平行钢丝索股与主鞍座抗滑移试验研究与分析——以温州瓯江北口大桥为例

张田湉 潘 济

温州瓯江口大桥有限公司 浙江 温州 325000

1.工程概况

温州瓯江北口大桥是甬台温高速公路复线和温州市南金公路跨越瓯江的控制性工程，跨江主桥为国内首座三塔四跨双层钢桁梁悬索桥，主缆横向间距为41.8m，主缆跨度（230+800+800+358）m，矢高80m，矢跨比1/10.0。其布置见图1。

该项目位于浙江省温州市瓯江出海口，其中塔采用圆角矩形钢沉井基础，标准断面纵向长度55m，横向宽度66m，高度68m，下部59m为填充混凝土钢壳结构，上部9m为钢筋混凝土结构。共设置25个11.36m×9.16m井孔。中塔钢沉井基础主要尺寸如图2所示。

图1 温州瓯江北口大桥跨江主桥布置图

图2 中塔沉井结构示意图

2.自然条件概况

瓯江口海况复杂，水域宽广，瓯江河口附近海区潮汐属于正规半日潮，是我国显著的强潮海区之一。其地质组成自上而下依次为淤泥、淤泥质粘土、粉砂、粉质粘土、卵石、粉砂、卵石、强风化熔结凝灰岩、中风化熔结凝灰岩。根据温州瓯江口水文测验报告，桥位悬沙中值粒径约0.006mm。另外，由地质资料可知，工程区域河床上部全为冲海积淤泥质粉质黏土、海积淤泥，厚度可达30～40m，性质差，底质粒径颗分表明瓯江北汊河床可冲刷层物质中值粒径约为0.008mm。

3.试验概况

3.1 水槽模型设计

水槽模型主要模拟桥墩局部冲刷坑深度及形态，模型须按正态设计，即平面比尺和垂直比尺一致。试验在长40m，宽4.0m水槽中进行。模型布置见图3。

图3 水槽布置图

3.2 模型选沙

水槽模型动床试验主要任务是研究桥墩局部冲刷坑深度及大致形态，因此模型选沙主要考虑模型沙的起动相似和水下休止角的相似，适当兼顾沉降相似。根据2008年11月工程区域附近的泥沙、水文测验，分析实测含沙量过程线，含沙量突然增大的拐点处相应的垂线平均流速可以视为泥沙起动流速，综合比较选定原型泥沙起动流速为1.0～1.8m/s。

模型按正态、双向非恒定流设计，几何比尺为100，模型水流满足惯性力重力比相似和水流连续相似条件。根据起动流速与水下休止角的相似准则，选取经防腐处理的木粉作为模型沙，其中值粒径=0.05mm，充分浸泡沥干后比重为1.17t/m3，模型沙起动流速在10～ 16cm/s（水深10cm～25cm），按模型相似率模型沙起动流速需在10～18cm/s左右，因此模型沙起动流速基本满足相似要求。

3.3 试验条件选取

根据上述桥位断面水流及地形及变化情况，各墩起冲高程及冲刷试验水流条件见表1。试验时模型上、下游边界采用水位控制。洪水试验分别采用恒定流和洪水过程两种工况，恒定流取设计流速及其出现时对应的水深；调试时调整上、下游水位，使试验断面水深和流速与所需模型值一致即可，洪水作用下的水位流速过程见图4。潮水试验采用非恒定流，设计潮型由数学模型提供，桥址处设计潮型及对应的流速过程同见图4。

表1 冲刷试验条件选取

图4 温州瓯江北口大桥桥址处设计潮型

4.试验结果

4.1 沉井附近流速及流态变化情况

沉井入水后，流向沉井的水流受到墩身的阻挡，沉井四周水流结构发生急剧变化，于沉井前产生侧向收缩的绕流和下潜流，沉井后形成强烈旋涡。急剧改变的水流，强烈淘刷沉井附近床面和周围的泥沙,随之形成局部冲刷坑。为研究分析洪水动力条件下，沉井基础入水后附近流态变化情况，在定床模型上布设了14条断面，其中上游4条，下游及桥墩中心线共10条。布设断面见图5，模型施放的行近流速为3.0m/s。试验结果表明：

图5 沉井周边流态变化断面监测布设图

（1）沿水流行近方向上，受沉井墩身阻碍，水流行近至墩前约200m时，桥墩上游水面开始壅高，流速开始减小,到达沉井前缘时水面壅高达到最高，与此同时沉井迎水面上流速也降至最低；墩后流态较为复杂，首先肉眼即可观测到水面很不稳定，伴有强烈的涡旋，涡旋的横向范围略大于沉井宽度，其次从流速上来看，由近及远，流速逐渐增大，当远离沉井墩身至800～1000m时，流速逐渐恢复正常，同时观测到的涡旋也渐渐消失。

（2）垂直水流方向上，水流在经过沉井墩身时，两侧水流开始收缩集中加强，水面有所下降，另外，沉井入水使过水断面有所缩窄导致流速亦有所加强，试验测得，在沉井左、右两侧迎水面近区角上，流速急剧增大，沉井两侧流速增大20%的范围即可达沉井自身宽度的1.6～2.0倍，流速增幅最大的区域位于沉井迎水端两侧角，此处也将是沉井局部冲刷最大的区域。

（3）综合来看，行近水流在沉井迎水面前缘处的竖直对称轴上流速减小为零，转化为驻点压力，随着流速垂线向下逐渐减小，从而形成了向下的压力梯度，迫使水流向下运动，形成顺时针旋涡。顺时针漩涡与河床底部的纵向水流汇合后，形成围绕沉井的马蹄形旋涡。此外，水流在桥墩两侧发生分离并不断随机产生旋涡，与马蹄形旋涡相互作用，随即漩涡运行至桥墩尾部。水流变化最剧烈的地方位于沉井迎水面左右两侧角上，沉井周边流态变化见图6。

图6 沉井周边流态变化示意图（行近流速3.0m/s）

（4）运用ADV流速仪进一步分析沉井迎水面左右两侧角的紊流特性，主要包括纵向、横向和垂向上三个方向流速分量（y、x和z）的紊流特性，测点的瞬时流速变化见图6-6。由图可见，沉井迎水面两侧角附近水体紊动强烈，分布极不均匀，三个方向的紊动强度自表层向下均呈现出增大的趋势，最大值出现在近底区，这一紊动分布特征也是沉井产生局部冲刷的主要原因之一。

湍流紊动中定义的脉动流速为，其中为瞬时流速，为某时段内流速的时均值，紊动强度的定义为脉动流速的均方根：

水平面上的相对紊动强度数值平均值介于0.56～0.81，平均值0.68，垂向紊动强度数值介于0.17～0.23，平均值0.21，因此，湍流紊动在水平面上的大小量级相当，而垂向上的紊动强度约为水平紊动强度的1/3，表明该区域紊动具有一定的各向异性。试验测得纵向、横向、垂向紊动强度最大可分别达到3.34m/s，2.07m/s，0.7m/s。

4.2 沉井冲刷情况

0.33 %洪水恒定流条件下，沉井局部冲刷坑最大冲刷深度为39.5m，出现在沉井墩身上游两侧角附近。洪水冲刷作用下，沉井墩身两侧的冲刷槽向下游延伸，墩身迎水端上游及两侧区域明显较周边深，其中从上游至下游，墩身两侧冲刷坑逐渐抬升，沉井下游侧则出现带状淤积丘，沉井两侧冲刷坑横向影响范围约是沉井宽度的3～4倍，纵向冲刷坑影响范围稍长，约是桥墩长度的4～6倍。

0.33 %洪水过程条件下，受涨潮流顶托作用，洪水大流速持续时间变短，但水流依然呈单向流状态，试验测得沉井局部冲刷坑最大冲刷深度为33.7m，冲刷深度相比恒定流稍小，约为后者的0.85倍，冲刷最深点位置与恒定流条件下的结果一致，依旧出现在沉井墩身上游两侧角附近；冲刷坑形态方面，与恒定流条件下的大致相当。

0.33 %潮流冲刷后，由于落潮流流速大于涨潮流流速，落潮流明显占优，沉井局部冲刷坑最大冲刷深度为30.9m，最深点依然出现在沉井墩身上游两侧角附近。

5.结论与建议

桥墩冲刷水槽模型试验研究得到的是建桥引起的桥位附近河床一般冲刷及局部冲刷。综合考虑各冲刷深度影响因素，最终确定0.33%洪水作用下瓯江北口大桥中塔基础局部冲刷深度为33.7m，对应最低冲刷高程中塔为-49.7m。

（1）鉴于桥墩局部冲刷深度合理科学的确定是大桥安全运行的基础，因此，设计单位应结合专题研究成果并充分考虑各方面因素综合确定冲刷深度。

（2）桥墩施工完毕撤场时应清除辅助施工设施，使桥墩处于设计状态，以免施工辅助设施引起或与桥墩联合引起不必要的冲刷。

（3）鉴于长江口入海泥沙减少、周边围垦及其它大规模人类活动等仍在持续，而且其影响往往滞后于工程建设，必将导致工程海域床面的进一步冲淤变化，建议密切关注附近的涉水工程建设项目，并及时监测海域的滩槽稳定性，综合评估桥墩局部冲刷的安全状况。

（4）瓯江北口大桥位于强潮河口水域，潮汐动力强劲，施工期沉井下沉过程造成的河床冲刷亦值得重点关注，此外运行期各桥墩基础冲刷幅度较大，建议考虑在桥墩的周边床面采取必要的防冲、减冲措施。