潮流作用下群樁局部沖刷試驗研究*

彭可可，文方針

(1．佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與土木建筑學(xué)院，廣東佛山528000;2．廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東廣州510507)

隨著國家路網(wǎng)的發(fā)展和公路設(shè)計水平的提高，公路已延伸至潮汐河道和近海海港?！豆饭こ趟目睖y設(shè)計規(guī)范》［1］(JTG C30－2002)中給出了內(nèi)陸徑流河道中橋墩沖刷的計算方法。沿海潮汐河口地區(qū)橋墩受徑流和潮流的影響，目前還沒有統(tǒng)一的橋墩沖刷計算公式［2］。近20年來，國內(nèi)外曾對多座橋梁在潮汐作用下的局部沖刷進行專項試驗，得出了2種不同傾向的結(jié)果和解釋。以鐵道科學(xué)研究院為代表的研究者認為由于反向流提供了泥沙，因而潮流作用下小于單向流作用下的最大沖刷深度［2－3］;另一類成果以 Nakagawa 等［4－5］為代表，他們認為，在漲落潮最大流速與單向流平均流速相一致的情況下，兩者的最大沖刷深度基本是一致的，但由于在一個潮周期內(nèi)有相當長的小流速和憩流時間，所以潮流作用下沖刷達到平衡需要更長時間。本文采用潮汐河段常見的群樁為研究對象，以概化后的潮汐水文條件為試驗控制邊界，結(jié)合不同粒徑的泥沙條件，對潮流作用下群樁基礎(chǔ)的局部沖刷情況進行研究，觀測局部沖刷的發(fā)展過程和最終形態(tài)特征，分析潮流作用下橋墩局部沖刷機理。

1 動床模型試驗

1．1 模型布置

根據(jù)《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》［6］(SL155 －95)的規(guī)定，研究對象接近于二元水流時可采用斷面模型，故本次模型試驗在長34 m、寬2 m的水槽中進行，其中動床試驗段長10 m，橋墩布置在試驗段的中部。整個模型由水槽、前池、尾池、回水渠組成閉合系統(tǒng)。試驗裝置見圖1。

1．2 相似條件

模型需滿足水流運動相似、泥沙運動相似。

1．2．1 水流運動相似

1．2．2 泥沙運動相似

泥沙起動相似:λv0=λv

輸沙率相似:λp=λp*

式中:λL，λH，λv，λn，λt1，λv0，λp和 λp*分別代表模型平面比尺、垂直比尺、流速比尺、糙率比尺、水流運動時間比尺、泥沙起動流速比尺、推移質(zhì)輸沙率比尺、推移質(zhì)泥沙的輸沙能力比尺。

1．3 模型比尺

在橋墩局部沖刷過程中，垂線的流速分布及水流結(jié)構(gòu)變化對沙粒的起動、沉降有較大影響，為滿足水流、泥沙運動相似和橋墩局部沖刷相似，原則上應(yīng)采用大比尺的正態(tài)模型。根據(jù)場地、設(shè)備、供水流量、量測精度以及試驗?zāi)M的橋墩尺寸，確定群樁模型平面比尺100，模型比尺見表1。

1．4 模型控制

本模型采用的HMMC水力物理模型計算機測控系統(tǒng)為先進的多臺水泵變頻調(diào)速閉環(huán)水位控制系統(tǒng)，尤其適用于以潮流為主的潮汐生成與控制。地形測量采用直讀式地形測量儀和測針結(jié)合進行，為反映沖坑形態(tài)，每組試驗采用數(shù)碼照相作為輔助手段。

沖刷試驗時間控制:在調(diào)整好流量和水位以后到?jīng)_刷達到平衡時為止，單向流一般持續(xù)沖刷2 h，往復(fù)流沖刷間隔不等(模型沖刷最長時間為23 h)，直至沖刷坑最大深度不發(fā)生變化、局部沖刷達到平衡、周邊形態(tài)基本定型為止。

表1 模型比尺Table 1 Scale effect of model

1．5 模型沙的選擇

泥沙起動流速采用以下公式計算［7］。張瑞瑾的起動流速公式為:

竇國仁泥沙起動流速計算公式為:

式中:m為泥沙起動的狀態(tài)(個別動為0．265，少量動為0．320，大量動為0．408);ks為河床粗糙度，對于平整床面，當D≤0．5 mm，ks=0．5 mm;當D ＞0．5 mm時，ks=D50;根據(jù)交叉石英絲試驗(δ=0．213 ×104cm;εk為黏結(jié)力系數(shù)，可取為 2．56 cm3/s2。)

圖1 試驗裝置Fig．1 Model arrangement and control test device

塑料模型沙起動流速公式為:

煤粉起動流速公式:

珠江流域泥沙平均粒徑為0．5 mm，按照粒徑分組，珠江流域全河段砂(2～0．063 mm)含量的平均值為47．68%，粉砂(0．063～0．004 mm)含量的平均值為34．03%，黏土(＜0．004 mm)含量的平均值為0．73%。由竇國仁公式計算得到，在8～18 m水深下，中值粒徑為0．5 mm的床沙的起動流速為0．47～0．63 m/s。

長江口河口段床沙中值粒徑總體上自上游至下游逐漸變細，據(jù)吳淞口附近床沙分析，以0．10～0．25 mm粒徑的顆粒最為普遍。

杭州灣泥沙主要來源于長江口，該河段河床質(zhì)較為均勻一致，其平均中值粒徑約0．049 mm，根據(jù)張瑞瑾公式計算，其起動流速為0．96～1．54 m/s。

由于懸移質(zhì)對橋墩極限沖刷坑影響很小，動床模型只考慮推移質(zhì)和床沙。動床試驗段長10 m，鋪沙厚度0．30 m。試驗選用3種規(guī)格的模型沙參數(shù)見表2。

表2 模型沙參數(shù)Table 2 Model sand parameters

1．6 橋墩結(jié)構(gòu)型式

試驗群樁以某大橋為例，墩型布置及尺寸見圖2。

1．7 試驗水流條件

根據(jù)珠江、長江及杭州灣3個不同區(qū)域的水流特性，根據(jù)潮差、流速、歷時，結(jié)合試驗組次的限制，采用3種概化的潮位及流速過程，水流要素見表3。分別取各流速過程中的漲落急流速及對應(yīng)的水深作為單向恒定流試驗的邊界控制條件。對于承臺加樁群的墩型，試驗中使樁群上部的承臺始終處于水流的作用過程中。

圖2 承臺+樁群基礎(chǔ)布置圖(單位:cm)Fig．2 Pile cap and pile group foundation layout drawing

表3 潮汐水流參數(shù)Table 3 Tidal current parameters

2 局部沖刷發(fā)展過程及沖坑形態(tài)

對于群樁來說，在潮汐水流的作用下，沖刷初期，上游面在有正對來流時沖刷，在反向流的作用下則會有不同程度的淤積，故極大沖刷深度在上、下游面交替出現(xiàn);隨著沖刷的發(fā)展，沖刷深度逐漸增加，而回淤的幅度逐漸減小，沖刷深度持續(xù)增加，直至極限狀態(tài)，群樁局部沖刷發(fā)展過程見圖3。由圖3可見:落潮歷時增加后，群樁局部沖刷發(fā)展過程趨近于單向流。

從沖坑剖面形態(tài)上看，由于承臺群樁的消能作用，漲、落潮水流流至承臺中部能量消散較快而產(chǎn)生泥沙堆積，導(dǎo)致承臺下群樁間形成首尾兩端深、中間淺的馬鞍形沖刷坑，見圖4，與恒定流形成的迎水面深、背水面淺的勺狀形態(tài)明顯不同;從沖坑平面形態(tài)上看，群樁上下游端均形成沖深明顯區(qū);群樁中部沖刷受阻有部分泥沙淤積;群樁兩側(cè)區(qū)域無論漲潮還是落潮都是處于沖刷的狀態(tài)，所以，該區(qū)域沖刷深度持續(xù)增大，順漲、落潮流方向形成沖刷坑;群樁上、下游均形成與群樁等寬的綿長的淺淤(沖)區(qū)。潮流作用下群樁局部沖刷形態(tài)見圖5。

圖3 恒定流及潮流作用群樁局部沖刷發(fā)展過程(水流條件2，2號模型沙)Fig．3 Formation of local scouring under tidal flow and steady flow(flow condition2，2#model sand)

圖4 潮流作用群樁局部沖刷典型剖面形態(tài)(水流條件2，2號模型沙)Fig．4 Typical section of local scouring under tidal flow(flow condition2，2#model sand)

圖5a 水流條件1下1號模型沙局部沖刷形態(tài)Fig．5a Local scouring form(flow condition1，1#model sand)

圖5b 水流條件2下2號模型沙局部沖刷形態(tài)Fig．5b Local scouring form(flow condition2，2#model sand)

在不同試驗條件下，群樁局部沖刷深度見表4，潮流作用下與徑流作用下最大沖刷深度的比值為0．97～1．00。

表4 群樁局部沖刷深度對比Table 4 Comparison of local scouring depth under different flow condition

3 潮流作用下橋墩局部沖刷發(fā)展過程及機理分析

通過對單向流和潮流作用下群樁局部沖刷過程的試驗結(jié)果，可以明確潮流作用下橋墩局部沖刷機理和沖刷過程的特點如下。

3．1 最大沖深

在潮流作用下橋墩局部沖刷最大深度取決于漲落急的最強動力條件，在潮流最大流速與單向恒定流平均流速相等時，兩者取得基本一致的局部沖刷最大深度。

橋墩局部沖刷深度階段變化見表5，試驗測得橋墩迎水端第1個落潮(漲潮)周期后沖深值與最終深度的比值，上游端為90．58%～92．81%，下游端為80．70%～90．53%，表明沖深速率在初始沖刷階段較大，沖坑深度主要在初始沖刷階段形成。

對于下游墩的沖刷坑，漲潮期間，流速漸急，但水深亦漸深，河底泥沙不易起動，沖刷速率低，下游側(cè)沖刷坑發(fā)展較慢;漲急之后，流速逐漸減小，水深也持續(xù)增大，至高平潮沖刷深度都無明顯變化。故墩下游端局部沖刷坑發(fā)展較慢，第1個張潮流周期后，沖深較上游端小;上游沖坑基本穩(wěn)定時，下游沖刷深度較淺。

表5 橋墩局部沖刷深度階段變化(2號模型沙)Table 5 Local scouring depth’stage change of bridge piers(2#model sand)

3．2 沖刷過程

沖刷過程取決于有效輸沙量，潮汐水流僅在某一短暫時段流速達到極大值，大部分時間接近或小于該值，加上漲落潮若干時段內(nèi)水流相互頂托、憩、轉(zhuǎn)流等因素影響，使得床面泥沙處于起動、輸移的有效時間大大短于恒定流試驗時間。由于潮流過程中的有效沖刷流速和有效沖刷時間的減小，有效輸沙量就大幅度減小，沖刷達到平衡需要更長的時間。

3．3 沖坑形態(tài)特征

橋墩受漲、落潮雙向水流的作用，沖刷坑形態(tài)可概化為單向流造成的局部沖淤形態(tài)以橋軸線鏡像的結(jié)果，鏡像時地形變化輪廓取外包線，地形變化幅度取大值且沖深優(yōu)于淤積、淤積優(yōu)于不沖不淤。隨著潮汐水流條件的變化，沖刷最深點位置變化不大，兩側(cè)沖刷溝及長條形的小丘形淤積隨著漲、落潮勢力的差異而有所不同。

4 結(jié)論

(1)潮流作用下橋墩周邊局部沖刷過程均取決于沖刷坑內(nèi)輸沙量的變化，由于潮流過程中有效作用流速和有效作用時間的減小，導(dǎo)致有效輸沙量大幅度減小，從而使潮流作用下總體沖刷過程延長。

(2)在局部沖刷形態(tài)上沖刷坑形態(tài)是單向流造成的局部沖淤形態(tài)以橋軸線鏡像的結(jié)果。

(3)潮流作用下橋墩周邊局部沖刷最大深度取決于漲落潮最大流速，在潮流最大流速與恒定流平均流速相等時，兩者將取得基本一致的局部沖刷最大深度。

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