跨杭州湾铁路桥河工试验模型桥墩设计关键问题研究

2019-10-14林一楠

浙江水利科技 2019年5期

林一楠，何昆，钱凯

（1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020；2.浙江省海洋规划设计研究院，浙江杭州 310020；3.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州 310020）

1 问题的提出

在河工模型试验中，涉水构筑物需在原型设计基础上经比尺缩放再进行试验研究，工程建设的影响与构筑物阻水作用息息相关。对于大桥、码头工程中支撑荷载平台的圆柱钻孔桩而言，流体绕其流动所引起的压强差和摩擦切应力将造成绕流阻力，绕流阻力与桩群的阻力系数直接相关。根据Catalano P[1]获取的单桩水流阻力系数与雷诺数的关系（见图1）可知，圆柱体所受阻力系数随雷诺数不同而发生变化。在实际河流中桥墩承台钻孔桩雷诺数介于1×105～ 1×106，而在整体河工模型中由于比尺效应，雷诺数为100 ～ 3 000，因此模型与原型的阻力系数相去甚远。

图1 单桩雷诺数和阻力系数关系图

2 桥墩桩群阻力水槽试验

根据河工模型试验经验，模型桩群用直径5 mm的铁丝制作具有较好的耐用性，且制作工序简单，能有效降低模型制作成本，因此本次试验对5 mm铁丝制作的常用模型桩群设计方案（桩群按矩形阵列排布，桩距和桩径比值为2）进行试验研究。试验在长50.0 m，宽1.2 m的循环水槽中进行，水槽两端均装有变频器和水泵，通过调整变频器频率使试验段水深和流速达到试验要求，试验装置布置见图2。据以往研究经验[2-4]，试验装置按如下方式布置:模型桥墩与测力传感器连接后固定于水槽中，模型桩与水槽底部尽量贴近但不接触，测力传感器所得的力即为模型桩群的绕流阻力，试验测力装置实际安装情况见图3。

图2 试验装置布置图

图3 测力装置安装图

由于桩群的阻水效果在涨急和落急流速较大的时刻更为明显，工程区域涨、落急最大流速可达2.0 m/s，涨、落急时刻水深10 m左右，经比尺换算选择水深10 cm，流速为20 cm/s的恒定流作为水槽试验条件，在此条件下测量模型桩群绕流阻力。分别对垂直水流方向桩数m = 2 ～ 5根，沿水流方向桩数3 ～ 8根的矩形排布桩群进行试验，各方案水流阻力成果见表1，绕流阻力随m，n变化趋势见图4。

表1 桩群阻力试验值表

图4 绕流阻力变化趋势图

根据试验数据可知，桩群绕流阻力随m和n的增大而增大，但由于沿水流方向上桩数增加不影响桩群阻水面积，桩柱之间的隐蔽效应使桩群总阻力随n的增加变化不明显，而垂直水流方向的桩数直接影响到桩群阻水面积，因此桩群的总阻力随m的增加变化更明显。

3 桥墩桩基概化实例

以杭州湾铁路桥整体物理模型为例，模型平面比尺1 000，垂直比尺100，主墩原型桩台长70.2 m，宽49.4 m，共布有10排76根桩，钻孔桩桩径d均为2.5 m，横向纵向桩距s均为6.4 m，钻孔桩具体布置见图5。原型航道通航孔附近涨、落急时刻水深约10 m，流速约2.0 m/s，据此可计算。

图5 主墩钻孔桩平面布置图

根据相关试验研究成果[5]由s/d = 2.56查表得桩遮蔽系数k2= -0.05，桩群阻力横向影响系数近似取为k2= 1。根据赵萌[6]等人对高雷诺数下有限长圆柱桩的阻力特性研究可知原型桥墩单桩阻力系数Cdp= 0.45，沿水流方向桩数n =10，垂直水流方向桩数m = 8，桥墩桩群总阻力系数:

计算得原型桩群总绕流阻力:

根据水槽试验成果可知，4根×4根，4根×5根和5根×3根布置的模型桩群阻力与计算值较为接近，由于4根×5根布置的桩群布置形态与原型桩群更为接近，同时采用影响偏大的布置形式对工程来说是偏安全的，因此以4根×5 根共20根5 mm直径的铁丝组成模型码头桩群，可基本达到绕流阻力相似标准，桥墩桩群概化后形式见图6。