沪通铁路长江大桥跨江断面水文特征分析

第４８卷增刊（１）　２　ｏ　１　７年６月　文章编号：１００１—４１７９（２０１７）Ｓ１—００８９—０５　人　民　长　江　Ｙａｒ【ｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｖｏ１．４８，Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ（Ｉ）　Ｊｕｎｅ，　２０１７　沪通铁路长江大桥跨江断面水文特征分析　张朝阳　，田　洁２，李伯昌　，乔红杰　（１．长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局，上海２００１３６；　２．上海市敬业中学，上海２０００１０）　摘要：基于沿沪通铁路长江大桥轴线区域布置的８务垂线洪季和枯季水文监测数据，结合实测断面地形。对该　大桥轴线区域的潮汐、水流以及悬沙浓度等方面的参数进行了统计分析。分析结果表明：天生港水道的涨潮　流是主要的造床动力，浏海沙水道的落潮流是主要的造床动力；落急流速附近有双悬沙浓度峰的出现；由涨转　落憩流点前后３　ｈ的流速比较小，而且变化平缓，该时段对于施工非常有利。　关键词：潮汐；潮流；悬沙浓度；沉井施工；沪通铁路长江大桥　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．１６２３２／ｊ．ｃｎｋｉ．１００１—４１７９．２０１７．Ｓ１．０２４　中图法分类号：Ｐ３３　１　研究背景　沪通铁路是国家铁路Ｉ级客货两用型快速铁路，　南连上海，北接南通，规划时速为１６０—２００　ｋｍ／ｈ。该　作。　沪通铁路长江大桥桥位选址在澄通河段。澄通河　段宽窄相间，呈弓背形，从江阴大桥往徐六泾方向，河　道内依次分布有福姜沙、双涧沙、民主沙、长青沙、横港　沙、通州沙及狼山沙等沙洲。沪通铁路长江大桥桥址　位于横港沙尾，左边是天生港水道，右边是浏海沙水　道。在建的沪通铁路长江大桥上距江阴长江公路大桥　约４５　ｋｍ，下距苏通长江公路大桥约４０　ｋｍ，大桥北侧　与南通捕鱼港相接，南侧与张家港十三圩相接，桥位横　跨天生港水道、横港沙及南通水道。　铁路建成后，可极大缩短上海与南通及苏北地区的运　输距离，加强上海与江苏沿海及中西部地区的交流，实　现沿江两岸联动发展。沪通铁路一期工程中的长江大　桥桥址位于长江下游澄通河段的南通水道进Ｅｌ处…，　大桥全长１１　ｋｍ，正桥由主航道桥、天生港航道桥和横　港沙及南北引桥组成。主航道桥为双塔５跨斜拉桥，　该桥主跨为１　０９２　ｍ，比苏通长江公路大桥的主跨还长　４　ｍ。目前，正在进行该桥桥墩的沉井施工，建成后将　２数据方法　长江口水文水资源勘测局于２０１５年９月和１２月　在沪通铁路长江大桥桥轴线的上游进行了洪、枯季水　文监测和地形测量（监测布置见图１）。①洪季。在　成为世界上最大跨度的公铁两用斜拉桥，整个工程预　计在２０１９年完工。　沪通铁路长江大桥施工区域的径流、潮流相互作　用强烈，水动力情况复杂。在施工前期，施工围堰曾受　到剧烈水流的冲击而发庄偏移，日前，在浏海沙水道　２９号主桥墩进行沉井施工的过程中，也曾因为对水文　特性认识不足而发生过意外，对施工造成了不利影响。　为了充分了解该区域的水文泥沙特征，以便为大桥施　工提供准确的参考，迫切需要开展水文监测方面的工　收稿日期：２０１６—１２—１３　桥轴线上游５００　ｍ处，沿桥轴线布置了８条垂线，在天　生港水道布置了３条（即Ｋ１～Ｋ３），在浏海沙水道布　置了５条（即Ｋ４一Ｋ８），进行了大、小潮测验，通过此　次测验，取得了流速、流向、含沙量等相关方面的数据。　②枯季。枯季的水文监测是在同样布置点位进行，对　大潮水文进行了．测验，并对沿桥轴线方向的地形进行　作者简介：张朝阳，男，工程师，硕士，主要从事河口海岸水文泥沙研究工作。Ｅ～ｍａｉｌ：ｚｙｚｈａｎｇｗｈｕ＠１６３．ｃｏｍ　９０　人　民　长　江　了测量。　潮位出现在洪季左岸天生港站，为３．３９　ｍ；最低潮位　出现在枯季右岸西界港站，为一０．５１　ｍ。无论是高潮　；　吝螽　嘉线北　位、低潮位，还是平均潮位，左、右岸两站的洪季潮位均　ｒ长期潮位站　／ｉ，　至至　篓嗨　通　爵鬻　＼　道　图１　沪通铁路大桥水文监测布置　流速数据使用声学多勒流速流向仪（ＡＤＣＰ）和　ＷｉｎＲｉｖｅｒ　Ｉ１软件进行采集。对于含沙量数据，在每条　垂线的每个整点从水底至水面（水面、０．２Ｈ、０．４Ｈ、　０．６Ｈ、０．８Ｈ、水底）各取水１　０００　ｍＬ，送人实验室恒温　烘箱烘干，用精密电子天平ＦＡ１６０４称重来计算其含　沙量。大桥轴线地形测量以距天生港左岸较近的Ｋ１　点为起点，采用船载ＧＰＳ定位、ＨＹ１６００测深仪进行水　深数据采集，运用所设水位站换算至河底１９８５国家基　准高程。　据大通站报汛流量统计，大通站２０１５年９月的平　均径流量为３０　７００　ｌＴｔ　／ｓ，（１９５０～２０１５年）９月份的多　年平均径流量为３９　４００　ｍ。／ｓ，本次洪季测验期问的平　均径流量比多年平均径流量偏小。大通站２０１５年１２　月的平均径流量为２５　８００　ｍ　／ｓ，１２月份的多年平均径　流量为１４　５００　ｍ　／ｓ，本次枯季测验期间，大通站的径　流量比多年平均径流量大。　３成果分析　３．１　潮汐　从洪季大小潮潮位数据来看（见图２），桥位区域　左、右岸的潮位相差较小，从小潮到大潮，潮位振幅变　大，潮位变化特征明显。大小潮水文监测的时段选择　具有典型性。　图２　２０１５年洪季大小潮潮位过程　从潮位的特征来看（见表１），在统计时段内，最高　比枯季潮位高。　表１不同潮型潮位特征值统计　ｍ　从左、右岸来看，洪季右岸的西界港平均潮位比左　岸的天生港平均潮位略高；而枯季左岸的天生港平均　潮位比右岸的西界港平均潮位高。　从潮差来看，两站洪季的最大潮差大于枯季的最　大潮差，最小潮差则小于枯季的最小潮差。而无论足　涨潮还是落潮，枯季的平均潮差均比洪季的略大。　３．２　潮流　３．２．１流速极大值　针对大桥建设的需要，水动力强对大桥建设的影　响大，因此本文对不同潮型分层流速涨落潮的最大值　进行了统计（见表２）。由表２中的统计结果可知，涨　潮最大流速在３，４号桥墩之间（Ｈ２处），洪季的小潮　最大为０．６１　ｍ／ｓ，洪季的大潮最大流速为１．３６　ｍ／ｓ；　枯季的最大流速同样也出现在该处，流速可达１．７５　ｍ／ｓ。落潮的最大流速出现在２９号主墩（Ｈ７）附近，洪　季的小潮最大流速为１．３８　ｍ／ｓ，洪季的大潮最大可达　１．８１　ｍ／ｓ，而枯季的大潮最大落潮流速则位于２８号与　２９号主墩之间，最大落潮的流速约为１．７０　ｍ／ｓ。　根据统计数据以及桥轴线方向的水动力情况，经　过研究分析，可以发现以下规律。　（１）垂向上各垂线的涨落潮流速极大值，无论是　洪季还是枯季、小潮还是大潮，大部分出现在水体的一卜　层（水表，０．２Ｈ）。　（２）平面上涨潮时的流速极大值出现在天生港水　道３号与４号桥墩之间；落潮时的流速极大值主要出　现在浏海沙水道２８号与２９号主墩之间；天生港水道　的涨潮潮流极大值要显著大于落潮潮流的极大值，而　浏海沙水道２７～３０号墩间的落潮潮流的极大值明显　要大于涨潮潮流的极大值。　（３）从潮型上看，大潮各垂线的涨、落潮的极大值　均大于小潮的涨、落潮的极大值，２７号主墩位置附近除　９２　人　民　长　江　洪枯季还是大小潮，由涨潮转落潮憩流点附近３　ｈ内　一致　。　流速较小，且变化平缓，是施工的有利时段。而落潮转　涨潮时则较为迅速，在落转涨憩流点时段施工，叮利用　的优势时问较短，冈而不是首选。　３．２．３　涨落急断面流速分布　一　“’—　｝【】ｆ…　５０｛￣１　…¨　由前述流速分析成果『］丁知，涨潮时，天生港水道桔　季大潮的涨潮潮流最强，落潮时，浏海沙水道洪季大潮　的落潮潮流最强，这两种情况都将对在建大桥造成最　不利的水动力环境。故本文选取枯季大潮涨急时刻和　洪季大潮落急时刻的垂线分层流速，结合实测桥轴线　断面地形成果，采用Ｋｒｉｇｉｎｇ插值法插值计算，得｝ｎ　ｒ　沿桥轴线方向的涨急、落急断面流速分布等值线图　（见图４）。　由断面地形图可知，天生港水道河槽相对较窄，　浏海沙水道河槽宽深，是沪通铁路长江大桥建设的主　要难点。由断面流速等值线图可以明　看到，枯季大　潮涨急时刻，天生港水道内的流速较大，３号与４号桥　墩之间的最大涨潮流速可达１．７５　ｍ／ｓ，而浏海沙水道　的涨潮流速却要小一个数量级。浏海沙水道的主槽由　于落潮潮流一直占主要地位，在枯季径流相对减小而　大潮涨潮流速动力强劲的情况下，径流潮流相１刊低消，　故浏海沙水道主槽中部的流速在沿断面方向反而最　小，此时是进行桥墩沉井施工的良好时机。　洪季大潮落急时刻，天生港水道的流速较小，ｌ『ｉｉ浏　海沙水道落潮流速则远远大于天牛港水道的落潮潮流　的流速，在浏海沙水道主槽｜｝１上部水体形成一个高流　速核，２８，２９号主桥墩处于高流速的核心区，面临着剧　烈落潮水流的冲击，对大桥的施工及桥墩的稳同均会　造成较大的困扰。　基于以上分析，发现天生港水道和浏海沙水道流　速的分布存在一个跷跷板的效应，当一边水道处于流　速平缓时段时，另一边的水道则流速较大。工程施工　单位在桥墩围堰施工及桥墩沉井等施工过程巾，须注　意两水道洪枯季、大小潮流速的变化特点，宦选择在流　速平缓时段进行施工。　３．３　悬沙浓度　以时问为自变量，流速与悬沙浓度为因变　，得到　潮周期时均悬沙浓度变化图（见罔５）。河Ｌｌ泥沙的起　动、输运、沉降、再悬浮过程复杂，影响冈素复杂，众多　学者观点不一　Ｉ４　。本文以大桥轴线区域现场实测数　据为例，揭示该区域的悬沙浓度特征。　从大小潮的角度来看，该区域无沦是天生港水道，　还是浏海沙水道，大潮悬沙浓度均明显大于小潮悬沙　浓度，这一点与目前对长江ｒＪ区域的悬沙研究成果相　ｆ，１）断面地形　起点距ｍ　ｌ（１００　１（１【＿【）　“）【ｌｆ１　｛（１ｌ】（）　１（）ｆ】（）　『ｌｌ…Ｉ】　ｌ　　『ｌ琉兰　（　・（Ｊ　　＋　ｌ　Ｈ　Ｉ　ｎ　ｊ　ｌ　ｌ　－　【＿＿　【＿Ｓ　翼　ｆ（　ｌ）ＩＩ’　断面分布　≥　＿　ｌ【＿ｆ】　¨““）　ｆ１ｆ｝　ｎ《Ｈ　≥　（）　Ｉ　Ｈ　　｜１　ｎ　ｌ　１　－　ｌ　ｌ｛ｌ　＿ｌ＿：　（ｃ）洪季大潮涨急流速断面分怖　图４涨落急时刻断面流速分布等值线不葸　天生港水道（Ｈ１～Ｈ３）涨潮时的悬沙浓度峰均｝｝Ｉ　现在流速达到最大值之后，有一定的滞后性，符合沈焕　庭悬沙浓度分类中的Ⅱ类特征值　。浏海沙水道（Ｈ４　～Ｈ８）落潮悬沙浓度峰出现了一个比较有趣的现象，　即任涨憩转落急过程中的落急流速峰值附近，｝ｆＩ现了　２次悬沙浓度峰，而中问问隔着一个短时的相对恳沙　浓度波谷。这町能是由于径流与潮流混合，其流速、悬　沙浓度刚好达到细颗粒泥沙形成絮凝的外部条件，细　颗粒ｉ『Ｉ：沙大　絮凝沉降，使得水体在短时问内含沙量　明　下降，出现了悬沙浓度波谷；而当流速继续增大突　破某一极限值时，前述过程形成的絮凝体被破坏，细颗　粒泥沙悬扬，造成水体悬沙浓度义开始快速升高，　而　形成了双悬沙浓度峰的现象。　４　结论　本文蛙于沿沪通铁路长江大桥轴线　域布置的８　条垂线所获得的洪枯季的水文　ＩＩｌ１．１￣　ＩｌＪ数据，同时结合实　测断面地形，对桥轴线区的潮位、潮差、流速、流向及悬　沙浓度进行了统计分析。根据分析结果，可以得ｍ如　下主要结论。　张朝阳，等：沪通铁路长江大桥跨江断面水文特征分析　９３　８　。４：　ｚ　图５垂线平均悬沙浓度随平均流速变化曲线　（１）天生港水道３号与４号桥墩之间的涨潮流速　烈，天生港水道的涨潮流速对边墩冲刷的影响也较大，　占优势，涨潮流速是主要的造床动力，最大流速位于３　因此，建议做好冲刷防护措施，同时应进行定期水文监　号与４号桥墩之间；浏海沙水道的落潮流速占绝对优　测，以防患于未然。　势，尤其是２８～３０号桥墩之间的主槽最为明显，落潮　参考文献：　流速是主要的造床动力，最大流速落潮出现在２９号主　［１］　裴金林，李靓亮．沪通铁路长江大桥工程河段航道务件及桥墩布　墩附近。　置方案［Ｊ］．水运工程，２０１２（３）：１０８—１１５．　（２）天生港水道和浏海沙水道的流速特征具有跷　［２］　Ｓｔａｎｆｏｒｄ　Ｌ　Ｐ，Ｐａｎｎａｇｅｏｔｏｕ　Ｗ，Ｈａｌｋａ　Ｊ　Ｐ．Ｔｉｄａｌ　ｒｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｄｉ—　ｍｅｎｔｓｉｎ　ｎｏｒｔｈｅｒｎ　Ｃｈｅｓａｐｅａｋｅ　Ｂａｙ［Ｊ］．Ｍａｒｉｎｅ　Ｇｅｏｌｏｇｙ，１９９１，９７（１—　跷板效应，当一侧水道处于流速平缓时段时，另一侧水　２）：８７—１０３．　道的流速则处于高流速时段。　［３］Ｙｕ　Ｑ。Ｗａｎｇ　Ｙ　Ｐ，Ｆｌｅｍｍｉｎｇ　Ｂ，ｅｔ　ａ１．Ｔｉｄｅ—ｉｎｄｕｃｅｄ　ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｓｅｄｉ—　（３）天生港水道的悬沙浓度峰出现在流速峰值之　ｍｅｎｔ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ：Ｄｅｐｔｈ—ａｖｅｒａｇｅｄ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｒｅｓｉｄｕ—　后，涨潮的悬沙浓度高于落潮的悬沙浓度；浏海沙水道　ｌａ　ｆｌｕｘｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ　Ｓｈｅｆｆ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１２，３４（１）：５３—６３．　的落潮悬沙浓度要明显高于涨潮时的悬沙浓度，在落　［４］Ｓｈｉ　Ｂ，Ｗａｎｇ　Ｙ　Ｐ，Ｄｕ　Ｘ，ｅｔ１ａ．Ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｍａｓｓ　ｆｌｕｘｅｓ　ｏｎ　ａｎ　ａｃｃｒｅｔｉｏｎａｌ　ｃｏａｓｔｌａ　ｍｕｄｆｌａｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　潮流速达到落急前后，有双悬沙浓度峰出现。　Ｈｙｄｒｏ—ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１６（１１）：７５—９０．　基于本文统计分析结果，由涨潮转落潮憩流点前　［５］　陈沈良，张国安，扬世伦，等．长江口水域悬沙浓度时空变化与泥　后的３　ｈ内，沪通铁路跨江大桥桥址区域的流速较小　沙再悬浮［Ｊ］．地理学报，２００４，５９（４）：２６０—２６６．　且变化平缓，是施工的有利时段。同时，大桥主桥墩所　［６］　沈焕庭．长江河口最大浑浊带［Ｍ］．北京：海洋出版社，２００１．　在的浏海沙水道的落潮流速对桥墩基础的冲刷十分强　（编辑：赵秋云）