涌潮水流引发的桥墩局部冲刷试验

黄君宝，肖厅厅，孙志林，张芝永，曾 剑

(1.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021；2.浙江省水利河口研究院浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020；3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；4.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058)

桥墩局部冲刷一直是国内外学者关注的热点问题，目前已有众多学者从桥墩形式[1-2]、床沙特性[3-4]、桥墩布置形式[5-6]等角度开展了大量的研究工作，但他们的试验条件大多是恒定流条件。涌潮是一种水位、流速急剧变化的涨潮潮波前锋线，其基本形态如图1所示(图中h0和v0为天然河道中涌潮生成时上游河道内的水深和径流流速；H为涌潮高度；va为传播速度)。当外海潮波传播至河口时，下游河口水位h1和流速v1突然暴涨后在河道内产生涌潮并向上游传播。涌潮在传播过程中，涌潮水流内部紊动特性强烈，尤其是涌潮以后的水体其水位和流速依旧较大，即俗称的快水阶段，这和常见的恒定流或波浪等的水力特性明显不同，其对桥墩等建筑物局部水动力结构以及泥沙输运等产生的影响机理等也不能完全用恒定流下得出的规律进行解释。

图1 涌潮水流基本形态Fig.1 Basic layout of tidal bore

涌潮存在3种典型形态[7]：(a)强度较小时，涌潮由一系列平行向前推进的波构成波列，通常称为波状涌潮；(b)强度较大时，自由表面破碎严重，形成大量的旋滚，通常称为强旋滚涌潮；(c)涌潮形态介于两者之间，即涌潮潮头轻微破碎但是潮头后续又呈现出波列向前推进时，通常称为弱旋滚涌潮。涌潮水流的水力特性已有大量学者[8-10]开展了研究，但对于涌潮水流引发的局部冲刷问题的研究成果还很少。Nikeghbali等[11]对涌潮水流在动床上的传播特性进行数值模拟发现，涌潮潮头内部旋滚对泥沙悬浮过程有明显影响。还有部分学者对与涌潮潮头类似的海啸波引发的局部冲刷问题进行了探索[12-13]，但是这类海啸波多采用溃坝水流的方式或利用多个N波进行叠加，缺少涌潮水流的快水作用阶段。因此本文利用能较好复演真实涌潮水流条件的涌潮水槽开展物理模型试验，对涌潮水流引发桥墩局部冲刷的机理以及冲刷坑形态进行分析，再利用试验结果拟合涌潮水流作用下桥墩局部冲刷深度计算公式，以期为实际工程提供参考。

1 试验布置与方案设计

1.1 试验布置

试验在浙江省水利河口研究院六堡实验基地多功能涌潮水槽中进行，水槽长50 m，宽1.2 m，高0.6 m。目前该水槽对涌潮模拟保持高精度复演的能力在国内处于领先水平，其准确性已经得到验证[14]。为了避免进出口边界水流波动对试验过程的影响，将泥沙层铺设在水槽中部，厚度为0.09 m，选用的无黏性泥沙颗粒中值粒径d50为0.32 mm，密度ρs为2 600 kg/m3，试验桥墩采用有机玻璃材料制成。利用珠江水利科学研究院研发的Bore2010涌潮测控系统调节水槽两端水泵运行频率进而产生涌潮水流，在距离桥墩前后各1m处分别架设单线钽丝电容式波高仪并配套使用DJ800型多功能采集仪，试验布置和试验所有桥墩形式如图2所示。

图2 物理试验模型布置Fig.2 Model layout of physical test

试验过程中，首先往水池中加水至试验所需深度，在此过程尽可能保持水槽中水流流速小于泥沙启动流速，并在加水结束后对动床区域重新进行平整处理。然后再根据试验所需条件通过测控设备改变水池两端运行频率，在水槽中产生从下游往上游传播的涌潮水流。根据模型比尺及钱塘江涌潮实测资料，拟定试验中当涌潮水流传播经过桥墩6 s后将上游水槽末端闸板自动放平，以此来模拟涌潮水流的快水阶段，从而使涌潮水流到达水槽末端时能直接落入回水池中，以免在水槽中出现潮头反射现象，对试验结果产生影响。

1.2 试验方案设计

涌潮水流作用下无黏性沙面上单桥墩局部冲刷深度hs主要取决于桥墩的几何特征参数、涌潮水流特征参数、床沙特征参数等，因此可以得出：

f(D,H,h0,u,ρ,μ,g,d50,σg,ρs,vc,hs)=0

(1)

式中：D——桥墩阻水宽度；ρ——水流密度；μ——水的动力黏滞系数；g——重力加速度；σg——标准差；vc——床面泥沙起动流速。

如果不考虑泥沙层的影响，假定床面泥沙均匀，则可忽略式中d50、σg、ρs、vc的影响，式(1)可简化为

f(D,H,h0,u,ρ,μ,g,hs)=0

(2)

选取D、u、μ为基本变量，利用Buckingham-π定理可得：

(3)

式中：ρuD/μ——雷诺数项，由于桥墩局部冲刷过程为紊流过程，因此可忽略该项的影响。gD/u2项可用弗劳德数Fr表示，于是式(3)可简化为

(4)

从而涌潮水流作用下桥墩局部冲刷深度可以表示为无量纲形式：

(5)

在本次试验结果中随机选取50组数据对式(5)进行参数率定，最终得到的表达式为

(6)

从式(6)可以发现涌潮作用下桥墩局部冲刷深度取决于涌潮参数的组合，因此本次试验主要控制h0和H，根据黄静等[15]对钱塘江地区涌潮特性的分析，结合水槽模拟能力确定具体试验方案为h0=0.03～0.08 m，H=0.04～0.10 m。

2 结果分析

2.1 涌潮作用下桥墩局部冲刷机理

研究表明，床面泥沙起动可以用临界希尔兹数θcr来确定。当床面希尔兹数θ>θcr时泥沙起动。而θ与床面切应力成正比，因此可以尝试对涌潮水流作用下床面切应力变化情况进行分析，从而对涌潮水流作用下桥墩局部的冲刷过程进行探索。由于试验过程中对床面切应力的测量存在一定困难，所以首先借助于数值模拟对涌潮水流作用下、定床条件下桥墩局部切应力分布进行分析，采用的数值模拟方法与张芝永等[4]一致，其准确性已得到验证。为了更好地描述涌潮水流作用下桥墩局部切应力的变化，引入切应力放大系数α：

α=τ/τ0

式中：τ——桥墩局部床面切应力；τ0——无桥墩时的床面切应力。

图3为h0=0.05 m、H=0.04 m涌潮条件下桥墩局部床面切应力放大系数变化示意图，涌潮方向与x正向一致。涌潮潮头刚到桥墩附近时，桥墩两侧床面切应力最大，迎水面切应力放大，随后最大切应力区在潮头绕流过程中逐渐向两侧外移；涌潮潮头水流绕流过程中最大切应力区由桥墩两侧逐渐转移到桥墩背水面侧后方；潮头传播经过桥墩一段时间后，在紧随而来的快水作用下，桥墩局部床面切应力放大系数明显不如潮头水流作用阶段大，随着作用时间的增加，切应力放大系数逐渐衰减。从图3可以发现，涌潮水流作用于桥墩局部过程中，桥墩两侧切应力放大系数明显较大。

图3 桥墩局部床面切应力放大系数变化Fig.3 Amplification factor change of shear stress in local bed of bridge pier

对于涌潮水流引发桥墩局部冲淤而言，潮头水流蕴含较大流速且内部水质点紊动强烈。当潮头水流传播至桥墩附近时，首先在桥墩两侧床面产生较大的切应力，此时冲刷坑开始逐渐发展。但要说明的是由于潮头水流传播速度较快，对冲刷过程产生的作用时间较短，涌潮水流作用下桥墩局部冲刷过程主要发生在快水水流阶段。涌潮水流在遇到桥墩阻碍时，表层水体受桥墩阻水作用及下层水流的顶托作用，会在桥墩迎水面出现局部垂向滞流，滞流向上运动，在表面形成漩涡的上升流和沿桥墩表面向下运动冲击床面的下潜流，两股水流的分离点称为驻点。上升流沿桥墩表面向上抬升，抬升过程中在表层水体处形成与来流方向相反的旋滚涌波，抬高到一定高度后由于重力作用又沿桥墩表面向下运动，这就是俗称的弓形波。下潜流向下冲刷床面的过程中，由于桥墩局部水体在不同流层之间存在速度差，在液体本身黏滞性和速度差的作用下，在墩前底部产生一种向下翻滚的马蹄涡结构，冲刷过程中冲刷坑内涡结构在绕流水流作用下形成横轴环状漩涡带，在涡结构作用下局部冲刷进一步发展，水面水体紊动过程中夹杂大量泥沙运动，形成明显的混浊带。

快水水流阶段流速波动明显并逐渐衰减，水流在与桥墩相互作用的过程中，桥墩前方驻点不停上下波动，导致弓形波上下翻滚(图4)，在此过程中形成大量涡结构加剧了局部水流紊动。在涡结构内部存在较大的压力梯度，在压力梯度作用下一方面水流牵动马蹄涡等横向或前后摆动，另一方面对床面泥沙产生抽吸作用，导致桥墩局部冲刷坑迅速发展。从墩前冲刷坑内卷起的悬浮泥沙裹挟于涌潮水流中向桥墩背水侧运动，绕流后的水流在背水面相汇碰撞后挟沙能力下降，导致泥沙颗粒沉积形成明显的淤积带。但是水流相汇后在正常水流的裹挟下又会继续向前紊动扩散，并在桥墩背水面出现立轴状尾涡，这部分尾涡对淤积带泥沙起一定的抽吸作用，因此在淤积带中部出现明显的输沙通道。随着涌潮水流过程的进行，快水阶段水流流速逐渐衰减，水流挟沙能力下降，导致从墩前冲刷坑内被卷起的泥沙随水流的运动逐渐开始沉积，从而在冲刷坑中可以发现从迎水面到背水面出现一定的冲刷淤积坡度。

图4 涌潮过程中水面波动Fig.4 Water surface fluctuation during tidal bore process

2.2 涌潮作用下桥墩局部冲淤影响因素

2.2.1 涌潮参数h0和H

试验过程中h0和H为研究变量。对不同试验值条件下桥墩局部冲淤特征的演变情况进行分析，定义hs/D为无量纲冲刷深度，R/D为无量纲冲刷坑半径，h0/D为无量纲潮前水深，H/D为无量纲涌潮高度。单因素影响下得到的桥墩局部hs/D和R/D变化情况如图5所示。

图5 涌潮参数对桥墩局部冲刷的影响Fig.5 Influence analysis of tidal parameters on local scour of piers

从图5可以看出，在其余条件保持不变时，涌潮作用下桥墩局部冲刷深度和冲刷坑半径随h0的增大而减小，随H的增大而增大。局部冲刷现象产生的主要原因在于泥沙颗粒在水流作用下受力不平衡，泥沙颗粒开始起动并被裹挟于水流中离开原地向前运动形成冲刷。涌潮水流传播过程中水体内部流速不停发生变化，H一定时h0越小或h0一定时H越大产生的涌潮水流在传播过程中对涌潮水流内部的扰动越大，即水流内部流速紊动越强，从水力学理论出发可知水流对泥沙颗粒产生的切应力随水流流速的增大而增大。

2.2.2 阻水宽度D

选择4种直径不同的圆形截面桥墩作为研究对象，4种桥墩C1、C2、C3、C4的直径分别为32 mm、45 mm、55 mm和75 mm。图6分别为涌潮水流条件相同时4种桥墩局部冲刷深度变化示意图，可以发现当桥墩截面形式一致时，桥墩阻水宽度越大其冲刷深度越大。出现这种现象的原因是当桥墩阻水宽度越大时，涌潮水流在桥墩迎流面下切强度越大，对沙床的冲击作用更强，同时在冲刷过程中由于下切水流强烈紊动并作用于涡结构，在冲刷坑内引发更大的床面切应力，造成泥沙大量起动悬浮，因此形成的冲刷程度也就越大。

图6 阻水宽度对桥墩局部冲刷的影响Fig.6 Influence analysis of water blocking width on local scour of piers

3 涌潮引发桥墩局部冲刷深度计算公式

将式(6)的计算值与剩余随机18组工况下的试验值进行计算和对比，结果如图7所示。由图7可以发现计算值和试验值拟合良好，最大误差不超过12%。从公式形式上可以发现，涌潮水流引发的桥墩局部冲刷深度与桥墩宽度、涌潮强度H/h0、Fr成正比，桥墩宽度对冲刷深度的影响已有大量学者进行了论证，涌潮强度和Fr越大说明涌潮水流具备的流速和紊动特性也较强，在桥墩局部引发的涡结构以及床面切应力越大，从而导致冲刷程度也越大，这也和分析得到的结论相吻合，因此可认为本文建立的公式在试验设置的模型比尺下具有良好的适用性。

图7 hs/D计算值和试验值对比Fig.7 Comparison of calculated and experimental values of hs/D

4 结 论

a.通过在涌潮水槽中进行动床冲刷试验，发现涌潮水流在引发桥墩局部冲刷过程中，潮头水流作用阶段桥墩局部切应力比快水阶段强，桥墩两侧切应力放大系数比桥墩后方大。桥墩迎水面冲刷坑发展主要由马蹄涡结构引发，桥墩两侧冲刷坑发展是由较大流速引发床面切应力增加和涡系结构共同作用造成的，涌潮水流作用下桥墩局部冲刷过程主要发生在快水阶段.

b.涌潮水流作用下桥墩局部冲刷深度随潮前水深h0的增大而减小，随涌潮高度H和桥墩阻水宽度D的增大而增大。

c.对试验数据进行量纲分析和多元回归得到的计算公式具有较好的预测精度，可为相关工程应用提供参考。