沪通长江大桥建设期工程河段水文监测及数据分析

李聂贵，田 立，周 赛

（1．水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2．江苏省水文水资源勘测局南通分局，江苏 南通 226006；3．江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

0 引言

沪通长江大桥是中国自主设计建造、世界上最大跨度的公铁合建斜拉桥，大桥的建设进一步完善了区域交通运输结构。大桥位于长江下游的澄通河段，总长为 11 km，距离上游的江阴长江公路大桥约为 45 km，距离下游的苏通长江公路大桥约为 40 km。沪通长江大桥主航道桥采用双塔五跨，总计 2 296 m，其中主跨长为 1 092 m，地理位置如图1所示。

图1 地理位置图

沪通长江大桥桥位横跨天生港水道、横港沙、南通水道等[1–3]多汊道河段，工程河段的水文泥沙环境复杂，且 28，29# 主墩沉井是世界上规模最大的桥梁沉井结构，工程的实施会对工程区域及相邻河段河势、上下游涉水工程、相关水文设施等产生一定的影响。建设前期，国内众多专家对大桥建设的必要性、桥墩布置的合理性等方面开展了深入研究，成果主要基于河床演变、水文计算、模型试验等技术手段进行研究并提出了预测性的结论，有待工程河段的实测水文资料验证。

本研究通过施工期对工程河段进行系统全面的水文监测，开展桥区河床、汊道分流比、冲淤分析等，实时掌握施工区水流动力条件的动态发展，分析大桥建设对河床响应的影响，为大桥维护及工程河段同类大型桥梁建设提供科学依据。

1 施工期水文监测布置

根据沪通长江大桥工程所在长江澄通河段基本情况，并结合工程的布置情况，确定监测范围为澄通河段护漕港（夏仕港）至龙爪岩（六干河）。本研究选取的水文断面主要是工程上下游如皋沙断面（左右 2个）、九龙港断面（1个）、碾砣港断面（1个）、通州沙断面（左右 2个）。一共布设 6个 ADCP，取11个测点，监测河道分流分沙比的变化情况。护漕港至龙爪岩 CK18～58 每隔 2 km 布设固定断面，施测比例为 1∶5 000。工程河段水文测验测点布置如图2所示。

图2 工程河段水文测验测点布置图

为掌握大桥施工期间水动力的变化情况，在天生港和浏海沙水道上游 200 m 布置 1条测流断面，其中，天生港水道布设 3条垂线（T1，T2，T3），使用 1条 ADCP 施测，浏海沙断面布置 5条垂线（L1，L2，L3，L4，L5），使用 2条 ADCP 施测。

2 大桥建设对工程河段影响分析

2.1 工程河段水动力影响分析

前期模型试验研究表明[4–5]，在各种水文条件下，建桥后水动力影响范围大致为大桥上游 3.0 km处，对下游水流的影响范围为 5.0 km 左右，桥位附近流速有一定程度的变化。施工期，利用 ADCP 进行工程河段及桥区断面测流。2015年9月，2016年8月，2018年2月各监测断面涨落潮期平均流速、流向分别如表1～3所示。可以看出：涨潮期断面平均流速为大潮明显大于小潮，落潮期平均流速大于涨潮期，与河口流速分布一般规律基本一致[6]；各断面落潮期平均流速为大潮大于小潮；落潮期断面平均流向为各断面大、小潮差异不大；从涨、落潮看，除天生港水道 TSG3# 断面外，其余各断面均为落潮平均流速大于涨潮。总体来看，大桥建设期间对断面流速分布影响较小。

表1 2015年9月各断面涨落潮期平均流速、流向

涨落急断面平均流速如图3所示，桥区垂线涨落潮期平均流速、流向如表4所示。由图3、表4可以看出：天生港水道涨潮平均流速大于落潮平均流速，浏海沙水道落潮平均流速大于涨潮平均流速。涨潮最大平均流速出现在 3 号和 4 号桥墩间，达到 0.58 m/s；落潮最大平均流速出现在 29 号主墩附近，达到 0.96 m/s。从桥位沿程涨落急流速分布来看，29 号桥墩位于流速最大核心区，涨潮最大流速约为 0.9 m/s，落潮最大流速约为 1.7 m/s。

图3 涨落急断面平均流速分布图

表2 2016年8月各断面涨落潮期平均流速、流向

表3 2018年2月各断面涨落潮期平均流速、流向

表4 各垂线涨落潮期平均流速、流向

2.2 工程河段河势监测结果分析

河势影响监测水文测验汊道分流比监测，主要统计了民主沙、长青沙、天生港及通州沙断面各汊道分流比和分沙比，如表5所示。

由表5可知，沪通长江大桥施工期间，各监测汊道分流比基本稳定。在民主沙断面，洪水期，上游大通站流量越大，如皋左汊分流比可达 30.9%，枯水期分流比基本稳定，洪枯季汊道分流比略有小幅变化[7]；在长青沙断面，分流比基本稳定；而桥轴线下游的天生港断面（TSGL，TSGR#）监测结果显示，洪水期，上游大通站流量越大，天生港左汊道分流比略有增加，枯水期分流比基本稳定；通州沙无论洪、枯水期，东水道分流比在 92% 左右，西水道分流比约为 8%。

表5 各汊道全潮潮平均流量分流比及输沙量分沙比 %

由断面分沙比统计可知，各汊道分沙比与分流比呈正相关性，沪通长江大桥施工期间各汊道分流比基本稳定，因此大桥施工期各汊道分沙比基本稳定无影响。

2.3 工程河段河床冲淤分析

根据沪通大桥河势、河床演变分析及澄通河段相关河床演变研究成果可知，工程河段在九龙港等天然节点及河道、航道整治工程和相关护岸工程等人类活动的影响下，大的河势总体来说得到有效控制[8–9]，目前工程河段河床平面形态总体基本稳定，本河段河势将进一步稳定，为大桥的建设提供较好的河势基础条件。

从目前河势的演变来看，水道的总体水流动力条件没有改变，中汊将继续维持 30% 左右的分流比，这为如皋中汊提供较为稳定的入流条件，有利于桥区局部河势稳定。

工程河段河床冲淤变化如图4所示。由图4可知：沪通长江大桥工程施工期间，工程河段河床略有冲刷，河床平面形态总体稳定。2015年8月—2018年4月，天生港水道河床变幅较小，浏海沙水道河床冲淤变幅较大的为 -20 m 等高线以下深槽区域和双锏沙航道整治工程丁顺坝前沿区域，大桥桥轴线 28，29# 周边及桥轴线下游侧深槽冲刷明显，桥区下游横港沙沙体右缘淤积，但未改变桥区深槽总体稳定的大格局。

图4 工程河段河床冲淤变化（2015-08—2018-04）

浏海沙水道主桥墩冲淤结果如表6所示，可以看出 28# 沉井周边河床冲刷深度达 28.1 m，29# 沉井下沉初期采取了预防护措施[10–11]，取得较好的预防护效果，29# 沉井周边局部冲刷深度达 19.1 m。

表6 浏海沙水道主桥墩冲淤结果

总体来看，工程河段河床冲淤变化较大的为深槽区域和双锏沙航道整治工程区域，平面形态总体稳定，沪通长江大桥工程施工期间，桥轴线断面深槽有一定幅度的冲淤变化，目前桥轴线区域深槽的冲淤变化对工程河段总体河势稳定影响较小。

2.4 桥区河床断面变化分析

施工期间桥区河床断面监测位置如图5所示。

图5 施工期间桥区河床监测断面位置

从桥区河床平面变化看，重点选择了上、下游河床监测断面 CK45～54# 进行分析，具体分析如下：

1）九龙港—十三圩南岸边滩区域。沪通长江大桥施工期间对上游九龙港—十三圩南岸边滩区域的河床影响是相关部门重点关心的问题之一。CK45～48# 断面位于该区域，从施工期断面监测变化统计结果来看，大桥施工期间，九龙港—十三圩南岸边滩区域河床变幅较小，大桥施工对边滩稳定基本无影响。

2）沪通长江大桥桥轴线区域。靠近桥轴线区域的河床断面从上至下分别为 CK49，50# 断面，图6和 7 分别为 CK49，50# 河床断面变化图。从断面变化来看，大桥施工期间，横港沙滩面和两侧岸坡变幅甚微，总体较为稳定。

图6 CK49# 河床断面变化图（桥轴线区域）

图7 CK50# 河床断面变化图（桥轴线区域）

施工期天生港、浏海沙水道桥轴线断面变化分别如图8 和 9所示。可以看出，天生港和浏海沙水道桥区河床变化特点与桥轴线断面监测结果基本一致。浏海沙水道主墩沉井基础周边河床冲淤变幅较大，主桥墩周边及下游侧冲刷幅度较大。天生港水道河床断面除涉水桥墩周边局部冲刷外，其断面形态仍保持较好稳定状态。

图8 施工期天生港水道桥轴线断面变化

图9 施工期浏海沙水道桥轴线断面变化

3）通州沙东、西水道进口区域。从通州沙进口CK51～54# 断面监测变化统计结果来看，沪通长江大桥施工期间，横港沙沙尾总体较稳定；通州沙东水道深槽区域冲淤变幅约为 2 m；通州沙水道进口通州沙沙体较稳定；西水道在边界调整后进口断面深槽总体呈冲刷状态。

3 结语

沪通长江大桥施工期间，通过对施工河段水流动力、河势监测、桥区河床断面变化、工程河段河床冲淤分析，得出如下结论：

1）沪通长江大桥施工期水文测验监测结果表明，工程河段各汊道分流比、分沙比基本稳定，对断面流速分布影响较小。工程河段河床平面形态总体稳定，桥轴线区域河床深槽平面有一定冲刷发展，桥区局部深槽的冲淤变化目前对工程河段河势稳定影响较小。

2）沪通长江大桥轴线断面监测结果表明：天生港水道涉水桥墩周边局部冲刷较小，幅度为 1～2 m；横港沙桥墩筑岛成陆后，无局部冲刷；浏海沙水道 23～27# 墩周边最终局部冲刷较小；28～31# 局部冲刷深度分别为 28.1，19.1，16.9，8.4 m。

3）大型跨江桥梁沉井基础施工期局部冲刷不可避免，尤其是 28# 主墩沉井基础下沉初期，局部冲刷发展迅速，29# 沉井采用预防护措施后，有效减少了沉井周边局部冲刷，后期局部冲刷可能会增加，所以应进一步加强 28，29# 沉井基础局部冲刷保护与监测。

4）开展施工期河道水文监测，掌握沪通长江大桥工程河段河势、水流动力条件的动态发展，分析工程建设对河床响应的影响，可为涉水工程和水文设施的影响分析评价提供资料，并对可能危及大桥安全的河势变化隐患及时提出预警，为大桥施工建设、维护及今后工程河段大型桥梁建设提供科学依据。