大型沉井施工期局部沖刷模型試驗及工程驗證

陳 策

(江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,江蘇泰州 225321)

1 概述

沉井是橋梁廣泛采用的基礎(chǔ)形式之一。沉井基礎(chǔ)埋置深度大、整體性強、穩(wěn)定性好,能承受較大的垂直荷載和水平荷載。在水中施工時,沉井既是基礎(chǔ),又是施工時的擋土和擋水圍堰結(jié)構(gòu)物。江河的水中沉井與海洋上的不同,它必須考慮施工中的局部沖刷問題,正確地預(yù)測橋墩局部沖刷深度是橋梁設(shè)計和施工的重要依據(jù)之一,1873年Durand Claye發(fā)表“關(guān)于橋墩局部沖刷”論文,至今已有130多年的時間,國內(nèi)外不同學(xué)者研究了針對橋墩局部沖刷深度的計算公式。目前國內(nèi)沉井基礎(chǔ)的最大局部沖刷深度一般按《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTGC30—2002)[1]所推薦的65-2公式和65-1修正式進行計算,該式具有一定的理論基礎(chǔ),收集的資料范圍也較廣,在解決我國很多河流橋墩沖刷問題時具有一定的可靠性,經(jīng)觀測驗證該公式的精度比較好,但公式的推導(dǎo)、建立和驗算的基礎(chǔ)基本立足于中、小型橋墩,缺乏對大型、特大型橋墩最大局部沖刷深度預(yù)測的驗證。

泰州大橋為三塔懸索橋,其中塔采用了平面尺寸為58.2 m×44.1 m的矩形沉井,由于沉井下沉深度較深,周邊井孔設(shè)置成圓端形,形成連拱以抵抗水土壓力,沉井高76 m,該沉井為世界上入土較深的水中沉井,體量也是在國內(nèi)的水中沉井中首屈一指,沉井的局部沖刷情況,對沉井的合理高度設(shè)計以及施工預(yù)案影響極大,因此,江蘇省長江公路大橋指揮部和南京水利科學(xué)研究院聯(lián)合開展了“大型沉井施工期局部沖刷研究”,結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)資料,開展了河工模型試驗研究。在沉井的施工過程中,進行了數(shù)據(jù)觀測,對試驗結(jié)論進行了驗證。實測數(shù)據(jù)表明,模型試驗的數(shù)據(jù)基本符合實際的沖刷情況。

2 試驗方法和內(nèi)容

本試驗用系列模型延伸法確定沖刷深度。動床模型試驗受到選沙困難的約束,一般通過系列模型研究(通過一系列不同比尺的正態(tài)模型),將試驗結(jié)果延伸來消除模型和原型泥沙運動不完全相似而帶來的偏差。試驗水槽總長34 m,凈寬4.8 m,水槽動床段長10 m,寬4.8 m,鋪沙厚度為0.6 m,橋墩基礎(chǔ)布置在試驗段的中央。在模型設(shè)計時,系列模型比尺的確定考慮了流速、雷諾數(shù)、水深、休止角、橋墩壓縮比等。

經(jīng)比選,試驗采用經(jīng)過防腐處理的木屑作為模型沙,中值粒徑d50=0.8 mm,顆粒容重rsm=11.5 kN/m3,干容重rom=6 kN/m3,現(xiàn)場采樣泥沙資料顯示,原型沙d50=0.1～0.19 mm,rs=26.5 kN/m3。

對于水深較大的細沙河流,在沒有系統(tǒng)的推移質(zhì)實測資料時,通常選用相對成熟的公式進行計算,試驗選用沙玉清公式計算原型沙起動流速

VC=vc1R0.2

(1)

(2)

木屑起動流速采用武漢水院公式計算

(3)

式中VC——起動流速；

h——模型水深；

D——模型沙粒徑；

rs——模型沙的密度；

r——水的密度。

原型沙水下休止角按文獻[2]公式[2](d=0.061～9 mm)計算

φ=35.3d0.04

(4)

模型沙按天津大學(xué)室內(nèi)試驗得出的粒徑與休止角關(guān)系式(d=0.2～4.37 mm)計算

φ=32.5+1.27d

(5)

經(jīng)計算，原型沙φ=33.0°,模型沙φ=33.5°。

泰州大橋中塔墩所處床面水深在15～20 m,通過試算得出模型采用木屑滿足相似條件的幾何比尺為20。泰州通道中塔墩基礎(chǔ)幾何尺度大,用符合相似條件的正態(tài)模型幾何比尺進行試驗,無論是場地或設(shè)備都難以達到,因此根據(jù)系列模型試驗方法原理,借助λh>20的模型來做局部沖刷試驗,將所得的試驗結(jié)果進行延伸,求得指數(shù)n,建立外插方程式,得到原型的沖刷深度。為保證試驗達到足夠精度,兼顧場地、設(shè)備等試驗條件,本次試驗選擇兩種幾何比尺

λh1=100，λh2=200

針對橋墩施工期特點,本次依據(jù)南京站與施工時段同期的月最大和月最小的長期實測水位資料(1950年～2004年),建立南京水位站～橋位上游三江營、三江營～下游界河口水位站同期月最大和月最小水位相關(guān)關(guān)系,以大通多年月平均流量為基準,采用頻率分析方法推求橋區(qū)施工期不同流量所對應(yīng)的水位、流速。泰州中塔墩基礎(chǔ)施工期局部沖刷試驗水文條件見表1。

表1 泰州中塔墩基礎(chǔ)施工期局部沖刷試驗水文條件

注：沖刷前河床高程按15.4 m計；施工期設(shè)計洪水按20%保證率(流量Q=91 000 m3/s)。

3 試驗結(jié)果

流向沉井的水流受到墩身的阻擋,沉井周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化,水流的繞流使流線急劇彎曲,床面附近形成旋渦,劇烈淘刷沉井迎水端床面和周圍的泥沙,隨之形成局部沖刷坑。隨著沖刷坑的不斷加深和擴大,坑底流速逐漸降低,水流挾沙能力隨之減弱,上游進入沖刷坑的泥沙與水流沖走的泥沙趨向平衡,同時,沖刷坑底的泥沙逐漸粗化,留下較粗顆粒鋪蓋在沖刷坑表面上,使坑底粗糙程度增大,抗沖能力增強[3]。當(dāng)水流的沖刷作用與床沙的抗沖作用趨向平衡時,沖深隨之停止,此時局部沖刷坑達到最深。沉井基礎(chǔ)的最大沖深區(qū)域位于沉井迎水面底部兩側(cè)角附近。沖刷坑外緣與沉井前端坑底的最大高差,就是最大局部沖刷深度。

針對沉井施工期可能面臨的水情,對矩形沉井基礎(chǔ)進行了從枯水、中水、汛期和特大洪水不同流量所對應(yīng)流速情況下的沖刷試驗,分別得出鋼沉井面臨不同流速時的最大局部沖刷深度[4]。泰州大橋沉井與水流方向存在10°水流夾角,因此做了有水流偏角和無水流偏角的局部沖刷試驗,部分試驗情況見圖1。在10°水流偏角的情況下,比無偏角時的沖刷增大8.8%～13.7%,試驗結(jié)果見圖2。

圖1 矩形沉井基礎(chǔ)局部沖刷形態(tài)照片(V=1.50 m/s)

圖2 局部最大沖深與行近流速關(guān)系曲線

4 試驗結(jié)果驗證

沉井與水流方向成10°夾角時,根據(jù)模型試驗的結(jié)果,推導(dǎo)出矩形沉井基礎(chǔ)最大沖刷深度與墩前行近流速的對應(yīng)關(guān)系,可推導(dǎo)計算式如下

y=4.244 1x2+5.524 2x-2.482 (R2=0.999 9)

(6)

式中y——最大沖刷深度，m；

x——行近流速，m/s。

在施工過程中,測量了沉井周邊及內(nèi)部的局部沖刷深度,并將其與模型試驗測得的成果以及按65-1修正式及65-2公式計算所得的結(jié)果進行了比選(表2)。

由表2可知,泰州大橋沉井實測的局部沖刷深度基本與模型試驗的值相符,小于按65-1修正式及65-2式的計算值。

于2007年11月10日、2007年12月1日、2008年3月4日開展了多波束水下地形測量,采用全覆蓋測量。多波束測深系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)采用SIS軟件進行了聲速校正、水位插加等數(shù)據(jù)處理,并按5 m×5 m的網(wǎng)格進行了數(shù)據(jù)抽稀,提取出成圖所需的必要數(shù)據(jù)。將處理出的地形散點文件采用CFLOOR軟件進行了河床三維地形圖的繪制[5]，見圖3。

沉井施工過程中的局部沖刷情況如下：沉井于2007年11月11日浮運,在沉井18 d的懸空狀態(tài),因為水流速度比較小,引起的沖刷深度是0.7 m。11月29日注水著床,由于前沖后淤,沉井預(yù)設(shè)了18 cm向上游的預(yù)偏量,在沉井刃腳著床的過程中,下游的淤泥將沉井向上游推進了18 cm左右。12月1日對沉井周圍測量時,在迎水流方向的矩形的對角沖刷較大,沖刷深度達到1.5～3 m,在同一邊沉井后側(cè)的淤積達到1 m左右。2008年3月4日對沉井周圍進行水下地形測量時,發(fā)現(xiàn)沉井上方與2007年12月份相比較沖刷最深有4 m左右,在沉井下方淤積最深也有5 m左右。在沉井下沉期間,局部沖刷表現(xiàn)為前沖后淤,隨著水流速度的增加,沉井前后的高差逐漸增大,在6月份沉井下沉至-44 m,水流速度為1～1.3 m/s時,前后的高差達到了8 m以上,為防止沉井過大偏位,對沉井下游的堆積沙進行了清理。在8月份,沉井下沉至-61 m,水流速度為1.2～1.7 m/s時,前后的高差又達到了10 m左右,因此再次對沉井下游的堆積沙進行了清理。于2009年11月22日對沉井周圍進行了水下地形測量,經(jīng)過1年多的時間,沉井迎水流方向的矩形對角的最大局部沖刷深度為17.4 m。

表2 墩位處各施工工況測得的流速及沉井最大局部沖刷深度

圖3 2008年3月4日水下地形測圖

5 結(jié)語

本文通過沉井局部沖刷模型試驗及工程驗證,得出如下結(jié)論：

(1)對于大型沉井,實測的最大局部沖刷值要較65-1修正式和65-2公式計算出的值小,通過河工模型試驗可以得出較為合理的數(shù)據(jù),從而指導(dǎo)施工；

(2)模型試驗得出的公式對推算長江中下游地區(qū)的沉井施工期的局部沖刷情況有一定的借鑒作用,由相應(yīng)的工程對其進行進一步驗證后,有一定的推廣意義；

(3)如采用矩形沉井,矩形迎水的對角沖刷深度最大,需要重點防范；

(4)在沉井施工過程中,前沖后淤,有可能會造成沉井的受力不平衡,應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施,以保障工程的安全。

[1]JTG C30—20，公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范[S].

[2]張紅武，呂 昕.彎道水力學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1993.

[3]陳 策,馮兆祥.深水沉井基礎(chǔ)碎石防護粒徑起動特性試驗研究[J].鐵道標(biāo)準設(shè)計,2007(8):32-34．

[4]江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,南京水利科學(xué)研究院.泰州大橋施工期局部沖刷試驗報告(送審稿)[R].南京：2007.

[5]長江委水文局長江下游水文水資源勘測局.泰州長江公路大橋沉井基礎(chǔ)施工期監(jiān)測技術(shù)總結(jié)[R].南京：2007.