河口地区大型沉井基础的桥墩局部冲刷研究

文/李亮亮、马碧波、叶雨清、王晓阳

1 试验方法和内容

1.1 工程概况

瓯江北口大桥中塔采用沉井基础，沉井标准断面纵向长度55m，横向宽度66m，沉井顶标高5.5m，沉井基础主要尺寸如下图1 所示[1]。

图1 中塔矩形沉井方案结构图

1.2 试验水文条件

根据设计要求，分别选取300年一遇潮水、取300年一遇洪水进行桥墩最大局部冲刷试验，瓯江北口潮与径流组合计算桥址处的设计潮流速，具体见表1、图2。

表1 桥址处监测点特征流速(单位：m/s)

图2 瓯江北口桥址处设计潮型

2 试验结果

2.1 沉井入床后局部流态的变化

为了深入分析洪水的作用给沉井基础带来的影响，了解流态变化状况，需要在定床模型中设置14 条断面，上游4 条，其他部位设置10 条，布设断面见图3[2]。

图3 沉井周边流态变化断面监测布设图

2.1.1 沿着水流向上行进运行，因为沉井墩身产生阻挡影响，水流接近墩前200m 左右的位置上，在上游水面就开始出现抬升的情况，流动速度也会快速下降，在到达沉井前部位置上水面会推升到最高的位置上，同时沉井迎水面的流速也会下降到最低。在墩后的流态分析中，沉井流速有着比较高的复杂性，首先是肉眼观察到水面是不稳定运行的，同时还存在涡旋，涡旋横向尺寸稍微大于沉井宽度尺寸；分析流速后发现，从近到远逐步增大，在远离沉井墩约800～1000m 时，流速基本上可以达到正常的状态，且没有涡旋存在，具体流速变化可见图4。

图4 沉井纵向流速变化（顺水流方向）

2.1.2 垂直水流方向的变化也非常明显，在经过沉井墩身位置时，两侧水流就会出现明显收缩加强的情况，水面也会有所降低，且沉井入水导致断面发生变化，且流速会逐步增强。经过试验分析发现，在沉井左右两侧水面上，流速增加非常明显，在流速最大的位置上会形成严重冲刷力，横向流速变化可见图5。

图5 沉井横向流速变化（垂直水流方向）

2.1.3 综合分析，在近水流的沉井迎水面上竖向对称轴流速为零，是驱点压力，并且压力沿着垂线逐步减小，压力会以梯度的方式发生变化，导致水流逐步向下运动，形成漩涡状。此时，形成的顺时针漩涡与河床底部水流汇集后，就会形成马蹄形漩涡。水流经过桥墩两侧会发生分离的反应也会出现漩涡，并且和马蹄性漩涡同时作用，将漩涡运行到桥墩尾部，沉井迎水面两侧会出现较大的睡眠变化，具体变化可见图6。

图6 沉井周边流态变化示意图

2.1.4 通过使用ADV 流速仪需要分析确定沉井迎水面两侧水流变化的状况，可以从纵向、横向、垂向进行分析，具体流速动态变化如图7。从图分析发现，沉井迎水面两侧水流变化严重，分布是不均匀的，且三个方向还会出现从表面向下变化剧烈的情况，最大速度处于底部，这就是导致局部冲刷严重的主要原因，极大程度影响了沉井运行的质量。

图7 沉井迎水端两侧角附近测点瞬时流速图（y 向为水流行近方向）

2.2 沉井局部冲刷深度的预测

沉井基础结构形式在运行中，水流会因为沉井墩的阻碍影响，导致周边区域内水流速度产生明显变化，桥墩位置上下游流动速度较小，而两侧会因为沉井墩阻碍而产生流速变大的情况，另外河床也会因为两侧冲刷严重而损坏，呈现出上下游高、两侧低的状态。由于墩身的阻水作用存在，没有受到阻力作用的部分直接转入河底，会形成潜水流，下潜流在床面出现漩涡的情况，可见图8。因为严重冲刷作用导致床面与泥沙被直接冲刷，存在局部冲刷坑的情况，且随着冲刷深度的增大，底部流速会下降明显，水流挟沙能力也会降低，所以在底部泥沙和水流冲刷泥沙基本达到平衡的要求，最终冲刷停止，造成冲刷深度增大。

图8 沉井基础冲刷试验(试验过程)

0.33%洪水恒流的作用下，局部冲刷深度可以达到39.5m。该深度位于沉井墩两侧位置上，经过洪水冲刷影响，沉井墩两侧会向下游延伸作用，墩身迎水端上游和两侧有较大的深度，并且从上游延伸到下游，此时两侧出现抬升的提升，且下部会有明显的泥沙淤积，形成淤积丘的结构形式。沉井两侧冲刷抗声响范围基本上可以达到沉井宽度的3～4 倍，纵向抗冲刷的影响范围会比较大，基本上可以达到桥墩长度的4～6 倍，0.33%洪水冲刷坑形态见图9。

图9（a） 洪水冲刷后三桥合建中塔周边冲刷坑形态

图9（b） 洪水冲刷后中塔冲刷坑试验照片

0.33%洪水持续的影响作用下，因为涨潮流顶托持续影响，洪水最大流速的持续时间比较少，但是还是以单项流的形式存在，试验之后确定局部位置上的最大冲刷深度可以达到33.7m，深度小于恒流作用，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，冲刷深度约为洪水恒定流的0.78 倍。

3 试验结果可靠性分析

长江泰州大桥中塔采用沉井作为基础，苏通长江公路大桥在初步设计阶段提出了钢沉井桥墩设计方案，两座大桥均运用了物理模型试验的研究手段，并预测了大桥施工期和设计条件下的桥墩局部冲刷，如表2。现将两座大桥的桥墩局部冲刷试验情况与瓯江北口大桥进行对比分析。

表2 相关工程的沉井基础局部冲刷情况

对比分析各桥沉井基础冲刷实测资料与试验数据：

试验对比：苏通大桥南主墩设计流速3.29m/s，瓯江北口大桥中塔3.3m/s，两者一致；河床组成方面，苏通大桥位置河床底质为细沙，相对容易冲刷；阻水宽度方面，瓯江北口大桥中塔较宽，易造成较大冲刷深度；苏通大桥南主墩冲刷32.1m，瓯江北口大桥中塔冲刷深度33.7～39.5m。

实测数据：泰州大桥河床底质为细沙，相对容易冲刷；阻水宽度方面，较瓯江北口大桥中塔稍小；2008年夏季施工期，流速1.2～1.7m/s，实测最大局部冲刷13.9m，考虑到当时沉井还在施工过程中，河床冲刷还远未达到平衡状态，2009年11月，经过1年多时间，最大冲刷深度加大到17.4m；瓯江北口大桥中塔基础，潮水试验流速2.9m/s，最大冲刷深度为30.9m。

4 结语

本文通过沉井局部冲刷研究，得到以下结论：

沉井入床后，对于周边局部流态产生影响；在水流近方向上，因为沉井墩的影响，水流速度在距离桥墩前部200m 左右位置上，桥墩上游水平开始抬升，流速减小，在沉井墩距离在800～1000m 时，流速基本达到正常状态；垂直水流方向上，当水流量达到沉井墩身位置时，就会使得水流集中，导致流速增加的情况出现，此时沉井两侧的流动隧道会扩大在1.6～2 倍，导致整体冲刷能力增加。

沉井基础的局部冲刷，河床冲淤变化表现为墩身两侧区域冲刷后高程较低，上、下游区域高程略高的形态。洪水恒定流条件下，局部冲刷深度最大，洪水过程及潮流形成的局部冲刷深度约为前者的0.85～0.78 倍，沉井迎水面两侧角附近冲刷尤为剧烈。