飞云江特大桥桥墩局部冲刷试验研究

2014-04-03王瑞锋杨元平李红燕

浙江水利科技 2014年3期

王瑞锋，李君，杨元平，林洁，李红燕

（浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020）

随着浙江甬台温沿海港口的大力建设，临港工业的快速发展，甬台温高速公路交通拥堵加剧，服务水平下降，扩容改造工程已迫在眉睫。

甬台温高速公路复线是浙江省高速公路主骨架 “两纵两横十八连三绕三通道”的 “一连”，是沈海国家高速公路浙江段的辅助线路，也是温州市高速公路骨架 “二纵二横二连一绕”中的 “一纵”［1］。飞云江特大桥（简称 “大桥”）是甬台温高速公路复线温州段的控制性工程之一。大桥位于飞云江河口，飞云江三桥下游3.5km处直线跨江，位置见图1。

工程位于潮流、洪水共同作用区，水动力条件复杂，河床底质易冲，而且桥墩为大尺寸的群桩复杂结构，采用动床物理模型试验进行冲刷研究是解决此类复杂的工程冲刷问题的有效手段之一。

图1 大桥桥位示意图

1 水域条件

飞云江流域是浙江省八大水系之一，发源于浙闽交界的仙霞岭，于瑞安市的上望注入东海。流域面积3252 km2，全长203km，是一条独流入海河流。

潮汐：桥址水域处于河口段感潮水域，潮差较大，受东海前进波影响，1d内潮汐2涨2落，属非正规浅海半日潮类型，工程上游约10km处的瑞安潮位站实测最大潮差6.96m、平均潮差约4.39m。受径流、地形的影响，潮波发生变形，涨潮历时缩短，桥址水域平均落潮历时比涨潮长约2.5h。潮流：桥址水域潮波具有明显的驻波性质，并呈往复流运动形式。涨、落潮期间最大流速多发生中潮位附近，而憩流一般在平潮后1.0h。泥沙：飞云江河口泥沙来源主要为海域来沙，口门上望每潮的输沙量相当于上游1 a的流域来沙［2］。冬、春季节，沿海盛行北向风，长江口外的泥沙，沿海岸顺流南下，大量泥沙在近海区沉积，成为飞云江海域来沙的丰富沙源。2008年实测泥沙及钻孔资料表明，工程近区平均含沙量为1.1kg／m3，悬沙平均中值粒径为0.006mm，底沙中值粒径0.006～0.014mm。工程地质：飞云江河口处于海积平原区，50m深度以浅存在淤泥、黏土、淤泥质黏土夹粉砂等土层［3］。

2 工程概况

大桥主桥设计为双塔双索面叠合梁斜拉桥，桥跨布置见图2，本次试验主要针对主墩进行研究。主墩间距380m，桥型布置基础为上部墩身＋承台＋桩基的组合结构，各桥墩结构尺寸见表1。桥墩承台截面呈哑铃型结构，构造见图3。

表1 主墩结构尺寸表m

图2 主桥桥跨布置图单位：cm

图3 桥墩基础结构图

3 模型试验设计

3.1 模型设计

局部冲刷模型模拟桩基引起的下降流、漩涡等水流流态，研究桥墩局部冲刷坑的深度及形态，实体模型一般按正态模型设计。

模型水流须满足重力相似、水流连续相似条件及泥沙起动相似、水下休止角的相似［4］。本次试验在长40.0m（动床段长8.0m），宽3.7m的水槽中进行，几何比尺，模型按双向非恒定流设计。

3.2 模型选沙

局部冲刷模型主要研究桥墩引起的最大冲刷深度及冲刷形态，模型选沙着重考虑起动相似及水下休止角的相似。

工程水域泥沙具有典型的黏性土特征，根据计算，其起动流速为v0P＝63～85cm／s（水深H＝10～20m）。经过对各模型沙的比选最终采用中值粒径d50＝0.07mm的木粉，其起动流速约ucm＝7.5～9.0cm／s，起动流速比尺8.20～9.80，与理论计算值8.94较接近，其水下休止角与河床质也基本接近。

3.3 试验条件

飞云江河口水域为径流、潮流共同作用区，飞云江流域洪水一般由暴雨、台风及天文大潮造成，尤其是台风暴雨。本次局部冲刷试验采用300a一遇设计洪水、设计潮水条件分别进行试验（见图4）。

（1）设计洪水工况：300a一遇洪水（上游流量14000 m3／s）＋外海实测大潮（瑞安站潮差5.72m）。

图4 设计水流条件图

当遭遇300a一遇设计洪水时，工程河段主要受径流控制，已无涨潮流出现，最大水流流速为3.06m／s。考虑工程附近不利冲刷情况及试验便利，洪水冲刷试验按恒定流进行控制，水位采用洪水潮位过程对应的中潮位，流速采用洪峰最大流速。飞云江流域洪水一般由台风暴雨引起，典型洪水持续时间一般约2d。

（2）设计潮水工况：一般洪水（上游径流采用50%流量3500m3／s）＋外海设计大潮（瑞安站300a一遇潮差7.58m）。

同样，工程水域出现极端大潮时往往伴随着降雨，当遭遇300a一遇设计大潮时，其最大水流流速为2.18m／s，由于工程河段潮流为往复流，设计潮水工况下的极限冲刷试验采用非恒定流（双向流）。

工程河段的河势特征为江道顺直、宽浅，江道地形表现为 “U”型，桥位断面历年河床地形包络见图5，河床冲淤幅度不大，基本在1.0～2.0m。河床冲刷起冲高程采用断面最低点－5.7m。

图5 桥位断面河床高程上、下包络线图

4 试验成果

4.1 冲刷深度

各特征桥墩冲刷试验河床面貌见照片1。

试验结果表明：桥墩最大冲刷深度出现在设计洪水工况。潮水、洪水工况最大冲刷深度分别为12.9，18.4m，最低冲刷高程分别为－18.6，－24.1m。

照片1 桥墩冲刷试验

4.2 冲刷坑形态

水流流经桥墩时，水流结构将发生改变。主要包括墩前水表面涡流、墩前向下水流、马蹄形涡流和尾迹涡流［5］。根据试验后河床形态也可以看出，各桥墩迎水侧紧邻桥桩处均有明显的冲刷下切，并呈现桩基两侧区域冲刷后高程较低，尾水区域为纵向条带形淤积丘的马蹄形冲刷坑。

涨潮时，受桥墩结构的阻水作用，下游侧水流向下形成漩流，形成绕桥墩两侧靠近河底的马蹄形漩涡，并伴随着冲刷的纵向延伸；随漩涡运行至桥墩尾部，在漩涡转而向上时，泥沙下沉落淤，随着冲刷深度加大，水流挟带泥沙的能力逐渐减弱直至达到冲淤相对平衡；落潮时反之。

桥墩冲刷试验面貌见图6～7，桥墩冲刷坑横向最大冲刷范围约为4倍的承台宽度。

图6 桥墩周边冲刷坑形态图（设计洪水）

图7 桥墩周边冲刷坑形态图（设计潮水）

设计洪水工况冲刷后，其平面冲刷形态呈马蹄形，纵向呈勺型，其中最深点（勺心）位于桥墩上游侧，向下游为冲刷稍小的勺柄（见图6），桥墩两侧的冲刷槽向下游延伸，而且下游出现条带状淤积丘，最大宽度出现在哑铃型桥墩下游侧。

设计潮水工况冲刷后，其平面冲刷形态近似圆形，纵向呈中间高两侧低的马鞍型（见图7），冲刷坑最大宽度出现在桥墩中部附近，两侧的冲刷槽上下游双向延伸，下游方向的冲刷延伸范围及桥墩后的条带状淤积丘均比上游明显，这主要是由于上游50%洪水的作用，导致落潮流速大于涨潮流速。

4.3 冲刷分析

4.3.1 冲刷深度

4.3.1 .1 实测分析

钱塘江二桥曾于1993年6月25日遭遇12000m3／s洪水，根据推算［6］，主槽流速约3m／s（与本工程设计流速基本相当）。5＃墩上下游布置2个直径16.2m的承台，各配以14φ1.5m直桩，迎流面呈7排布置。洪水过后测量北5＃墩冲深11.2m，但冲刷坑最深点在无法测量的桩群间，而且洪水过后淤积较快，因此实际最大冲深会显著大于11.2m。

本工程阻水面积与其相比大30%以上，根据推算，最大冲深应大于15.0m。

4.3.1 .2 公式估算

根据地质资料，桥位水域河床质为黏性土，因此选用《公路工程水文勘测设计规范》［7］中推荐的黏性土桥墩局部冲刷公式进行估算。

式中：hb为局部冲刷深度（m）；Kξ为墩形系数；B为计算宽度（m）；h为行近最大水深（m）；V 为行近流速（m／s）；IL为黏性土液性指数。

计算结果表明，桥墩最大冲刷深度为18.8m，与冲刷试验值相比差别较小，在0.5m内。4.3.1.3 试验类比分析

杭州湾大桥通航孔南主3号墩承台采用直径26.0m的哑铃型墩，承台顶高程5.7m，承台厚6.5m，配以42φ2.0 m直桩，迎流面呈5排布置。在3.09m／s的设计潮水冲刷后，最大冲深15.0m。

本工程主墩形状与上述南主3号墩基本相似，采用宽度为27.7m的哑铃型墩，单 “铃”为六边形，承台顶高程4.0m，承台厚6.0m，配以49φ2.8m直桩，迎流面呈5排布置。在3.06m／s的设计洪水冲刷后，最大冲深18.4m。两者相比主要差别在于本工程桩径大于南主3号墩，本次试验采用洪水冲刷（单向流）也稍大于相同涨急流速的潮水冲刷，其他各条件两者基本接近，可见与南主3号墩相比，本工程的冲刷深度基本合理。

4.3.2 冲刷形态

根据2010年7月飞云江三桥水域实测地形资料，其主墩在一般潮水条件下的冲刷坑地形面貌见图8。

本次设计潮水试验由于50%洪水流量的影响，冲刷槽主要向下游延伸，但总体来看试验情况与该实测地形面貌较为接近。