跨海铁路桥梁深水基础冲刷数值模拟

2024-04-03陈经伟

铁道建筑 2024年2期

陈经伟

中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070

1 工程概况

新建头门港铁路支线二期工程位于浙江省台州市临海市，起自头门港站，向东延伸进入台州湾，经大竹山岛，止于头门岛。起止里程为DK44 + 526.66—DK56 + 685.59。铁路正线为Ⅲ级单线，铺设有砟轨道，设计采用ZKH活载。设计行车速度为80 km/h。跨海铁路头门港大桥全长12 158.93 m。

根据2008年全年观测数据，设计高水位取高潮累积频率10%的潮位，设计低水位取低潮累积频率90%的潮位，计算得出设计高水位为2.83 m，设计低水位为-2.37 m。桥址区百年一遇水位为5.63 m，五十年一遇水位为5.31 m。

桥址区头门岛海域涨落潮时差达2 h以上。最高潮差达4 m［1］。大潮涨潮、落潮最大垂线上水流平均流速分别为0.54、0.63 m/s；小潮涨潮、落潮最大垂线上水流平均流速均为0.35 m/s［2］。该海域波高较大，由岸向岛波浪总体上呈逐渐增大趋势。按五十年一遇风速和百年一遇水位进行计算，桥址区有效波高在2.2 ～ 3.9 m。

头门港铁路支线二期工程位于涨落潮潮差明显海域，地层以黏土和夹砂粉质黏土为主。其中跨海铁路桥梁深水基础尺寸较大，受水深、流向、流速、桥墩或基础的形状、泥沙特性等诸多因素影响，冲刷机理复杂。设计时须要考虑风、浪及其联合作用对基础的冲刷问题。冲刷深度会直接影响桥墩基础的刚度，进一步影响铁路运营的安全性和舒适性。

2 局部冲刷计算

2.1 测点布置及桥墩选择

在工程所在海域选取6个代表性测点，测点位置见图1。百年一遇水位和五十年一遇水位下各代表性测点处水深见表1。

表1 各测点水深

图1 代表性测点位置

根据跨海铁路头门港大桥300个桥墩的尺寸及排列方式，选取测点W1—测点W6附近的7个典型桥墩，进行冲刷分析。

①W1附近的38#桥墩承台尺寸为6 m（顺桥向） ×6 m（横桥向），桩基础为5根直径1.25 m桩。

②W2附近的110#桥墩、W3附近的159#桥墩承台尺寸均为6.3 m（顺桥向） × 9.3 m（横桥向），桩基础均为5根直径1.25 m桩。

③W4附近的190#桥墩、W5附近的210#桥墩承台尺寸均为8.0 m（顺桥向） × 13.0 m（横桥向），桩基础均为6根直径2.20 m桩。

④W5附近的214#桥墩（主桥）承台尺寸为23.5 m（顺桥向） × 23.5 m（横桥向），桩基础均为25根直径2.20 m桩。

⑤W6附近的245#桥墩承台尺寸为11.0 m（顺桥向） × 15.0 m（横桥向），桩基础为8根直径2.2 m桩。

2.2 冲刷深度和冲刷面积计算

韩海骞收集了潮流作用下杭州湾大桥、金塘大桥和沽渚大桥的实测冲刷数据，结合60多组水槽试验结果计算了桥墩的最大冲刷深度，并采用因次分析法，推导出潮流作用下桥墩局部冲刷深度公式［3］。即

式中：dse为桥墩局部冲刷深度；kx、ky为基础桩顺桥向、横桥向布置系数；D为最大水深条件下按水深加权的阻水宽度；u为最大流速；h为最大行进水深；d50为河床泥沙的平均中值粒径。

根据马蹄形涡流能量与冲刷坑内泥沙外移所需能量的平衡关系，孙志林推导了桥墩周围局部冲刷深度公式［4］［式（2）］，并采用杭州湾跨海大桥的实测桥墩局部冲刷深度数据和文献［5］的室内试验结果，对公式的准确性进行了验证。

式中：H为水深；ks为墩形系数；f(B0/D)为受桥墩影响的阻水宽度；ρs、ρw分别为泥沙、水流的密度；ϕ为泥沙水下休止角；P为泥沙孔隙度；Fr为水流的弗劳德数。

采用美国HEC-18公式［6］计算冲刷深度时，综合考虑桩基、承台、墩身对桥墩局部冲刷深度的贡献值，最后进行叠加，即

式中：K1为桥墩形状系数；K2为桥墩水流夹角系数；K3为河床床面系数。

JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》中黏性土河床桥墩局部冲刷深度计算公式为

式中：B为桥墩或承台的宽度；IL为冲刷坑范围内黏性土液性指数；v为一般冲刷后墩前行进流速；hP为桥下一般冲刷后最大水深。

为研究不同冲刷深度计算公式的差异，采用孙志林公式、韩海骞公式、美国HEC-18公式和JTG C30—2015中推荐的桥墩局部冲刷深度计算公式，考虑工程所在海域水流速度、泥沙粒径和桥墩宽度对于局部冲刷的影响，结合桥墩周围最大流速和对应水深对桥墩局部冲刷深度进行计算。结果见表2。

表2 百年一遇水位下桥墩周围局部冲刷深度

由表2可知：不管承台顺桥向尺寸如何变化，总体上孙志林公式和HEC-18公式计算的局部冲刷深度偏大，韩海骞公式计算值最小。因此，桥梁设计时宜采用规范公式计算局部冲刷深度。

Das等［7］进行了局部冲刷试验，根据试验数据推导出冲刷坑范围计算公式，即

式中：A为冲刷坑面积。

采用Das冲刷坑范围公式计算百年一遇水位时各桥墩处冲刷坑面积，结果见表3。可知：总体上顺桥向承台尺寸越大冲刷坑面积越大，214#桥墩处冲刷坑面积比其他测点处都大。

表3 百年一遇水位时各桥墩处冲刷坑面积

3 潮汐水流冲淤计算

工程所在海域的潮汐水流主要为正规半日潮，总体为往复流。由于泥沙运动的复杂性，其运移机理尚不清楚，本文采用半经验半理论的冲淤计算公式［8］，计算冲淤平衡后水深变化量（ΔH最终）。计算式为

式中：h1、h2分别为桥梁建成前后水深；V2、V2分别为桥梁建成前后垂线上水流平均流速。

桥梁建成后桥址区北洋涂向南弯折区水深下降了0.5 ～ 0.7 m，疏港公路北侧水深下降了0.3 ～ 0.4 m，大竹山附近水深下降了0.4 ～ 0.5 m，头门岛附近水深下降了0.6 ～ 0.8 m。

4 局部冲刷数值模拟

跨海铁路头门港大桥桥墩之间的冲刷为一般冲刷。根据JTG C30—2015中8.3节一般冲刷公式计算可得，头门港跨海大桥一般冲刷深度为3 ～ 5 cm。

4.1 建立模型

为了研究数值模拟方法用于局部冲刷分析的可行性，建立二维流场数值模型。因一般冲刷深度仅3 ～ 5 cm，分析局部冲刷时可不考虑一般冲刷的影响。

选取测点W3—测点W6附近四类桥墩（159#、190#、214#和245#）进行计算。水流入口设定流速边界，水流出口设定水位边界，两侧为固定边界，泥沙运移边界条件设置为0，即泥沙不运移。

初始水位设置为0，水中含沙量设置为0。时间步长取0.001 s，结果输出时间间隔为30 s。

4.2 计算结果分析

1）桥墩处水流速度

各测点附近桥墩处水流速度（v′）对比见图2。可知： 159#、190#、214#（主桥）、245#桥墩墩前水流速度分别为2.88、2.75、2.69、2.46 m/s，桥墩承台两侧最大绕流速度分别达到4.20、3.45、4.35、3.79 m/s。由于桥墩和承台阻水作用，水流达到承台正前方时流速减小；与墩前水流速度相比，承台两侧绕流的流速明显增大，并在承台后方形成一对漩涡。