经过第一个涨潮冲刷后,其位置处河床标高(高平潮时)-7.50 m,一个潮水冲刷深度达2.5 m,再经过2 d～3 d涨落潮冲刷,其位置处的高平潮河床标高降至-9.20 m,低平潮河床标高降至-9.50 m,高平潮时河床标高比钢护筒插打前降低了4.20 m,低平潮时降低了3.5 m,趋于稳定。由此可见,在受到结构物阻挡的情况下,潮水水流会在结构物附近产生强冲刷,结构物附近的河床标高会急剧下降,结构物的稳定性下降,产生不安全因素,因此在结构物施工前,对河床冲刷我们应提前做好必要的防护。根据此变化规律,可指导类似条件和工况的工程施工。

5 结语

本次对嘉绍跨江大桥主航道桥区域的潮位、河床标高和潮流流速进行了连续监测,并对监测数据进行了整理统计,分析总结出了钱塘江在嘉绍大桥区域的河床标高变化和潮流流速的规律,可对本工程后续施工起指导作用,也可供在钱塘江本江段区域或类似强潮水域的其他工程中借鉴参考。

[1]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[2]JGJ 8-2007,建筑变形测量规范[S].

[3]黄 永.某大桥动力分析[J].山西建筑,2008,34(22):317-318.