潮流作用下群桩局部冲刷试验研究*

彭可可，文方针

(1．佛山科学技术学院环境与土木建筑学院，广东佛山528000;2．广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东广州510507)

随着国家路网的发展和公路设计水平的提高，公路已延伸至潮汐河道和近海海港。《公路工程水文勘测设计规范》［1］(JTG C30－2002)中给出了内陆径流河道中桥墩冲刷的计算方法。沿海潮汐河口地区桥墩受径流和潮流的影响，目前还没有统一的桥墩冲刷计算公式［2］。近20年来，国内外曾对多座桥梁在潮汐作用下的局部冲刷进行专项试验，得出了2种不同倾向的结果和解释。以铁道科学研究院为代表的研究者认为由于反向流提供了泥沙，因而潮流作用下小于单向流作用下的最大冲刷深度［2－3］;另一类成果以 Nakagawa 等［4－5］为代表，他们认为，在涨落潮最大流速与单向流平均流速相一致的情况下，两者的最大冲刷深度基本是一致的，但由于在一个潮周期内有相当长的小流速和憩流时间，所以潮流作用下冲刷达到平衡需要更长时间。本文采用潮汐河段常见的群桩为研究对象，以概化后的潮汐水文条件为试验控制边界，结合不同粒径的泥沙条件，对潮流作用下群桩基础的局部冲刷情况进行研究，观测局部冲刷的发展过程和最终形态特征，分析潮流作用下桥墩局部冲刷机理。

1 动床模型试验

1．1 模型布置

根据《水工(常规)模型试验规程》［6］(SL155 －95)的规定，研究对象接近于二元水流时可采用断面模型，故本次模型试验在长34 m、宽2 m的水槽中进行，其中动床试验段长10 m，桥墩布置在试验段的中部。整个模型由水槽、前池、尾池、回水渠组成闭合系统。试验装置见图1。

1．2 相似条件

模型需满足水流运动相似、泥沙运动相似。

1．2．1 水流运动相似

1．2．2 泥沙运动相似

泥沙起动相似:λv0=λv

输沙率相似:λp=λp*

式中:λL，λH，λv，λn，λt1，λv0，λp和 λp*分别代表模型平面比尺、垂直比尺、流速比尺、糙率比尺、水流运动时间比尺、泥沙起动流速比尺、推移质输沙率比尺、推移质泥沙的输沙能力比尺。

1．3 模型比尺

在桥墩局部冲刷过程中，垂线的流速分布及水流结构变化对沙粒的起动、沉降有较大影响，为满足水流、泥沙运动相似和桥墩局部冲刷相似，原则上应采用大比尺的正态模型。根据场地、设备、供水流量、量测精度以及试验模拟的桥墩尺寸，确定群桩模型平面比尺100，模型比尺见表1。

1．4 模型控制

本模型采用的HMMC水力物理模型计算机测控系统为先进的多台水泵变频调速闭环水位控制系统，尤其适用于以潮流为主的潮汐生成与控制。地形测量采用直读式地形测量仪和测针结合进行，为反映冲坑形态，每组试验采用数码照相作为辅助手段。

冲刷试验时间控制:在调整好流量和水位以后到冲刷达到平衡时为止，单向流一般持续冲刷2 h，往复流冲刷间隔不等(模型冲刷最长时间为23 h)，直至冲刷坑最大深度不发生变化、局部冲刷达到平衡、周边形态基本定型为止。

表1 模型比尺Table 1 Scale effect of model

1．5 模型沙的选择

泥沙起动流速采用以下公式计算［7］。张瑞瑾的起动流速公式为:

窦国仁泥沙起动流速计算公式为:

式中:m为泥沙起动的状态(个别动为0．265，少量动为0．320，大量动为0．408);ks为河床粗糙度，对于平整床面，当D≤0．5 mm，ks=0．5 mm;当D ＞0．5 mm时，ks=D50;根据交叉石英丝试验(δ=0．213 ×104cm;εk为黏结力系数，可取为 2．56 cm3/s2。)

图1 试验装置Fig．1 Model arrangement and control test device

塑料模型沙起动流速公式为:

煤粉起动流速公式:

珠江流域泥沙平均粒径为0．5 mm，按照粒径分组，珠江流域全河段砂(2～0．063 mm)含量的平均值为47．68%，粉砂(0．063～0．004 mm)含量的平均值为34．03%，黏土(＜0．004 mm)含量的平均值为0．73%。由窦国仁公式计算得到，在8～18 m水深下，中值粒径为0．5 mm的床沙的起动流速为0．47～0．63 m/s。

长江口河口段床沙中值粒径总体上自上游至下游逐渐变细，据吴淞口附近床沙分析，以0．10～0．25 mm粒径的颗粒最为普遍。

杭州湾泥沙主要来源于长江口，该河段河床质较为均匀一致，其平均中值粒径约0．049 mm，根据张瑞瑾公式计算，其起动流速为0．96～1．54 m/s。

由于悬移质对桥墩极限冲刷坑影响很小，动床模型只考虑推移质和床沙。动床试验段长10 m，铺沙厚度0．30 m。试验选用3种规格的模型沙参数见表2。

表2 模型沙参数Table 2 Model sand parameters

1．6 桥墩结构型式

试验群桩以某大桥为例，墩型布置及尺寸见图2。

1．7 试验水流条件

根据珠江、长江及杭州湾3个不同区域的水流特性，根据潮差、流速、历时，结合试验组次的限制，采用3种概化的潮位及流速过程，水流要素见表3。分别取各流速过程中的涨落急流速及对应的水深作为单向恒定流试验的边界控制条件。对于承台加桩群的墩型，试验中使桩群上部的承台始终处于水流的作用过程中。

图2 承台+桩群基础布置图(单位:cm)Fig．2 Pile cap and pile group foundation layout drawing

表3 潮汐水流参数Table 3 Tidal current parameters

2 局部冲刷发展过程及冲坑形态

对于群桩来说，在潮汐水流的作用下，冲刷初期，上游面在有正对来流时冲刷，在反向流的作用下则会有不同程度的淤积，故极大冲刷深度在上、下游面交替出现;随着冲刷的发展，冲刷深度逐渐增加，而回淤的幅度逐渐减小，冲刷深度持续增加，直至极限状态，群桩局部冲刷发展过程见图3。由图3可见:落潮历时增加后，群桩局部冲刷发展过程趋近于单向流。

从冲坑剖面形态上看，由于承台群桩的消能作用，涨、落潮水流流至承台中部能量消散较快而产生泥沙堆积，导致承台下群桩间形成首尾两端深、中间浅的马鞍形冲刷坑，见图4，与恒定流形成的迎水面深、背水面浅的勺状形态明显不同;从冲坑平面形态上看，群桩上下游端均形成冲深明显区;群桩中部冲刷受阻有部分泥沙淤积;群桩两侧区域无论涨潮还是落潮都是处于冲刷的状态，所以，该区域冲刷深度持续增大，顺涨、落潮流方向形成冲刷坑;群桩上、下游均形成与群桩等宽的绵长的浅淤(冲)区。潮流作用下群桩局部冲刷形态见图5。

图3 恒定流及潮流作用群桩局部冲刷发展过程(水流条件2，2号模型沙)Fig．3 Formation of local scouring under tidal flow and steady flow(flow condition2，2#model sand)

图4 潮流作用群桩局部冲刷典型剖面形态(水流条件2，2号模型沙)Fig．4 Typical section of local scouring under tidal flow(flow condition2，2#model sand)

图5a 水流条件1下1号模型沙局部冲刷形态Fig．5a Local scouring form(flow condition1，1#model sand)

图5b 水流条件2下2号模型沙局部冲刷形态Fig．5b Local scouring form(flow condition2，2#model sand)

在不同试验条件下，群桩局部冲刷深度见表4，潮流作用下与径流作用下最大冲刷深度的比值为0．97～1．00。

表4 群桩局部冲刷深度对比Table 4 Comparison of local scouring depth under different flow condition

3 潮流作用下桥墩局部冲刷发展过程及机理分析

通过对单向流和潮流作用下群桩局部冲刷过程的试验结果，可以明确潮流作用下桥墩局部冲刷机理和冲刷过程的特点如下。

3．1 最大冲深

在潮流作用下桥墩局部冲刷最大深度取决于涨落急的最强动力条件，在潮流最大流速与单向恒定流平均流速相等时，两者取得基本一致的局部冲刷最大深度。

桥墩局部冲刷深度阶段变化见表5，试验测得桥墩迎水端第1个落潮(涨潮)周期后冲深值与最终深度的比值，上游端为90．58%～92．81%，下游端为80．70%～90．53%，表明冲深速率在初始冲刷阶段较大，冲坑深度主要在初始冲刷阶段形成。

对于下游墩的冲刷坑，涨潮期间，流速渐急，但水深亦渐深，河底泥沙不易起动，冲刷速率低，下游侧冲刷坑发展较慢;涨急之后，流速逐渐减小，水深也持续增大，至高平潮冲刷深度都无明显变化。故墩下游端局部冲刷坑发展较慢，第1个张潮流周期后，冲深较上游端小;上游冲坑基本稳定时，下游冲刷深度较浅。

表5 桥墩局部冲刷深度阶段变化(2号模型沙)Table 5 Local scouring depth’stage change of bridge piers(2#model sand)

3．2 冲刷过程

冲刷过程取决于有效输沙量，潮汐水流仅在某一短暂时段流速达到极大值，大部分时间接近或小于该值，加上涨落潮若干时段内水流相互顶托、憩、转流等因素影响，使得床面泥沙处于起动、输移的有效时间大大短于恒定流试验时间。由于潮流过程中的有效冲刷流速和有效冲刷时间的减小，有效输沙量就大幅度减小，冲刷达到平衡需要更长的时间。

3．3 冲坑形态特征

桥墩受涨、落潮双向水流的作用，冲刷坑形态可概化为单向流造成的局部冲淤形态以桥轴线镜像的结果，镜像时地形变化轮廓取外包线，地形变化幅度取大值且冲深优于淤积、淤积优于不冲不淤。随着潮汐水流条件的变化，冲刷最深点位置变化不大，两侧冲刷沟及长条形的小丘形淤积随着涨、落潮势力的差异而有所不同。

4 结论

(1)潮流作用下桥墩周边局部冲刷过程均取决于冲刷坑内输沙量的变化，由于潮流过程中有效作用流速和有效作用时间的减小，导致有效输沙量大幅度减小，从而使潮流作用下总体冲刷过程延长。

(2)在局部冲刷形态上冲刷坑形态是单向流造成的局部冲淤形态以桥轴线镜像的结果。

(3)潮流作用下桥墩周边局部冲刷最大深度取决于涨落潮最大流速，在潮流最大流速与恒定流平均流速相等时，两者将取得基本一致的局部冲刷最大深度。

［1］JTG C30—2002，公路工程水文勘测设计规范［S］．JTG C30—2002，Hydrological specifications for survey and design of highway engineering［S］．

［2］Breucers H C，Nicollet G，Shen H W．Local sour around cylindrical pier［J］．J Hydr Res，1977，15(3):211 －252．

［3］Richardron E V，Richardron J R，Lagasse P F．Bridge scour evaluation in the united states，scour of foundations［C］//Proceedings of an international symposium organized by the international society of soil mechanics and geotechnical engineeriong technical committee Tc－33 on sour of foundations．Mellourne Australia，2000．

［4］Nakagqwa H，Suzuki K．Local scour around bridge pier in tidal current［J］．Coastal Engineering in Japan，1976(19)．

［5］HAN Yu-fang，CHEN Zhi-chang．Experimental study on local scour around bridge pipers in tidal current［J］．China Ocean Engineering，2004，18(4):669 －676．

［6］SL155—95，水工(常规)模型试验规程［S］．SL155—95，Test regulation for normal hydraulic model［S］．

［7］陈俊杰，等．常用模型沙基本特性研究［M］．郑州:黄河水利出版社，2009．CHEN Jun-jie，et al．Study on the basic properties of comm on moden sedinents［M］．Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press，2009．