潮流作用下桥墩局部冲刷规律研究

2014-12-31韩海骞熊绍隆

浙江水利科技 2014年5期

韩海骞，熊绍隆

（浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020）

针对单向水流情况下的桥墩局部冲刷，科技工作者根据现场实测资料、调查资料、模型试验等多种途径开展研究，系统分析了桥墩局部冲刷规律，先后提出了能量转化法［1-2］、墩周挤压水流学说［3］、马蹄形旋涡理论、墩周清水环流切线流速理论、墩周旋涡束紊流等多种理论，总结出了桥墩局部冲刷深度与相关因子的相关关系［4-6］。

近年来，在沿海潮汐河口修建了很多大型、特大型桥梁，桥墩受径流和潮流两方面不同周期变化的影响，水文和河床变形十分复杂，加之桥梁跨度大、桥墩结构类型繁多，为此，不少单位针对具体问题进行了相关试验研究［7-8］，如铁道部科学研究院进行了钱塘江二桥桥墩冲刷试验，河海大学海岸及海洋工程研究所进行了福建下白石特大桥桥墩局部冲刷试验，南京水利科学研究院进行了江苏苏通长江大桥的桥墩局部冲刷研究等。这些试验表明：径流和潮流交互作用产生的桥墩冲刷深度较径流（主要是洪水）产生的桥墩冲刷深度要小20%～30%；桥墩最大冲刷位置，洪水一般在上游端及其两侧，大约左右各60°范围内，而潮流作用下最大冲刷深度的位置随机性很大，可能出现在上、下游端与两侧；潮汐作用对冲刷的减少，自下游向上游逐渐减小，潮区界以上的桥梁则不受潮汐影响；最大洪峰和最低潮相遇，对冲刷最为不利。

1 研究方法

为进一步研究潮流作用下桥墩局部冲刷规律，作者通过对钱塘江河口及杭州湾的嘉绍大桥、杭州湾大桥和金塘大桥在潮流作用下的桥墩局部冲刷开展水槽试验，研究了桥墩在潮流作用下的冲刷坑形态与冲刷过程，并对潮流作用下桥墩局部冲刷深度的主要影响因子进行了分析。

1.1 模型设计

桥墩局部冲刷模型主要研究桥墩周围冲刷坑的形态及深度，需模拟由桥墩引起的马蹄形漩涡等三维水流现象，因此按正态模型设计。

为了较好地反映桥墩对水流的影响，模型几何比尺λl=lP／lm（下标p、m分别表示原型与模型，λ表示下标代表的某一物理量的比尺关系，下同）不宜过大，受场地、供水设备等限制，模型平面比尺不宜太小，综合其他各方面因素（如桥墩尺寸、模型沙选择、表面张力与紊流限制条件等）［9］，确定局部冲刷模型几何比尺范围为50～100。

根据桥跨布设资料分析，除主通航孔跨度较大，桥墩相互影响可以忽略外，其他桥墩一般均需考虑相邻桥墩的影响，因此水槽应模拟的宽度应尽可能宽。综合考虑各桥跨的布设，确定水槽宽度为4.30m；水槽长度35.00m；主要考虑桥墩局部冲刷坑范围以及水流平稳等因素，确定动床段长10.00m，模型平面布置见图1。

图1 水槽模型布置示意图

为使模型能较好地模拟原型的水流运动，除几何相似外，还需满足必要的动态与动力相似条件。模型水流必须满足惯性力重力比相似条件λu=λh1／2和水流连续相似条件λt=λl／λu。

水流为往复性潮流，为此，模型按非恒定往复流设计，主要研究桥墩在潮流条件下的冲刷情况。

为了研究桥墩的局部冲刷，首先必须对桥墩处河床泥沙物理特性进行分析研究。水槽模型主要研究桥墩的最大冲刷深度，因此模型选沙主要考虑起动相似条件λuc=λu，此外选择模型选沙时还需考虑其水下休止角的相似［10］。

1.2 试验条件

嘉绍大桥位于钱塘江河口尖山河段的弯顶附近，建在上虞九六丘和海宁05围区之间，工程附近潮差大，其下游澉浦和上游盐官站平均潮差分别为5.68m和3.27m，澉浦最大实测潮差达9.00m；涌潮强劲，最大潮头高度可达3.00m以上，涨潮流速最大实测垂线平均为5.58m／s，根据分析，最大涨潮流速可达7.50m／s以上；该河段泥沙均为细粉沙，中值粒径0.0200～0.0400mm，抗冲能力低，平均沉降速度0.14cm／s，起动流速为0.64～0.72m／s，易冲易淤。

杭州湾大桥位于杭州湾中部，海盐县郑家埭和慈溪市丰收闸之间，工程附近潮差也较大，其下游乍浦平均潮差为4.65m，最大实测潮差达7.57m；潮流呈往复流特征，根据分析，最大涨潮流速可达3.50m／s以上；湾内泥沙以细颗粒悬移质为主，中值粒径0.0040～0.0160mm，河床主要由亚砂土层和淤泥质亚黏土层构成，平均中值粒径约0.0490mm。

金塘大桥位于钱塘江河口口门附近的灰鳖洋，建在宁波新泓口和舟山金塘岛之间，工程附近潮汐为非正规浅海半日潮，多年平均潮差为1.91m，历年最大潮差3.67m；潮流呈往复流特征，潮差越大，潮流流速也越大，根据分析，最大涨潮流速可达3.30m／s以上；悬沙的中值粒径在0.0037～0.0134mm，主要为粉砂、黏土，床沙中值粒径约0.0270mm。

钱塘江河口大缺口以下的尖山河段，虽然其主流的摆动在很大程度上受制于上游径流的丰、枯变化，但由于江道在此处放宽率很大，大洪水对该河段水流的最大流速的影响已不十分明显，桥墩的最不利冲刷主要是由大潮引起的；澉浦以下的杭州湾，涨、落潮潮流受上游径流的影响更小，桥墩的最不利冲刷也是在大潮期间形成。考虑到桥墩局部冲刷坑深度受水流流速大小的影响较大，而钱塘江河口水域潮差与流速又有着较好的正相关关系，即潮差越大、流速越大，因此，比照相关规范，提出了 “设计潮差”的概念，即统计工程附近常设站每年的最大潮差，进行潮差的频率分析，主要受潮流作用的河口桥墩局部冲刷，水流条件采用设计潮差条件下的潮流。上述设计潮差条件的潮流或未曾发生或发生时桥位断面无相应的水文测验资料，可以利用大范围数学模型及实体模型按照设计潮差的边界条件进行计算，试验后提供桥轴线处潮位、流速流向过程。

嘉绍大桥全长11.50km，主通航孔桥跨布设为70m+200m+5×428m+200m+70m，北副通航孔桥跨布设为70m+120m+70m，其他均为70m跨布置。杭州湾大桥全长36km，北航道桥采用90m+150m+448m+150m+90m五跨连续钻石型双塔双索面钢箱梁半漂浮体系斜拉桥方案，南航道桥采用100m+100m+228m三跨连续A型独塔单索面钢箱梁半漂浮体系斜拉桥方案，南北通航孔两侧高墩区均采用80m跨连续梁组合体系方案，北岸滩涂区、南边滩为50m跨预应力混凝土连续箱梁，引桥为60m跨预应力混凝土连续箱梁。金塘大桥全长18.50km，主通航孔跨径布置为50m+70m+165m+620m+165m+70m+50m，东通航孔跨径布置为50m+102m+186m+102m+50m，西通航孔跨径布置为50m+87m+156m+87m+50m，其他为非通航孔，桥梁跨径均为50m，分别选取主墩、过渡墩和引桥桥墩等开展冲刷试验。

2 潮汐冲刷过程

水槽模型试验可清楚地反映出桥墩局部冲刷坑在潮流作用下的形成与演变过程。建桥后，桥墩前方水流一般在垂线最大流速相应高度稍下位置形成分界面，分界面以上水流，受阻转向水面，引起水面雍高；分界面以下水流，受阻转向河底，形成下降水流，在近床底造就一横轴反向漩流，与纵向水流结合为绕墩柱两侧流向背流侧的马蹄形漩涡，于是桥墩周围的床沙被冲起带向下游，尤其是桥墩迎流侧附近，冲刷坑即由此形成，被冲起的泥沙，随漩涡运行至桥墩尾部，在漩涡转而向上时，泥沙下沉落淤成为纵向长条形小丘，而桥墩两侧也由于水流动能的增加引起冲刷。

图2为杭州湾大桥北主墩与南深槽桥墩冲刷坑高程随时间变化图，可以看出，初期桥墩附近河床快速下切形成冲刷坑，随后冲刷迅速减小并渐趋稳定，一个潮后冲刷坑即接近最深点，2～3个潮后即趋于平衡。这里需要说明的是图中横坐标为由水流连续时间比尺λt1换算得到的原型历时，考虑选轻质沙产生的时间变态，根据对木粉进行若干试验的经验，一个潮约相当于2～3d，即5～7d冲刷坑即趋于平衡。

图2 桥墩局部冲刷坑深度随时间变化过程图

从模型试验中还可以看出桥墩冲刷坑在同一潮周期内的演变情况，图3为杭州湾大桥南通航孔主墩冲刷坑逐时高程变化过程图。从图3中可以看出，涨潮初期，随着流速的增大，桥墩附近河床快速冲深，在涨急过后测点高程出现相对低点，然后随着流速的减小略有回淤，至高平潮后期测点高程相对较高；转流后随着落潮流流速不断加大，测点高程再次出现相对低点，至低平时又略有回淤。

图3 杭州湾大桥南通航孔主墩冲刷坑逐时高程变化过程图

上述规律亦可从1988年9月大潮期钱塘江彭埠大桥进行的桥墩局部冲刷坑定点逐时观测资料中得到印证，冲刷坑观测点布设在桥墩下游，实测资料表明，冲刷坑深度呈周期性变化，周期与潮周期一致，从涌潮到达始，冲刷坑急剧加深，至流急时，冲刷坑最深，15min，冲刷0.5m左右；涨急过后水深渐大，流速渐缓，冲刷转为淤积，一直持续到高平潮，高平潮时冲刷坑底部最高，涨急至高平潮的2h多一点，淤高0.7～0.8m；落潮期水深渐浅，流速渐急，此时桥墩下游面为背水面，由绕流体尾涡影响，亦有冲刷，但是速率较小。

3 冲刷坑形态

在潮流作用下，桥墩迎流侧水流受阻部分向上产生壅水，部分转向河底形成下潜流，在近床底造就一横轴反向漩流，与纵向水流结合造就马蹄形漩涡，其余纵向水流则向桥墩两侧集中，在背流侧形成尾涡。

本项研究桥墩均多为桩基承台型（嘉绍大桥为减小桥墩的影响，除主墩外，均取消了承台，为高桩结构），在潮流作用下，涨潮时下游侧水流向下形成漩流，河床刷深，在上游侧尾部形成长条形小丘，两侧由于水流动能增加产生冲刷并向上游延伸；落潮时上游侧水流向下形成漩流，河床刷深，而在下游侧尾部形成长条形小丘，两侧亦由于水流动能增加产生冲刷并向下游延伸。随着冲刷坑深度加大，水流挟带泥沙的能力逐渐减弱直至达到冲淤相对平衡。各桩间由于桩的挤压水流更趋集中，紊动强度亦有所增强，一般情况下冲刷最深，冲淤基本平衡时，冲刷坑形态见图4、5，桩群间冲刷最深。桥墩两侧形成2条冲刷槽，上下游头部则形成长条形小丘，共同构成了桥墩的冲刷坑。

图4 北航道主墩冲刷坑形态图

图5 南航道主墩冲刷坑形态图

杭州湾大桥北通航孔主墩由于该处涨潮流强于落潮流，最深点出现在靠下游侧的桩群中，两侧的冲刷槽向上游延伸长度大于下游（见图4）。而南通航孔处涨、落潮流势力相当，主墩冲刷坑最深点则有可能出现在任一侧的桩群中，两侧的冲刷槽向上下游延伸长度也较为接近（见图5）。当落潮流较为强劲时，最大冲刷深度将在桥墩偏上游侧，两侧的冲刷槽向下游延伸长度大于上游。

4 冲刷坑深度影响因子分析

根据潮流作用下桥墩局部冲刷试验成果，可知桥墩在潮流作用下的局部冲刷深度按照影响程度分别与水流的流速、桥墩的阻水宽度、桩基的布置与桩型、河床泥沙的抗冲特性及水深等有关。

（1）冲刷坑深度随流速的增加而增大。随着水流流速的增大，水流的挟沙能力不断增强，同时，桥墩周围形成的各种漩流相应增强，泥沙起动概率增大，桥墩局部冲刷坑深度相应增大（见图6），从2组变流速（桥墩、水深及泥沙粒径等不变）的试验中均可以看出这一现象。

图6 桥墩局部冲刷坑深度与流速的关系图

（2）冲刷坑深度一般随桥墩阻水宽度的增加而增大。随着桥墩阻水宽度的增加，桥墩两侧的水流得到加强，桥墩局部冲刷坑深度相应增大（见图7）。从3组变墩宽（水流的水深、流速及泥沙粒径等不变）试验中均可以看出这一现象。

（3）桥墩的局部冲刷坑深度还与墩台下桩群布置及桩型有关。图8为哑铃型桥墩桩群布置的2种常见型式图，左图顺水流方向为 “梅花型”，右图顺水方向成排布设，称之为 “条带型”，从对比试验中可以看出，“梅花型”布设桥墩阻水宽度较 “条带型”大，但最大局部冲刷深度反而小，分析其原因，主要是由于 “梅花型”桥墩在来水方向上布置相对散乱，制约了桥墩周围涡流的发展，进而冲刷少一些，而 “条带型”因水流在条带间相对集中，致冲刷坑深度明显增大，但由于其阻水宽度小，冲刷坑的范围也要较 “梅花型”小一些。

此外，在杭州湾大桥及金塘大桥的设计中广泛采用了钢管桩，根据受力要求，钢管桩多按照不同角度设置为斜桩。试验表明，采用斜桩后的桥墩局部冲刷坑较灌注桩（直桩）深，主要是由于斜桩阻水后，部分本来向上的水流由于斜桩的导水作用转而向下，使得下降流强度加大，冲刷坑深度加深。

图7 桥墩局部冲刷坑深度与墩宽的关系图

图8 不同桥墩桩基布置型式图

（4）桥墩的局部冲刷坑深度随河床泥沙起动流速的增大而减小，桥墩的局部冲刷除与水动力强弱密切相关外，河床的抗冲能力也直接影响冲刷坑的深度，河床泥沙抗冲能力强，则桥墩局部冲刷深度小，反之则大。

（5）桥墩的局部冲刷坑深度随水深的变化规律上下游有所不同。在上游的袁浦大桥、复兴大桥和下沙大桥等的试验中桥墩的局部冲刷坑随水深的增大而减小，而在下游段潮流作用下局部冲刷试验中，桥墩的局部冲刷坑深度随水深的增加略有增大。图9为一组变水深（桥墩、水流的流速及泥沙粒径等不变）的试验图，可以看出，在河口潮流段，随着水深的增大，冲刷坑深度略有增加。分析其原因，主要是随着水深的增加，河床泥沙的起动流速有所增加，抗冲能力增强，会使冲刷坑偏小，而相同流速条件下，水深的增加会增加桥墩附近的单宽流量，随着单宽流量的增加，水流对河床的冲刷强度要大一些。