复合墩台局部冲刷试验研究

李 舜，孙 丽 荣，渠 庚，丁 兵，黄 卫 东

(1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200331； 2.长江科学院 河流研究所，湖北 武汉 430010)

0 引 言

涉水墩台的存在改变了局部流场，常常导致局部冲刷坑的形成，从而导致跨河工程的损坏。统计表明[1-2]，美国1 000多座桥梁的水毁损坏原因60%可归因于冲刷，新西兰平均每年至少有一次严重的桥梁事故可归因于冲刷，中国桥墩水毁的例子也很多。局部冲刷一直是冲积性河流中墩台失稳和水毁的主要原因，也一直是跨河工程科研与设计中需重点研究的问题。

多年来很多学者对单个墩台冲刷的机理、水流结构、冲刷坑深度影响因素与计算等做过大量的研究[3-9]。随着世界各国经济社会快速发展，跨越大江大河和海湾的工程越来越多，涉水墩台尺寸也越来越大，其更多的采用复杂的透水桩基结构来减小局部冲刷。近期一些学者陆续开展了复合墩台的局部冲刷研究，高正荣等[10]通过概化模型试验研究了哑铃型桥墩的最大冲深和冲刷范围；韩海骞等[11]通过水槽试验研究了墩台在潮流作用下的冲刷坑形态与冲刷过程，并对潮流作用下桥墩局部冲刷深度的主要影响因子进行了初步的分析；李舜等[12]通过概化模型试验研究了斜交塔基的局部冲刷规律；卢中一等[13]试验研究了桩承台不同入水深度对局部冲刷的影响。鉴于复合墩台尺寸较大，结构与影响因素复杂，目前的相关研究还是初步的，对于复合墩台局部冲刷的影响因素及其相关关系也缺乏深入的研究。因此，本文以长江苏通500 kV过江电缆工程墩台为例，采用正态概化模型试验，对涉水复合墩台局部冲刷规律、局部冲刷的影响因素及与冲刷深度的相关关系开展了深入研究。

1 墩台局部冲刷试验

长江下游跨江大桥或电缆通道工程多采用复合型墩台，墩台尺寸范围一般为60～130 m，经综合考虑本次试验取100 m。以长江苏通500 kV过江电缆工程复合墩台为例进行墩台具体结构概化，如图1所示。具体结构如下：墩台由4个多边形承台组成，承台之间采用系梁组成，每个承台下设22根桩，桩径2.5 m，按梅花型布置。

试验过程中流速用三维ADV流速仪观测，地形用武汉大学研制的ABF 2-3二维地形测量系统进行测量。

图1 墩台结构示意Fig.1 Schematic diagram of pier-platform structure

1.1 模型设计

考虑到墩台局部冲刷的三维特性，试验采用正态模型，根据墩台结构及长江下游典型河段的河道特点，模型几何比尺选定为1∶150。墩台局部冲刷试验在长35 m，宽3 m，高1 m的水槽中进行，墩台局部冲刷模型系统及测流垂线布置如图2所示。根据长江下游类似工程所在断面的流速及水深，综合确定本次试验的水深、流速参数，具体确定方法如下：

(1) 试验起始地形采用平床，床面高程取墩台所在河床高程的平均值；

(2) 根据工程所在断面的平均单宽流量，推算出墩台冲刷试验水槽实际应施放流量，并控制相应的水深，以水槽最终达到该特征流量下的墩前流速为标准；

(3) 墩台由4个承台组成，在保证阻水相似的前提下，用木质材料对4个承台结构进行了概化模拟。

1.1.1水流运动相似

模型要求满足重力相似的准则，即：

垂直比尺。

(2) 水流连续律相似。流量比尺αQ=αLαHαv=275 568，αL为平面比尺，αv为流速比尺。

1.1.2泥沙运动相似

由于试验主要研究墩台局部冲刷问题，故泥沙运动相似主要考虑起动相似和扬动相似。根据以往对长江天然河道实测资料的分析成果，长江下游床沙起动流速可以按式(1)计算：

(1)

式中：V0为床沙的起动流速，γs和γ分别为泥沙和水的容重，g为重力加速度，d为床沙粒径，h为水深，k为系数。起动相似应满足：起动流速比尺αv0=αv=12.25。泥沙的扬动相似条件应满足：扬动流速比尺αvf=αv。

泥沙扬动流速Vf采用窦国仁公式计算：

(2)

式中：Δ为河床颗粒相对凸起度。

根据长江下游及河口区域床沙特性，综合考虑原型沙中值粒径取0.17 mm，模型选配容重为1.056 t/m3、中值粒径为0.21 mm的塑料沙。

1.2 试验条件

试验中，通过实时观测某点床面高程随时间的变化来确定局部冲刷试验水流施放时间，冲刷动态平衡后开始测量，各工况试验时间为3～6 h。为研究不同行近流速和行近水深条件下墩台局部冲刷强度和范围，同时便于分析比较和实践运用，根据墩台所处位置的流速和水深等特征值，对放水要素进行了无量纲处理，对表中的行近流速v采用泥沙起动流速v0进行了无量纲化处理，行近水深h、最大冲刷深度hb和冲刷坑上下游侧相对长度L上下游、左右侧相对宽度L左右侧采用墩台宽度B1进行了无量纲化处理。

本次共开展了15组冲刷试验，试验工况及测量结果如表1所列。

图2 试验水槽及复合墩台附近测流垂线布置示意(尺寸单位：m)Fig.2 Schematic diagram of the layout of flow measuring vertical line near the composite pier and water tank

表1 试验工况、冲刷深度和冲刷范围统计Tab.1 Statistics of test conditions，scour depth and scour range

2 水流变化

前侧两承台临水侧可见明显的挤压水流作用，诱发出两侧的螺旋水流。水流流经墩台下各桩间时，受到群桩多重阻水，水流下切河床和桩间的紊流减缓流速的影响同时存在，而且在墩台范围内越趋向墩台后侧两承台的后排桩群消能减速的影响越大，使墩台后侧两承台背水面形成一定范围的缓流区。单桥墩与组合墩台附近水流结构对比如图3所示。

图3 单桥墩与组合墩台附近水流结构对比Fig.3 Comparison of water flow structure near single pier and composite pier-platforms

由于河床床面的变化与水流息息相关，因此，试验中对墩台附近典型位置点表面及垂线平均流速进行了测量，测量垂线布置如图2所示。其中，工况13，14，15的结果如图4所示。从图中可以看出，各工况表面流速平面分布特性基本保持一致，墩台前侧A、B、C、D、E 5点表面流速呈W形分布，这是B、D后方墩台阻水导致水流绕流两侧的缘故；墩台后侧F、G、H 3点表面流速呈V形分布，这是由于G点前侧墩台阻水所导致的。A、E、F、H 4点表面流速大小较为接近，体现了墩台桩群的扰流效果相对较为均匀。各工况E点比F点的表面流速大，而垂线平均流速则偏小，这是墩台承台阻水所导致的垂线流速分布调整所引起的。

图4 试验墩台附近流速变化Fig.4 Variation of flow velocity near the pier-platform

3 局部冲刷分析

3.1 冲刷坑形态

墩台冲刷的主要原因包括：① 桩柱阻水在墩台前形成垂向水流下切河床；② 侧向绕流产生马蹄形漩涡和尾流漩涡淘刷两侧和后部床面[5，7，14]。试验观察可知：因墩台群桩承台的透水性，墩台前侧沿迎水面下切的水流受到底部桩群间过流的干扰，对墩台前河床的下切和两侧河床的淘刷力度较强。墩台两侧的螺旋水流，致使墩台前侧两承台前端河床深度下切，承台左右侧淘刷。墩台后侧两承台背水面缓流区河床处形成沙丘和沙丘脊线。

选择行近流速较大、水深不同的工况4和工况13分别绘制墩台冲刷坑云图(见图5)。可以看出：墩台附近冲刷主要集中在墩台4个承台周围、墩台两侧及其下游带状区域，尤其以墩台前侧两个承台侧冲刷最为明显。较深的冲刷坑平面上呈现马蹄形状分布，较好地体现了马蹄形漩涡体系的淘刷作用。从冲刷深度看，工况4墩台最大冲深为-32.9 m，工况13墩台最大冲深为-28.0 m；从范围来看，冲刷坑范围顺水流方向变化幅度较大，而垂直水流方向变化幅度较小。工况4和工况13下，-10 m高程线长度与墩台阻水宽度的比值分别为6.8和3.8，-10 m高程线宽度与墩台阻水宽度的比值分别为3.1和3.3；工况4和工况13下，-20 m高程线长度与墩台阻水宽度的比值分别为3.4和1.3，-20 m高程线宽度与墩台阻水宽度的比值分别为2.5和1.2。尽管工况4流速相对偏小，墩台局部冲刷程度却相对较大，尤其是局部冲刷坑范围更大，体现了水深对马蹄形漩涡体系形成的促进作用。

图5 墩台局部冲刷形态对比Fig.5 Comparison of local scour patterns of piers

3.2 冲刷坑范围

统计了复合墩台周围冲刷坑冲深10 m范围内的冲刷坑大小，冲刷坑相对长度L上下游/B1和相对宽度L左右侧/B1随相对行近流速v/v0变化如图6和图7所示。整体而言，L上下游/B1和L左右侧/B1均随着v/v0的增加而增加。L左右侧/B1与v/v0相关性较好，随v/v0增大，L左右侧/B1变化范围为2.0～3.0。在较小流速下(v/v0<3.0)，L上下游/B1与v/v0相关性较好，随着v/v0增大，变化范围为1.0～3.0；在较大流速下(v/v0>3.0)，相关性变差，变化范围为2.0～7.0，这是由于大流速下床面形态变化较大所导致的。

图6 冲刷坑相对长度L上下游/B1与相对行近流速 v/v0关系(冲深10 m范围内)Fig.6 Relationship between the relative length L/B1 and the relative flow velocity v/v0 of the scour pit (within the range of 10 m depth)

图7 冲刷坑相对宽度L左右侧/B1与相对行 近流速v/v0关系(冲深10 m范围内)Fig.7 Relationship between the relative width L/B1 and relative flow velocity v/v0 of the scour pit (within the range of 10 m depth)

4 墩台局部冲刷深度影响因素分析

根据以往的相关研究成果[15-16]，影响涉水墩台局部最大冲刷深度的主要因素有以下4个方面：

(1) 水流因素。包括水流密度ρ，水流运动黏度ν，行近流速v，行近水深h及重力加速度g。

(2) 泥沙因素。泥沙中值粒径d50、泥沙不均匀系数σg、泥沙密度ρs、泥沙起动流速v0。

(3) 墩柱因素。墩柱宽度或直径B1、墩柱形状系数kξ及组合系数Al。

(4) 时间因素。冲刷时间t及平衡冲刷深度所需时间te。

假定泥沙密度ρs及重力加速度g为常数、忽略水流的黏性，通过因次分析可以得到均匀沙情况下局部冲刷坑深度表达式为

(3)

试验中，冲刷坑深度达到了平衡，t/te为1。当相对行近水深h/B1及相对泥沙粒径B1/d50分别大于3及50的时候，平衡冲刷坑最大深度与这两个参数无关[4]。本研究中，泥沙相对粒径B1/d50在原型中为58 823，在模型中约为3 333，远大于50，可以不用考虑。相对行近水深h/B1范围为0.08～0.18，远小于临界值3，应当考虑h/B1的影响。因此，重点考虑相对行近流速v/v0和相对行近水深h/B1对局部冲刷最大深度的影响。

4.1 相对行近流速

相对最大冲刷深度hb/B1与相对行近流速v/v0变化关系如图8所示。为了便于分析，图中还点绘了Chiew[4-5]、Ettema[6]和Tang[14]等单圆柱墩试验数据以及李舜复合墩台试验数据[12]，其中单圆柱墩B1取圆墩直径。

图8 局部冲刷最大相对深度与相对行近流速关系Fig.8 Relationship between the maximum relative depth of local scour and the relative approaching velocity

只有单个墩柱的情况下，相对最大冲刷深度hb/B1随着相对行近流速v/v0的增大，呈现先线性增大(v/v0<1.0)后略微减小再增大的趋势(v/v0>1.0)。本次试验为复合墩台，v/v0>1.0(范围为1.58～3.62)，hb/B1随着v/v0呈现与单墩条件下同样的变化关系，区别在于hb/B1的数值大小。李舜等[12]的成果位于本次试验数据的延伸范围内，呈现较好的吻合性。

将复合墩台与单墩两种情况下的hb/B1值进行对比，拟合计算(hb/B1)复合墩台/(hb/B1)单墩的比值(见图9)。可以看出，在动床条件下，(hb/B1)复合墩台/(hb/B1)单墩随v/v0的增大而增大，范围在0.05～0.20。

图9 (hb/B1)复合墩台/(hb/B1)单墩与相对行近流速关系Fig.9 Ratio of (hb/B1) of composite pier to(hb/B1) of single pier and relative approaching velocity

为了对比概化试验与经验公式计算的最大冲深成果，采用JTG C30-2015《公路工程水文勘测设计规范》中65-2式计算了墩台的局部最大冲刷深度。这里对65-2式简单介绍如下：

(4)

考虑两种计算概况条件：① 将每个承台下的桩基假设成一个桥墩；② 将整个基础4个承台下的所有桩基假设成一个桥墩，试验与计算工况及主要成果如表1所列。

本次试验与计算条件下局部冲刷最大深度hb随相对行近流速v/v0变化关系如图10所示。第一种计算概化工况比模型试验冲刷深度均偏小，主要是考虑了桩基分散扰流比集中扰流强度小的原因；第二种计算概化工况将整个墩台作为一个桥墩，其与模型试验冲刷深度相比，在v/v0<2.75时稍微偏大，v/v0>2.75时吻合相对较好，部分体现了单个墩台集中扰流的效果。总体而言，模型试验结果偏向第二种计算概化工况，从工程安全性考虑，第二种计算概化工况更适合工程采用。

图10 试验与计算条件下局部冲刷最大深度对比Fig.10 Comparison of maximum depth of local scour under test and calculation conditions

4.2 相对行近水深

本次试验及李舜等[12]得到的相对最大冲刷深度hb/B1与相对行近水深h/B1变化关系如图11所示。图中h/B1范围为0.05～0.35，其值相对较小，这是因为长江下游跨江大桥或电缆通道工程所采用墩台尺寸相对较大，导致h/B1远小于1。图中可以看出，在动床条件下，hb/B1随h/B1的增大而增大。一般认为，单个桥墩条件下，当h/B1<3时，hb/B1随h/B1增加而增加[4]，复合墩台局部也遵循同样的规律。

图11 局部冲刷最大相对深度与相对行近水深关系Fig.11 Relationship between the maximum relative depth of local scour and the relative water depth

5 结 论

本文以长江苏通500 kV过江电缆工程复合墩台为例，采用正态局部概化模型试验对复合墩台局部冲刷开展了多工况对比研究，得到主要结论如下：

(1) 复合墩台局部冲刷坑形态呈马蹄形，最大冲深点一般位于墩台迎水侧中部及墩台两侧部位。大水深工况有利于促进马蹄形漩涡体系形成，从而形成更大的局部冲刷坑范围与深度。墩台局部冲刷坑长度和宽度均随着相对行近流速v/v0的增加而增加，局部冲刷坑相对宽度变化范围为2.0～3.0，相对长度变化范围为1.0～7.0。

(2) 动床条件下，最大相对冲刷深度hb/B1随着相对行近流速v/v0的增大而增大，呈现与单个墩柱同样的变化关系。单墩比复合墩台相对最大冲刷深度要大，在v/v0为1～5试验条件下，复合墩台与单墩两种情况的相对最大冲刷深度比值(hb/B1)复合墩台/(hb/B1)单墩随v/v0的增大而增大，范围在0.05～0.20。大水深工况有利于复合墩台形成更大的局部冲刷坑，hb/B1随h/B1的增大而增大。

(3) 采用《公路工程水文勘测设计规范》中65-2式计算复合墩台的局部最大冲刷深度时，从工程安全性考虑，将整个墩台作为一个桥墩计算，更符合工程实际。

由于复合塔基局部冲刷影响因素较多，影响机理复杂，本次试验研究成果在影响因素及参数范围上仍存在一定的局限性，下一步可以从复合墩台尺寸与形状等方面进一步开展相关研究。