河床预开挖对围堰上游桩基局部冲刷影响研究

2021-05-21刘聪聪林红星赵东梁柴元方

人民珠江 2021年5期

刘聪聪，林红星，赵东梁，柴元方

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北武汉 430040；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北武汉 430040；5.水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072)

水下桩基局部冲刷是造成基础及上部结构破坏的重要因素之一，尤其对于桥梁工程，据世界各地研究的桥梁案例中，50%的桥梁倒塌是由基础冲刷造成[1]，因此研究水下基础局部冲刷具有重要意义。

桩基局部冲刷受水流分布、河床泥沙组成、基础结构型式等其相互耦合作用，影响因素众多，且水文、水力变量等具有不确定性[2-4]。诸多学者采用原型观测、数学模型、物理模型试验等方法开展研究[5-6]，表明流速对基础冲刷影响较为明显：如段伦良等[7]通过哑铃型围堰数学模型及王顺意等[8]采用水槽冲刷试验，研究发现基础冲刷受流速影响较大，而受水深影响相对较小；同时流向及水流结构的改变也会影响基础局部冲刷，如陆雪骏等[9]结合实测资料，分析而得水流入射角面向的区域，其最大冲刷深度和冲刷范围均偏大。其次，基础结构型式改变水流结构致使床面泥沙运动规律发生变化，其中不同型式墩柱的冲刷深度差异较大，文献[10]表明圆端型墩柱相对方柱及矩形柱局部冲刷深度较小；而对于不同布置方式的群桩，ZHANG等[11]研究表明桩间距与直径之比为2时冲刷深度最大。此外，床面泥沙粒径及相关参数决定了颗粒的起动条件，进而影响床面冲淤变化[12]，而床面形态变化又将改变水流结构、床沙级配组成。因此，水流、泥沙与水下基础相互作用机理复杂，尤其对于床面结构与水下基础等多重因素影响下局部冲刷规律还需重点分析。

本文针对围堰及上游钢管桩2种水下基础同时存在的环境，构建并验证三维数学模型，考虑河床有无挖槽的情景下，上游钢管桩、围堰及河床变化三者的相互作用，分析河床预开挖对围堰及上游桩基局部冲刷影响规律。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

为分析河床预开挖对围堰上游桩基局部冲刷影响，以某大桥深水基础为研究对象，大桥3号墩基础采用钢围堰施工，其平面为55 m×24 m的矩形(图1)，上游距离14 m处布设3排钢管桩(P1—P9)搭建临时结构，桩直径为1.0 m，钢管桩横向间距L1=L2=4 m，垂直间距L3、L4分别为14、25 m。围堰着床前拟对河床进行预开挖，坡底距离钢围堰边缘5 m，边坡比为1∶2，床面标高为-13 m，开挖深度6 m。依据实测资料，河床表层0～8 m由粉细砂组成，泥沙中值粒径为0.18 mm。

图1 钢围堰及桩基布置

1.2 三维泥沙输移模型

1.2.1模型原理

三维泥沙输运模型可模拟局部泥沙悬浮、推移、沉降等过程，包含水流运动模型及泥沙输移模型，水流运动模型的基本控制方程采用不可压缩流体的连续方程、动量方程，并在其方程中引入面积分数及体积分数[13]，基本方程为[14]：

(1)

(2)

式中ρ——密度；P——压强；ui——局部时均流速分量；u——速度分量；μ——动力黏滞系数；Fi——体积力。

泥沙输移模型基于Mastbergen和Van den Berg理论，其中临界Shields系数求解如下：

(3)

(4)

式中di——泥沙颗粒粒径；ρf——流体密度；ρi——泥沙密度；μf——动力黏滞系数。

考虑计算精度及适用性，紊流模型选用改进的RNGk-ε方程求解[15]，离散格式对流项采用迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式[7]。

1.2.2模型验证

由于5号主墩与3号墩附近的河床表层地质较为相似，且主墩基础已进行局部冲刷物理模型试验，因此依据物理模型试验结果进行数学模型验证。大桥5号主墩基础为圆端形沉井，平面尺寸95.4 m×58.2 m。流速设为1.0 m/s，床沙中值粒径取0.18 mm，分别考虑沉井距离床面4、6 m 2种工况，计算2.5 h内沉井悬浮过程中河床冲刷情况。

物理模型试验按水流运动相似和泥沙起动相似条件，采用经过防腐处理的木屑作为模型沙，泥沙粒径比尺1.67。三维数学模型计算域入口边界为指定垂向平均流速，出口为自由出流，左右侧均设置为对称边界，底部设置为墙边界，计算域顶部设置为指定压力边界(空气)。网格划分采用FAVOR方法，主墩基础附近局部加密，网格总数约350万。泥沙休止角32°，密度2 650 kg/m3，临界Shields数0.048，拖曳力系数0.032。

由图2a、2c可知(沉井投影至平面)，沉井迎水面流速较小，前端侧面流速达到最大，两侧流速增加，尾流流速减小，且存在漩涡。距离床面4、6 m的工况下，两侧流速最大为1.50、1.42 m/s，对应物理模型最大流速1.45、1.36 m/s，同时两模型迎水面前端水位壅高均为6 cm以内，表明水流运动规律数值模拟结果与物理模型试验结果基本一致[16]。冲刷形态计算结果见图2b、2d，沉井冲淤形态与流速分布一致，迎水面至沉井中部区域产生冲刷，迎水面两端冲刷最大，距离床面4.0、6.0 m工况下，数值模拟与物理模型试验的最大冲刷深度相差10%以内(表1)，两者结果较为吻合。

a)悬浮4 m时平面流场分布

表1 数学模型与物理模型结果对比

2 围堰上游至桩基区域流场及冲刷特征

2.1 计算工况

基于三维泥沙输移模型，分别模拟3号墩有无挖槽条件下围堰及上游桩基的水流泥沙运动规律。图3为模型概化，计算域长、宽分别为400 m×170 m，水深16 m。床沙中值粒径取0.18 mm，垂向平均流速设为1.2 m/s。网格划分采用矩形网格，针对围堰、挖槽、桩基局部区域加密，网格总数250万，模拟时长3 h。

图3 模型概化

2.2 围堰及上游桩基流场特征

2.2.1流场平面分布特征

由计算结果可知，2种工况下流场平面分布总体规律类似，上游水流受围堰阻水影响，围堰迎水面流速减小，水流斜向两侧；绕流经过围堰两侧的直角端，流速达到最大；围堰尾流形成漩涡，流速较小。对于围堰上游桩基，受圆柱绕流影响，前排桩基(P3、P6、P9)上游流速减小，两侧75～80°处流速最大，随后形成尾流漩涡，中间及后排桩流速较小，见图4。

a)无开挖

2种工况下流场平面分布的差异主要在于围堰四周，在河床预开挖条件下，围堰四周过流断面相对增大，流速较小。此外，围堰前端形成的下降水流及反向回流同时影响上游桩基处的流速，在预开挖条件下前排桩局部流速相对减小3.21%～6.25%，后排桩(P1、P4、P7)局部流速相对减小21.43%～33.33%。

2.2.2流场垂向分布特征

为探究围堰上游桩基局部冲刷影响，流场垂向分布主要分析围堰前端部分，见图5。2种工况下，沿水深方向，均呈现表层流速最大，底层流速较小。沿水流方向，受围堰阻水影响，流速由进口至围堰逐渐减小，围堰前端处形成下降水流及漩涡。

a)无开挖

而对比2种工况，在预开挖条件下，围堰四周过流断面增大，前端流速相对较小，靠近底部流速约为0.51 m/s。且由于挖槽已形成1∶2边坡比，有利于下降水流流至底部时流向改变，在前端与上游来流形成漩涡，从而致使流速减缓区域的范围较大。而无开挖条件下，靠近围堰底部流速约为0.80 m/s。围堰前端下降水流至底部时，直接垂直作用于河床，对河床形成一定冲刷后与上游来流形成局部漩涡。因此河床预开挖后围堰前端流速减小，影响范围较大，对河床泥沙颗粒作用较小。

2.3 预开挖影响下局部冲刷规律

2.3.1河床冲刷形态

受流场分布影响，围堰及桩基区域河床产生冲淤。无开挖条件下，围堰迎水面两直角处形成马蹄形冲刷坑，局部冲刷深度达到最大，同时向外扩散，尾部流速较小，产生少量淤积。河床预开挖后，挖槽内流速较小，且下降水流与上游来流形成漩涡，因此挖槽内存在少量淤积。而在挖槽斜坡均发生冲刷，靠近围堰迎水面两直角端的斜坡区域冲刷最大，同时斜向外扩散。

2.3.2桩基局部最大冲刷深度

针对上游桩基局部冲刷情况，表2展示了2种工况下各钢管桩的局部最大冲刷深度。由此可知，2种工况下，前排桩流速较大，且受围堰前端壅水影响最小，因而局部冲刷深度也最大；河床预开挖条件下，围堰上游流速相对减缓，前排桩局部冲刷深度减小16.67%～21.65%；对于前排3根钢管桩，由于围堰附近流速增大区以两直角端向外扩散，靠近中心线处的水流受围堰阻水影响流速减小，则中间钢管桩(P6)相对上下两侧(P3、P9)的冲刷最小。