杭州市九堡大桥桥墩局部冲刷试验研究

许 政,梁 斌

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

拟建杭州市九堡大桥(钱江八桥)位于彭埠大桥(钱江二桥)下游5 km,下沙大桥(钱江六桥)上游8 km处。大桥连接临平、下沙、萧山和杭甬高速公路,是杭州市“一环、三纵、五横”城市快速路网东边一纵的关键点,对促进杭州城市东扩和周边地区的经济发展具有重要作用。

九堡大桥位于钱塘江河口过渡段七格弯道的弯顶,受潮流和径流交互作用、动力强劲,河床冲淤剧烈,且具有洪冲潮淤特征。大桥跨江长度1 700 m,江中设15个桥墩,根据功能及跨度分为4种墩型。为预测桥墩基础的冲刷深度,分析两岸边墩对海塘的影响,必须开展桥墩局部冲刷试验。

1 河段与工程概况

1.1 河段概况

九堡大桥桥址河段系受径流与潮流交互作用的钱塘江河口过渡段的中段。七堡船闸位于桥上游约1.7 km处,下游约700 m有拟建的京杭运河二通道及七格集装箱码头,二通道附近有待建的二轮治太南排工程排水闸,下游2 km和2.5 km分别是四格排灌站与七格污水处理厂的排污口工程(见图1)。桥址上下游左岸布置丁坝数座。

钱塘江河口为强潮河口,其潮汐为非正规半日浅海潮,一日两涨两落。由于河口段内有庞大的沙坎使外海传入的潮波剧烈变形,致使涨潮历时缩短,桥址附近为1.62 h,落潮历时延长约10.78 h。

图1 工程位置示意图

钱塘江流域来沙很少,海域来沙丰富。桥址河段床沙与悬沙粒径接近,其中值粒径为0.025 2～0.030 0mm。

涌潮是钱塘江河口特殊的水力现象。由于河口段河宽沿程向内急剧收缩,河床迅速抬高,潮波从外海向河口上游传播过程中变形剧烈,波能聚集,形成锋面明显、陡度达1∶2.9～1∶9.4、汹涌壮观的钱塘涌潮。涌潮行进速度一般约4～7m/s,同一地点水位涨率可达1 m/s。水位骤升的同时,流速亦从落潮方向反转成涨潮方向,随之,流速剧增。涌潮对钱塘江两岸的海塘和丁坝及码头等涉水建筑物破坏力极大。

工程河段内河床演变年内洪冲潮淤。年际受连续丰、枯水文年及下游尖山河段主槽曲直的影响较大,连续丰水年尖山河湾主槽顺直,河床大冲大淤;连续枯水年尖山河段主槽弯曲,河床变幅较小。深槽的年内变化与整个河段洪冲潮淤的特点基本一致,年际最大冲淤幅度达11 m。历史河床最低点高程为-10.12 m,桥址处实测历史上下包络线见图2。洪水是本河段冲刷的主要动力。

图2 桥位河床断面历年实测包络线图

1.2 工程概况

九堡大桥工程南起滨江一路,北至沿江大道,全长约2.04 km,跨钱塘江的主桥长约1 700 m,主桥桥型方案采用多跨梁拱组合体系。

江中共有15个桥墩,从南岸到北岸,桥墩编号PM6～PM13的跨径为7×85 m,PM13～P M14的跨径为80 m,接着为桥梁主跨,跨径为100+3×210+100=830 m(桥墩编号PM14～PM19),北岸的边跨PM19～PM20的跨径为80 m,其中,南岸边墩PM6离南岸海塘外口线的距离约50 m,北岸边墩PM20离北岸海塘外口线的距离约55 m,桥墩的阻水面积约占建桥前中潮位下过水面积的5.6%。桥墩基本情况汇总于表1。

表1 桥墩基本情况汇总表

2 模型设计和模型沙选择

2.1 模型设计

试验研究目的是预测桥墩基础的冲刷深度,分析两岸边墩对海塘的影响,需模拟桥墩附近三维水流和泥沙运动,应使用大比例(小比尺)正态模型,采用宽水槽、正态模型研究桥墩局部冲刷问题。试验水槽长33 m,宽4.3 m,几何比尺λL=80,动床段长度8m。可模拟河段长度2 640 m,宽度344m。

水流运动主要满足重力相似条件,即 λu=λv=λw=λL1/2=8.94。泥沙运动考虑起动相似、水下休止角接近。试验按极限状态法进行(即冲刷至平衡为止),这样既可以得到不利的冲刷坑高程,又回避了选择轻质沙后的时间变态问题。

2.2 模型沙选择

本模型研究桥墩局部冲刷,冲刷是试验关注的重点,因此,模型按起动相似选沙。经计算,原型沙起动流速为0.6～0.8m/s,模型沙起动流速应为6.7～8.9 cm/s。经过对多种模型沙的综合比较,选择了中值粒径为0.15 mm、起动流速7～8 cm/s的木粉,其水下休止角与天然沙的水下休止角也较接近,可以较好地模拟桥墩局部冲刷坑形态。

3 试验成果

3.1 试验条件

洪水是本河段河床冲刷的主要动力,考虑要获取桥墩极端冲刷情况,选取频率0.33%的洪水作为试验水流,桥址处相应水位7.0m,流速2.6～3.5 m/s。根据各桥墩位置,参考图2所示历年地形下包络线,确定各桥墩试验的河床起冲高程如表2所示。

表2 最大冲刷深度试验成果表

工程断面下包络线最低高程为-10.12 m,考虑到-8.0 m以下高程已受洪水冲刷影响,而模型试验包含洪水的自然冲刷,因此主槽段桥墩 (PM18)起冲高程取汛前的最低高程-8.0 m,其它各段按下包络线取值。根据P=0.33%洪水计算成果,选择各桥墩试验适用的流速和水位亦如表2所示。

3.2 试验成果及分析

在300 a一遇洪水作用下,各桥墩最大冲刷深度均在9 m以上,冲深最大的桥墩冲深可达22 m以上,以断面地形下包络线为冲刷起始高程,最低冲深点均低于-7 m,断面最深点近-30 m。左岸边墩(PM20)最大冲深12.52 m,最低冲深高程-12.52 m,右岸边墩 (PM6)最大冲深9.3 m,最低冲深高程-7.3m;断面最大冲刷深度出现在主墩PM16和PM17处,为22.56 m;最低冲深高程出现在主墩PM18处,为-29.88m。各桥墩冲刷坑均基本呈以桥墩轴线为轴的对称型。桥墩四周紧邻桩基处河床明显冲深,各桩间由于桩的挤压,水流更趋集中,水流紊动强度亦有所增强,冲刷坑最深处一般在此区域。桥墩下游侧,沿水流方向,冲刷深度逐渐变浅。冲刷坑的宽度约为承台宽度的4～6倍,冲刷坑上游前缘位于墩前15～20 m左右,桥墩下游冲刷坑一般延伸至墩后80～150m左右。左岸边墩冲刷坑横向宽度约40～60 m,边缘距桥墩纵轴线20～30 m。右岸边墩冲刷坑横向宽度约60 m,边缘距桥墩纵轴线25～30m。

试验表明,左、右岸边护坦外沿线距离边墩纵轴线均大于30 m,而冲刷坑边缘距离边墩纵轴线均小于30 m。由于本试验采用的水流条件为300 a一遇的洪水,冲刷起始高程为下包络线等原因,试验结果是偏安全的,即实际发生的冲刷坑深度和平面尺度都会略小于试验值,但冲刷坑边缘试验结果毕竟已接近护坦,为保证堤防稳定,建议在桥轴线上游100m、下游200 m范围内对海塘进行稳定计算并采取适当防护措施,以减小或消除桥墩局部冲刷对海塘稳定的影响。

4 结 语

试验表明,建桥后桥墩墩位及其周围河床将会发生局部冲刷,冲刷坑均基本呈以桥墩轴线为轴的对称型,最深处一般在桩位区域。桥墩下游侧,沿水流方向,冲刷深度逐渐变浅。冲刷坑的宽度约为承台宽度的4～6倍,冲刷坑上游前缘位于墩前20 m左右,桥墩下游冲刷坑一般延伸至墩后80～150 m左右。左岸边墩冲刷深度可达12.52 m,右岸边墩冲刷深度也有9.30 m,且两岸边墩冲刷坑边缘已经接近护坦,因而,两岸塘脚宜采用防护措施,确保海塘安全。

[1]梁斌,许政,李来武,等.杭州市九堡大桥桥墩局部冲刷试验研究报告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2008.