台州湾大桥桥墩处局部冲刷试验研究

贠鹏， 陈刚

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)



台州湾大桥桥墩处局部冲刷试验研究

贠鹏， 陈刚

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

台州湾大桥位于椒江河口，桥墩结构及河口水域水动力条件复杂。为科学预测桥墩周围冲刷坑范围、形态和最大局部冲刷深度，开展了设计洪水、设计潮水条件下桥墩处局部冲刷水槽物理模型试验研究。通过冲刷公式估算和类似实测资料分析验证表明，试验中预测的桥墩处的冲刷坑范围和深度合理。此结果可为实际工程的设计及运行提供技术支撑。

台州湾大桥；桥墩；物理模型；局部冲刷；最大局部冲刷深度

随着城镇建设步伐的加快及区域经济的持续快速增长，甬—台—温高速公路交通拥堵加剧，服务水平下降。为缓解该高速公路的交通压力，迫切需要建设其复线。

1 工程概况

该高速公路复线工程中的台州湾大桥位于椒江河口，如图1所示。该处为山溪性强潮河口，水动力条件复杂，河床底质易冲刷[1]。大桥桥型方案为双塔整幅叠合梁斜拉桥[2]，桥型布置如图2所示。

图1 大桥位置示意图

图2 台州湾大桥桥型布置图(除高程单位以m计外，其余尺寸均以cm计)

台州湾大桥桥墩为整体式承台，结构复杂，采用大比尺正态物理模型试验进行桥墩处冲刷研究是解决复杂结构桥墩冲刷问题的有效手段[3]。文中针对主墩(Z3、Z4)和辅助墩(Z1、Z2、Z5、Z6)进行研究。主墩和辅助墩桥型均采用上部墩身+承台+桩基结构，主墩采用哑铃型承台结构，如图3所示，辅助墩采用整体式承台结构，各桥墩结构尺寸见表1。

图3 主墩结构图

表1 桥墩结构尺寸

2 水域条件

椒江是浙江省第三大水系，发源于仙居县与缙云县交界的天堂尖，经仙居县、临海市至三江口与永宁江汇流后出牛头颈，入台州湾，主流全长209.0 km，流域面积6 603 km2。

2.1 潮汐

椒江河口潮型为不规则半日潮，潮汐1 d内2涨、2落，较为规则，但日不等现象较为明显，落潮历时比涨潮历时长1 h左右[4]。桥址处实测最大潮差为6.75 m。

2.2 潮流

桥区河段为径、潮流共同作用较强的河段，涨、落潮流速均较大，根据实测资料，大潮实测最大流速大于中潮的最大流速，中潮的最大流速大于小潮的最大流速，垂向上测得各站流速随水深的增加而减小，但涨、落潮流强度因各站所处位置不同而有一定的差别。

2.3 泥沙

椒江口外桥位及其附近海域的泥沙在大小潮期主要向口外输运，在中潮期时主要向口内输运，且均有向南北两岸边滩输沙的趋势，这与口外海滨两侧出现边滩缓慢淤涨、河口向外延伸的现象一致。台州湾海域淤积泥沙主要来源于长江入海泥沙，该泥沙随水流输移于此海域，椒江河道径流输沙仅占很小部分[5]。

2.4 工程地质

椒江河口处于海积平原区，50 m深度以内存在淤泥、粉质黏土、黏土、粉质砂土、淤泥质黏土等土层[6]。

3 水槽模型试验设计

3.1 模型设计

研究区桥墩处局部冲刷深度的水槽模型需按正态物理模型设计，试验在长40.0 m、宽3.7 m水槽中进行，确定模型几何比尺为80。模型布置及边界条件如图4所示。

为使模型能较好地模拟原型水流运动，模型水流必须满足重力相似、水流连续相似条件，取模型流速比尺和水流时间比尺为8.94。椒江河口潮流为往复流，模型按双向非恒定流设计。

图4 水槽平面布置图

为使模型能较好地模拟原型泥沙运动，模型必须满足泥沙起动相似及水下休止角相似这两个条件[7]。该工程河段泥沙为黏性沙，经计算得到的泥沙起动流速为1.47～2.06 m/s(水深8～18 m)。经过比选，选取中值粒径的木粉作为模型沙，其起动流速为0.16～0.23 m/s，起动流速比尺为8.5～9.7，与理论计算值8.94相近，该模型水下休止角与原型沙水下休止角基本一致，能较好地模拟该桥桥墩处的冲刷情况。

模型两端为控制边界，采用水泵群变频调速控制生潮系统。该系统由2台总线工控机利用积分分离的PID算法，按要求的边界潮汐过程线控制12套变频器，通过12台水泵向模型提供潮汐水流，该过程为一闭环控制回路。

3.2 模型试验条件

该水槽模型局部冲刷试验主要研究设计洪水和潮水条件下桥墩处的最大局部冲刷深度及冲刷坑的大致形态。椒江河口水域为径流、潮流共同作用区域，局部冲刷试验在300年一遇洪水、潮水条件下进行，如图5所示。

图5 设计水流条件

3.2.1 设计洪水

设计洪水采用300年一遇洪水(上游流量17 930 m3/s)，并结合流速最大时刻的水位条件。当遭遇300 年一遇洪峰时，桥位断面主墩通航孔中心位置的流速相对较大，为2.41 m/s。考虑到该工程附近不利冲刷情况及试验便利，水槽试验中的冲刷洪水采用恒定流，流速采用洪峰最大流速，水位采用流速最大时刻的对应水位。椒江流域洪水一般由暴雨、台风造成，时间按原型2 d施放。

3.2.2 设计潮水

设计潮水采用外海设计大潮。推算桥址处300年一遇高潮水位为6.60 m，低潮水位为-3.18 m，水位差为7.43 m，最大涨潮流速为1.73 m/s，落潮流速为2.64 m/s。设计潮位工况下的冲刷试验水流采用非恒定流(双向流)，潮型选用外海实测大潮进行缩放，落潮最大流速放大至2.64 m/s。时间按原型3 d施放。

3.2.3 河床起冲高程

椒江河口径、潮流动力条件复杂，河床冲淤变幅大,图6为桥址断面河床冲淤变化情况。从图6中可以看出，2011年地形是近年来最低地形。选取桥址所在断面历年河床的下包络线作为试验的起冲高程，利用不利水流条件进行冲刷试验。河床断面起冲高程选取断面最低点-6.3 m。

图6 桥址断面水深变化情况(理论最低潮面)

4 试验结果

4.1 冲刷坑深度与形态

桥墩布设后，受桥墩承台及桩群阻水影响，桥墩区域上下游流速减缓，两侧形成绕流且流速增大。由于承台底部桩群阻水，来流受阻后部分转向河底，产生下潜水流，并在近河床处形成一横轴反向漩流。该漩流和来自上游底部的纵向水流集中结合在一起，形成绕桩且靠近河底向下游流去的马蹄形漩涡[8]。在马蹄形漩涡作用下，桩周围河床上的泥沙被冲起带向背流侧。受桥墩桩群影响，承台下的区域水流流速大、紊动强，冲刷深度也最大。冲刷坑深度见表2，主墩附近河床面貌如图7—8所示。

由表2的试验结果知，洪水、潮水条件下主墩处的最大冲刷深度分别为15.5、16.4 m，辅助墩处的最大冲刷深度分别为10.0、10.3 m。桥墩处的最大冲刷深度均出现在设计潮水条件下，所以局部冲刷深度可由潮水方案控制。

图7 主墩冲刷试验(0.33%洪水条件)

图8 主墩冲刷试验(设计潮水条件)

当冲刷开始时，由于受到桩基周围水流和漩涡的作用，桩基下泥沙被水流冲刷挟带，在桩基前端逐渐形成很小的冲刷坑。随着冲刷的继续进行，冲刷坑的前后范围增大，冲刷坑的深度逐渐增加，并向桩基两侧延伸。由于泥沙之间的相互阻碍作用，随着冲刷时间的增加，从冲刷坑内冲走的泥沙越来越少，冲刷坑深度增加的速度逐渐放缓并趋于动态平衡。受桥墩承台及桩群阻水的影响，桩基周围冲刷坑最终呈现为两侧区域高程较低、上下游区域高程略高的形态。主墩和辅助墩两侧冲刷坑影响范围尺寸约是桥墩宽度的3～4倍。

洪水冲刷后，桥墩主墩两侧的冲刷槽向下游延伸，桥墩处只有在下游侧出现带状淤积丘，承台底部区域的淤积明显较周边的深。最大冲刷深度出现在承台底部偏上游处，承台中心线上游的桩基冲刷深度和冲刷范围明显大于下游的，最大冲刷深度相差4.6 m(模型试验结果实测值)。潮流冲刷后，由于落潮流流速大于涨潮流流速，桥墩两侧的冲刷槽向下游延伸的长度较向上游延伸的长度长，桥墩上下游存在略高于周边床面的长条淤积丘，承台底部桩群区域河床较周边河床冲蚀明显。最大冲刷深度出现在桥墩中心偏上游侧，如图9所示。

辅助墩处的冲刷坑形态与主墩处的相似。由于阻水面积较主墩的小，在相同流速条件下，辅助墩床面上的冲刷影响范围和局部冲刷深度明显较主墩处的小，如图10所示。主墩处在设计洪水、设计潮水条件下的最终冲刷坑纵剖面如图11所示。

图9 主墩冲刷坑形态图

图10 辅助墩冲刷坑形态

图11 主墩处0.33%洪水、潮水条件下冲刷后的纵剖面示意(单位：cm)

由图11可见，哑铃型桥墩(主墩)在洪水作用下，位于桥墩中心线两侧的桩基存在明显的冲淤界限，桥墩中心线上游侧桩基冲刷较深，水流在绕过上游侧承台与桩基后，哑铃型横梁段给了泥沙一定的时间和空间落淤，导致桥墩中心线下游侧桩基相对冲刷较轻；潮水条件下，往复流造成桥墩中心线两侧的冲淤情况相对均衡。

4.2 结果分析

4.2.1 实测资料分析

钱塘江彭埠大桥于1993年6月25日遭遇12 000 m3/s洪水，洪水过后测量得北5#墩处冲刷深度为11.2 m[9]。台州湾大桥洪水条件下主墩处的冲刷深度为15.5 m，与彭埠大桥主墩处的冲刷深度相比，两者在洪水条件下的冲刷深度相近，但台州湾大桥桥墩的阻水宽度较大，桥墩处水流流速略大，考虑到彭埠大桥由于回淤而未测到冲刷坑最深点等原因，台州湾大桥主墩处的洪水冲刷深度15.5 m基本合理。

4.2.2 公式估算

根据地质资料，台州湾大桥桥址处可冲刷土层主要为淤泥及黏土质粉沙，采用相关规范[10]中的黏性土局部冲刷深度计算公式估算该桥墩处的局部冲刷深度：

(2)

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为最大水深，m；IL为黏性土液性指数；v为一般冲刷后墩前流速，m/s。

由式(1)和式(2)的估算结果知，主墩处局部冲刷深度估算值为14.8 m，辅助墩处局部冲刷深度估算值为9.1 m，与试验值较为接近，说明试验结果相对可靠。

5 结语

模型试验按正态、双向非恒定流设计，几何比尺为80，选择木粉作为模型沙，水流条件选用0.33%洪水、0.33%潮水，起冲高程选用历年实测地形下包络线。

试验结果表明，冲刷初期台州湾大桥桥墩附近河床快速下切形成冲刷坑，随后冲刷力度迅速减小并渐趋稳定，最终呈现出桥墩两侧区域高程较低，尾水区域为纵向条带并有淤积丘的马蹄形冲刷坑。设计潮水条件下的最大冲刷深度大于设计洪水条件下的最大冲刷深度，主墩处的最大冲刷深度为16.4 m，辅助墩处的最大冲刷深度为10.3 m。主墩与辅助墩处的冲刷坑形态相似，两侧冲刷坑影响范围约是桥墩宽度的3～4倍。哑铃型桥墩在洪水作用下，桥墩两侧桩基存在明显的冲淤界限，桥墩上游桩基处冲刷更深，下游桩基处冲刷相对较轻；潮水条件下，往复流造成桥墩两侧的冲淤情况相对均衡。

通过对已建桥梁桥墩处冲刷情况的类比分析和公式估算校核可知，该试验成果相对可靠，可为实际工程设计及运行安全提供技术支撑。

[1]王震，韩正权，康彦彦，等.椒江河口湾海床演变分析[J].水运工程，2014(10):28-33.

[2]郭超.桥墩冲刷与波流力的试验研究[D].北京：清华大学，2011:2.

[3]周卫滨，于雪晖，夏云龙.台州湾跨海大桥通航孔桥结构设计[J].公路交通技术，2014(4):76-77.

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[7]谢鉴衡.河流模拟[M].北京：中国水利水电出版社，1993.

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(责任编辑：杜明侠)

Experimental Research on the Local Scour around the Piers of Taizhouwan Bridge

YUN Peng， CHEN Gang

(Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China)

Taizhouwan Bridge locates at the entrance of Jiaojiang River, the structure of the bridge′s piers and the hydrodynamic conditions of estuarine waters are complex. In order to scientifically predict the area, shape and maximum local scour depth of the scour holes around the piers, the physical model experiment of local scour flumes around the piers was carried under the conditions of design flood and spring tide. By the estimation from the scour formulas and the analysis for the measured data, the results show that the depth and area of scour holes predicted in the experiment are reasonable, which will provide a basis for engineering design and operation security.

Taizhouwan Bridge; bridge′s pier; physical model; local scour; the maximum local scour depth

2016-11-09

浙江省水利科技计划项目(RC1515)。

贠鹏(1987—)，男，山东泰安人，工程师，硕士，从事河口海岸方面的研究。E-mail：yunpenghd@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.014

TV83

A

1002-5634(2017)03-0087-06