水中巨型沉井冲刷试验与数值计算对比分析*

2023-10-27赵东梁韩鹏鹏

施工技术(中英文) 2023年18期

赵东梁,韩鹏鹏,张磊

(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)

0 引言

桥梁下部结构作为重要的支承部位,在复杂水流环境和地质条件下为保持桥梁的正常运行发挥着重要作用[1]。在长期水流冲刷作用下,桥墩基础周围开始产生局部冲刷坑,降低桥墩基础支承能力[2]。桥墩冲刷的理论本质为桥墩结构与周围水沙的相互作用[3],桥墩冲刷过程除了自然演变冲刷外,一般分为一般冲刷和局部冲刷[4]。自然条件下,一般冲刷和局部冲刷交织在一起同时进行,过程十分复杂,现有大多数大型桥梁都通过物理模型试验预测冲刷深度。物理模型试验有助于认识冲刷过程中各种流动现象和冲刷机理[5],也有助于归纳总结出各因素对最大局部冲刷深度的影响规律和指导工程应用,但试验设备的扰动及缩尺模型所带来的尺度效应、特殊流动条件下的冲刷研究等仍然是模型试验难以解决的问题。

目前确定淤泥质粉质黏土起动流速最有效的方法是进行原状土抗冲试验,由于淤泥质粉质黏土的起动与冲刷往往呈片状驳蚀[6],因此,无论物理模型试验还是数值计算,在研究黏性土的冲刷问题时精度均难以保证。并且目前桩墩基础局部冲刷问题的研究主要集中在细长桩[7],针对平面尺度较大的类似沉井基础的冲刷研究相对较少。本文针对常泰长江大桥中塔5号沉井的冲刷问题,开展物理模型试验和数值计算的对比分析研究,结果可为水中大型桥墩基础的冲刷研究提供参考。

1 工程概况

常泰长江大桥连接常州和泰州,为主跨1 176m的双层斜拉桥。5号主塔基础为目前世界上最大的水中圆端形沉井基础,5号沉井基础位于长江主航道北侧靠泰州一侧;沉井底面尺寸95.0m×57.8m,圆端半径28.9m;沉井顶高程7.000m,底高程-65.000m, 总高72.0m;沉井外井壁厚1.8m,内井壁厚2.0m,隔墙厚1.4m。5号墩沉井基础结构如图1所示。

图1 5号墩沉井结构

沉井桥位处20年一遇断面垂线平均最大流速为1.93～2.1m/s,枯水期垂线平均最大流速<1.05m/s。枯季大潮和中潮相差不大,平均落潮流速为0.5～0.8m/s,平均涨潮流速<0.57m/s。地质条件是影响局部冲刷的重要因素,5号墩沉井位于主航道北侧,地形平稳。河床平均标高-14.500m,-14.500～-16.990m为表层松散粉砂层,厚度为2.49m,粒径为0.075mm;-16.990～-22.310m为硬塑粉质黏土层,厚度为5.32m,黏聚力为35.8kPa;-22.310～-24.020m 为中密粉砂层,厚度为1.72m,粒径为0.075mm;-24.020～-25.960m 为软塑粉质黏土层,厚度为1.94m,黏聚力为18.4kPa;-25.960～-34.510m为中密细砂层,厚度为8.55m,粒径为0.075mm;-34.510～-39.890m为中密粉砂层;-39.890～-50.330m为密实细砂层;-50.330～-56.830m 为密实中砂层;-56.830～-65.000m为密实粗砂层,持力层为密实粗砂层。

2 模型试验分析

2.1 试验方案

模型试验在长34m、净宽4.8m的水槽中进行,泥沙动床段长5m、宽4.8m,铺沙厚度0.6m,桥墩基础布置在试验段中央。模型设计时,综合考虑了流速、雷诺数、水深、水下休止角、桥墩压缩比等基本条件,确定模型几何比例尺为1∶100,水流连续相似,流速比例尺为1∶10。模型沙经过窦国仁公式[8]换算后,采用中值粒径为0.68mm的木屑代替。在初始流速作用下,冲刷坑不断加深和扩大,坑底流速逐渐降低,水流挟沙能力随之减弱,水流的冲刷作用与床沙的抗冲作用趋向平衡,冲深随之停止,此时局部冲刷坑达到最深,床面趋于稳定。不分层和分层冲刷试验均是模拟沉井入土稳定后原始河床面的最大冲刷深度和冲刷形态。

不分层冲刷试验模型沙为单一介质,不考虑实际地质条件的泥沙分层和黏土层的影响。沉井着床入土后,采用1.0,1.5,2.0,2.5m/s 4组原型流速对应的模型流速冲刷2.5h至床面稳定。

分层冲刷试验根据实测地质分布和原状土冲刷试验资料,动床模型上层采用2.5cm厚的模型沙模拟实际地层表层2.5m厚的松散粉砂层,中层采用厚5.3cm、中值粒径为1.0mm的天然砂模拟实际地层中5.3m厚的硬塑粉质黏土层,下层采用模型沙模拟实际地层中其他土层。分层冲刷试验同样是在沉井入土稳定后,模拟原型流速1.5,2.5m/s冲刷2.5h后的床面稳定状态。

2.2 不分层冲刷试验

沉井着床后,在1.0m/s流速作用下最大冲刷深度为14.3m,冲深后的高程为-28.800m;在1.5m/s流速作用下最大冲刷深度为21.5m,冲深后的高程为-36.000m;在2.0m/s流速作用下最大冲刷深度为27.3m,冲深后的高程为-41.800m;在2.5m/s流速作用下最大冲刷深度为30.2m,冲深后的高程为-44.700m。沉井在1.0,1.5m/s流速下模型试验冲刷等深线变化结果如图2所示。

图2 不同流速作用下模型试验冲刷等深线变化

2.3 分层冲刷试验

分层冲刷试验主要模拟沉井着床时河床的冲刷状态,沉井入土后,周边原状土被破坏,土层的起动流速明显减小,入土后的冲刷基本与不分层试验冲刷相似。在1.5m/s流速作用下最大冲刷深度为2.5m,冲深后的高程为-17.000m,在该流速条件下硬塑粉质黏土层基本不冲刷;在2.5m/s流速作用下最大冲刷深度为7.1m,冲深后的高程为-21.600m, 在该流速条件下硬塑粉质黏土层被冲刷4.6m。沉井在2.5m/s流速作用下的模型试验冲刷状态如图3所示。

图3 2.5m/s流速作用下分层模型试验冲刷状态

3 数值计算分析

3.1 计算条件与计算工况

CFD数值模拟采用RNGk-ω紊流模型,模型几何比例尺与物理模型试验保持一致为1∶100,原型沙采用粗细颗粒起动流速公式[9],泥沙起动流速为0.52～0.69m/s,数值计算中采用中值粒径为0.68mm、水下休止角为32.7°的泥沙,泥沙起动流速约为0.06m/s,满足冲刷模型的几何相似与运动相似,泥沙数值运动仿真计算采用水动力模块计算出沉井周围的流场分布,根据流场计算出河床表面的剪应力,确定泥沙颗粒起动、上举、漂移运动状态,结合泥沙动力模型得到水流与泥沙耦合运动。数值模型进口采用速度边界,出口采用压力边界,模型两边采用对称边界,下部采用墙边界,上部采用压力边界。采用自适应步长,初始步长为0.001s,网格计算时间为3h,如图4所示。

图4 数值计算边界条件

为研究不同流速下沉井周围河床地形变化,当水深14.5m时,观察流速分别为1.0,1.5,2.0m/s条件下沉井周围局部冲刷历时演变。

在沉井施工区域,河床面以下2.5m为粉砂层,粉砂层下面为黏性土层,为解决土体间黏性问题,引入等价粒径的概念,本文采用等价粒径经验公式[10],根据硬塑粉质黏土的黏聚力换算其等价粒径为26mm,进行多土层下河床局部冲刷数值模拟。在原型水深14.5m及行进流速分别为1.5,2.0,2.5m/s的条件下,模拟计算沉井基础的水流形态,分析流场分布及河床冲刷间的关系。

3.2 不分层数值计算

水流流经沉井时,造成局部绕流的水流形态,流速有所增加,水流对河床的临界剪切力增加,泥沙逐渐起动形成冲刷坑。沉井正前方,由于沉井对水流形成阻碍作用,导致水流流速减小,因此并未对河床形成冲刷;在沉井前侧部,由于绕流作用流速增加,形成马蹄形冲刷坑;流速沿水流方向逐渐降低,冲刷深度随之有所降低,在沉井后部形成涡流区,因此泥沙在此沉积。在1.0m/s流速作用下沉井前端两侧最大冲刷深度为7.8m,冲深后的高程为-22.300m; 在1.5m/s流速作用下沉井前端两侧最大冲刷深度为13.2m,冲深后的高程为 -27.700m; 在2.0m/s流速作用下最大冲刷深度为19.9m,冲深后的高程为-34.400m。总体来说,随着流速增加,冲刷深度随之增大,冲刷坑的范围也随之扩大。沉井在2.0m/s流速作用下的流场分布和冲刷地形如图5,6所示。

图5 2.0m/s流速作用下流场分布

图6 2.0m/s流速作用下冲刷地形侧视图

3.3 分层数值计算

由图7可知,水流流速2.5m/s的数值模拟结果与图4中流速2.0m/s的结果类似,由于沉井阻水效应,流速在正前方下降明显,水流在沉井前端两侧受到压缩流速急剧上升至3.86m/s,流速增加区域主要在圆角附近。沉井尾部由于水流逆压梯度的存在,水流在沉井后部形成漩涡,造成流速降低。

图7 2.5m/s流速作用下流场分布

由图8所示数值模拟结果可看出,受到流速的影响,河床最上层粉砂层整体发生一般冲刷,在实际状态下冲刷5h后,除沉井正前端少部分外,粉砂层整体移动至下游。粉质黏土层由于黏聚力较大,沉井最大冲刷深度发生在前端圆角处,在2m/s流速作用下,实际状态下冲刷20h达到稳定状态,最大冲刷深度为2.8m,除去2.49m的粉砂层,在此状态下粉质黏土层仅冲了0.31m。1.5m/s流速作用下的冲刷状态与2m/s流速的冲刷状态类似,1.5m/s流速作用下的大部分粉砂层发生一般冲刷,粉质黏土层基本没有发生冲刷。

图8 2.0m/s流速作用下5h和20h冲刷地形云图

由CFD数值模拟冲刷历时过程可知,在流速2.5m/s作用下,表层2.49m粉砂层在水流作用下完全被挟带至下游,随着时间推移,在沉井圆角上游迎水面处淤泥质粉质黏土会发生起动,黏土起动具有一定随机性,且呈片状剥离状态离开原始河床面,目前尚无规范描述,因此,本文中数值模拟采取等效沙颗粒进行模拟。由图7所示流场分布可看出,流速在沉井前端圆角附近达到最大,因此冲刷坑最先在此形成,在20h后冲刷深度达到稳定,最大冲刷深度约为4.5m,其中粉砂层2.49m,粉质黏土层2.01m。随着沿水流方向流速逐渐降低,水流的挟沙能力下降,在沉井中部开始沉积,淤积高度约为0.75m,即沉井前端圆角大部分泥沙颗粒由床沙转换为推移质,并未进一步随水流紊动形成悬疑质,在沉井后部受到沉井遮蔽效应影响,流速降低,水流中悬疑质在此沉积。2.5m/s流速作用下20h冲刷地形如图9所示。

图9 2.5m/s流速作用下20h冲刷地形

由图9所示数值计算冲刷结果可看出,沉井两侧约60m、沉井前端10m、后端20m范围内厚度2.49m的粉砂层,在水流作用下完全被挟带至下游,发生床面整体冲刷;表层松散粉砂被冲走之后,下层粉质黏土在水流作用下,在沉井前面圆端形井壁两侧出现直径约10m的半圆形冲刷坑,冲刷的泥土在沉井中部和尾部两侧淤积,中部两侧淤积范围形成约直径20m的半圆。沉井的前冲后淤若发生在定位着床阶段,极易造成沉井偏位或倾斜;若发生在沉井取土下沉初期,沉井刃脚处于粉质黏土层中,则沉井底部支撑受力不均,存在结构开裂风险。

4 模型试验与数值计算对比分析

物理模型试验和数值计算的原型水深均为14.5m,即假定原型河床面标高为-14.500m。物理模型试验和数值计算在地质不分层条件下不同流速的最大冲刷底标高如图10a所示,由图10a可知,无论模型试验还是数值计算,最大冲刷深度均随流速的增大而增大,且在同一原型流速下物理模型试验的最大冲刷深度大于数值计算的最大冲刷深度,主要原因为:①物理模型试验时采用窦国仁公式[8]计算出的起动流速偏小,选取的模型沙质量偏小;②物理模型试验中采用的木屑沙为长条状,而数值计算中的模型沙为圆颗粒状,木屑沙相比于圆颗粒状沙更加蓬松,在水流作用下更易被冲刷。

图10 不同流速下冲刷最大深度

在地质分层条件下不同流速的最大冲刷底标高如图10b所示,由图10b可知,无论模型试验还是数值计算,在原型流速1.5m/s时,发生最大冲刷区域均可将表层粉砂层冲掉,此外,与不分层冲刷规律相同,最大冲刷深度同样随流速的增大而增大;且在2.5m/s原型流速作用下,物理模型试验的最大冲刷深度远大于数值计算的最大冲刷深度,但比不分层物理模型试验的最大冲刷深度要小。模型试验的最大冲深大于数值计算的最大冲深与不分层的原因类似,另外,2.5m/s原型流速作用下的最大冲刷深度均没有到粉质黏土层的底标高,说明粉质黏土层阻冲刷效果明显。

结合前面模型试验和数值计算的冲刷结果可知,在地质不分层条件下,物理模型试验和数值计算的冲刷形态相似,最大冲刷深度位置基本一致。在地质分层2.5m/s原型流速作用下,物理模型试验和数值计算的冲刷形态有所不同,最大冲刷深度位置仍在沉井前端两侧圆角处,但物理模型试验中沉井两侧没有形成明显淤积,而数值计算中沉井中部和尾部两侧淤积明显,造成这种差异的主要原因应该是物理模型试验中采用天然沙模拟硬塑粉质黏土,数值计算中是根据黏聚力换算等价粒径的模型沙模拟硬塑粉质黏土,数值计算中换算得到的模型沙粒径远大于物理模型试验中天然沙粒径。根据现场冲刷的实际情况,数值计算的冲刷结果更贴合实际,而物理模型试验的冲刷结果相对保守。