戴 路，陳 鵬，祖曉涵

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210000；2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023；3.南京雨后地軟環(huán)境技術(shù)有限公司，南京 210000)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，超大型跨海橋梁越來(lái)越多，與此同時(shí)，船橋相撞事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重的會(huì)造成船毀人亡、橋梁倒塌、環(huán)境災(zāi)難及經(jīng)濟(jì)損失[1]。為避免或減輕事故后果，非通航孔攔阻船舶設(shè)施成為跨海大橋不可或缺的組成部分[2-3]。攔阻設(shè)施實(shí)施引起的懸浮物擴(kuò)散對(duì)海水水質(zhì)產(chǎn)生一定影響[4]，因此，有必要基于引起的懸沙擴(kuò)散分布對(duì)水質(zhì)環(huán)境影響進(jìn)行分析。

本文以金塘大橋?yàn)槔?，在?yīng)用二維潮流數(shù)學(xué)模型分析工程海域水動(dòng)力特征的基礎(chǔ)上，利用懸沙擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，模擬了攔阻設(shè)施實(shí)施時(shí)引起的懸沙擴(kuò)散分布，并分析了對(duì)工程海域的水質(zhì)環(huán)境影響。為獲得較好的模擬效果，采用等效糙率法對(duì)金塘大橋橋墩進(jìn)行概化。

1 項(xiàng)目背景

圖1 攔阻設(shè)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(shè)施安裝工程于2018年8月實(shí)施完成，攔阻設(shè)施分布于主通航孔和西通航孔兩側(cè)(圖1、圖2)，總長(zhǎng)約6 000 m，其中，主通航孔兩側(cè)攔阻設(shè)施最大可攔阻2.5萬(wàn)載重噸、航速4.0 m/s的滿載船舶，西通航孔兩側(cè)攔阻設(shè)施最大可攔阻1 000載重噸滿載船舶。

依據(jù)實(shí)施方案，金塘大橋非通航孔攔阻設(shè)施由8個(gè)攔阻單元組成，每個(gè)攔阻單元包括浮基、攔阻網(wǎng)、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(wǎng)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(dòng)力數(shù)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(dāng)?shù)厮?；t為時(shí)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(yīng)力張量的4個(gè)分量；τbx、τby為波浪、潮流共同作用下的底部切應(yīng)力沿x、y方向的分量。

計(jì)算中，采用干濕網(wǎng)格判別法對(duì)露灘現(xiàn)象進(jìn)行模擬，初始條件設(shè)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(guò)程由中國(guó)近海潮波運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型[7]提供。

2.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

結(jié)合工程海域位置、攔阻設(shè)施布置及模擬精度要求，本次模擬區(qū)域北至長(zhǎng)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(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，并在工程海域進(jìn)行局部加密，最小網(wǎng)格尺寸20 m，共設(shè)計(jì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)18 652個(gè)，網(wǎng)格單元35 479個(gè)。本次計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格剖分圖見圖3，相應(yīng)測(cè)站位置見圖4。

圖3 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格剖分圖

Fig.3 Simulation area and mesh generation圖4 測(cè)站布置圖

Fig.4 Layout of observation stations

2.3 樁墩概化及模型驗(yàn)證

2.3.1 樁墩概化方法

目前，在數(shù)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(yōu)缺點(diǎn)見表1。

綜合分析各方法優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)考慮到金塘大橋具有分布范圍廣、橋墩分布眾多的特點(diǎn)，本次模擬在適當(dāng)加密工程區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格的基礎(chǔ)上采用等效糙率法對(duì)橋墩進(jìn)行概化，可在減少計(jì)算耗時(shí)的同時(shí)保證模擬結(jié)果的精度。

表1 樁墩概化方法比較

2.3.2 等效糙率計(jì)算公式

樁墩及床面對(duì)水流的總阻力為

(4)

式中：Cd為繞流阻力系數(shù)；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(wǎng)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(shù)Cd的確定較為困難，給等效糙率的計(jì)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(guān)系，并基于數(shù)值模擬試驗(yàn)，推求出非恒定流條件下的樁墩等效糙率計(jì)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(dòng)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(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，考慮影響因素全面，易于應(yīng)用，本次模擬中采用該式計(jì)算金塘大橋橋墩的等效糙率。

2.3.3 水動(dòng)力模型驗(yàn)證結(jié)果

采用2016 年1 月在工程海域同步觀測(cè)的水文資料對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行驗(yàn)證，水文測(cè)站布置見圖4，相應(yīng)驗(yàn)證結(jié)果見圖5及圖6。限于篇幅，只給出各測(cè)站大潮的潮位、流速、流向驗(yàn)證結(jié)果。

圖5 大潮潮位驗(yàn)證圖

Fig.5 Verification of tidal level during spring tide

圖6 大潮流向、流速驗(yàn)證圖

Fig.6 Verification of tidal current during spring tide

驗(yàn)證結(jié)果表明，水動(dòng)力模型的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料均吻合較好，滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[5]的要求，可較好地模擬計(jì)算區(qū)域的水動(dòng)力變化過(guò)程。

2.4 水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

就模擬區(qū)域而言，漲潮時(shí)，中、南部海域的潮波繞經(jīng)諸多島嶼后傳入杭州灣，北部海域的潮波經(jīng)過(guò)嵊山洋等海域后往長(zhǎng)江口方向運(yùn)動(dòng)；落潮時(shí)，流向與漲潮時(shí)基本相反，路徑與漲潮時(shí)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(lái)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(lái)看，從金塘島近岸向西，流速呈逐漸減小的趨勢(shì)。

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(kuò)散模型

3.1 控制方程

在水動(dòng)力模型驗(yàn)證及結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，建立懸沙擴(kuò)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(yàn)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(kuò)散系數(shù)；Fc為泥沙源匯函數(shù)或泥沙沖淤函數(shù)，其中，泥沙沖淤函數(shù)Fs與底部切應(yīng)力相關(guān)

(8)

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

3.2 懸沙模型驗(yàn)證

采用2016 年1 月在工程海域同步觀測(cè)的含沙量資料對(duì)懸沙模型進(jìn)行驗(yàn)證，含沙量測(cè)站布置見圖4，相應(yīng)驗(yàn)證結(jié)果見圖9。限于篇幅，只給出各測(cè)站大潮的含沙量驗(yàn)證結(jié)果。

驗(yàn)證結(jié)果表明，懸沙模型的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料均吻合較好，滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[5]的要求，可用于模擬分析攔阻設(shè)施實(shí)施對(duì)工程海域的懸沙擴(kuò)散影響。

3.3 懸沙源強(qiáng)及源強(qiáng)點(diǎn)布置

3.3.1 懸沙源強(qiáng)

根據(jù)工程施工特點(diǎn)并結(jié)合工程海域的水動(dòng)力環(huán)境特征，攔阻設(shè)施施工期間產(chǎn)生的懸浮泥沙主要由系泊錨投放引起。由于系泊錨投放時(shí)對(duì)底床泥沙的擾動(dòng)時(shí)間與懸浮泥沙在水動(dòng)力作用下的輸移擴(kuò)散時(shí)間相比可忽略，系泊錨投放產(chǎn)生的懸沙源強(qiáng)可近似按瞬時(shí)考慮。按投放單個(gè)20 t系泊錨考慮，其將置換8 m3底泥，根據(jù)投放海域環(huán)境、施工工藝及底質(zhì)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(shí)的瞬時(shí)源強(qiáng)為112 kg/s。

圖10 各攔阻單元系泊錨投放代表點(diǎn)分布圖

表2 各攔阻單元代表點(diǎn)處大潮漲、落急流速表

3.3.2 源強(qiáng)點(diǎn)布置及工況確定

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

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

表3 各工況下懸沙擴(kuò)散影響面積

3.4 懸沙擴(kuò)散分布特征

在本地含沙量和攔阻設(shè)施實(shí)施期間懸沙源強(qiáng)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(yīng)的懸沙擴(kuò)散影響面積見表3。

由此可知，懸沙主要沿漲、落潮主流向擴(kuò)散，由于主通航孔海域水深條件良好、挾沙能力強(qiáng)，懸浮泥沙輸移、擴(kuò)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(jìn)一步分析可知，主通航孔附近的系泊錨在漲急時(shí)刻投放時(shí)，懸沙擴(kuò)散區(qū)域分布于金塘島西北側(cè)海域；在落急時(shí)刻投放時(shí)，懸沙擴(kuò)散區(qū)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(shí)明顯減??；西通航孔附近的系泊錨在漲、落急時(shí)刻投放時(shí)，懸沙擴(kuò)散區(qū)域均呈帶狀分布于西通航孔兩側(cè)。

3.5 懸沙擴(kuò)散對(duì)水質(zhì)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(guò)10 mg/L，工程區(qū)附近的海水水質(zhì)不滿足一、二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[10]，其水質(zhì)受到一定的影響。

進(jìn)一步分析可知，主通航孔附近的攔阻設(shè)施實(shí)施時(shí)，懸沙濃度增量達(dá)到10 mg/L的海域面積不足0.1 km2，且集中在攔阻設(shè)施附近500 m范圍內(nèi)；西通航孔附近的攔阻設(shè)施在漲急時(shí)刻實(shí)施時(shí)，懸沙濃度增量達(dá)到10 mg/L的海域面積不足2.5 km2，且最遠(yuǎn)處位于攔阻設(shè)施北側(cè)4.5 km處，在落急時(shí)刻實(shí)施時(shí)，相應(yīng)的海域面積不足3.5 km2，且最遠(yuǎn)處位于攔阻設(shè)施南側(cè)6.5 km處。另外，金塘島西北側(cè)約10 km處有灰鱉洋產(chǎn)卵場(chǎng)，依據(jù)模擬結(jié)果，攔阻設(shè)施實(shí)施時(shí)，該海域的懸沙濃度增量低于5 mg/L，滿足一、二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[10]，該海域基本未受影響。

綜合分析，金塘大橋攔阻設(shè)施的實(shí)施對(duì)海水水質(zhì)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(jié)論

本文以金塘大橋?yàn)槔?，在采用等效糙率法概化橋墩的基礎(chǔ)上，應(yīng)用二維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)非通航孔攔阻設(shè)施實(shí)施時(shí)引起的懸沙擴(kuò)散分布進(jìn)行模擬，并分析了水質(zhì)環(huán)境影響，得到如下結(jié)論：

(1)本文采用的等效糙率計(jì)算公式適用于近岸海域，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、考慮因素全面、使用方便，其在工程海域的應(yīng)用可獲得較好的模擬效果。

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

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