臺州灣大橋橋墩處局部沖刷試驗(yàn)研究

贠鵬， 陳剛

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

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臺州灣大橋橋墩處局部沖刷試驗(yàn)研究

贠鵬， 陳剛

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

臺州灣大橋位于椒江河口，橋墩結(jié)構(gòu)及河口水域水動力條件復(fù)雜。為科學(xué)預(yù)測橋墩周圍沖刷坑范圍、形態(tài)和最大局部沖刷深度，開展了設(shè)計(jì)洪水、設(shè)計(jì)潮水條件下橋墩處局部沖刷水槽物理模型試驗(yàn)研究。通過沖刷公式估算和類似實(shí)測資料分析驗(yàn)證表明，試驗(yàn)中預(yù)測的橋墩處的沖刷坑范圍和深度合理。此結(jié)果可為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

臺州灣大橋；橋墩；物理模型；局部沖刷；最大局部沖刷深度

隨著城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快及區(qū)域經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長，甬—臺—溫高速公路交通擁堵加劇，服務(wù)水平下降。為緩解該高速公路的交通壓力，迫切需要建設(shè)其復(fù)線。

1 工程概況

該高速公路復(fù)線工程中的臺州灣大橋位于椒江河口，如圖1所示。該處為山溪性強(qiáng)潮河口，水動力條件復(fù)雜，河床底質(zhì)易沖刷[1]。大橋橋型方案為雙塔整幅疊合梁斜拉橋[2]，橋型布置如圖2所示。

圖1 大橋位置示意圖

圖2 臺州灣大橋橋型布置圖(除高程單位以m計(jì)外，其余尺寸均以cm計(jì))

臺州灣大橋橋墩為整體式承臺，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用大比尺正態(tài)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行橋墩處沖刷研究是解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋墩沖刷問題的有效手段[3]。文中針對主墩(Z3、Z4)和輔助墩(Z1、Z2、Z5、Z6)進(jìn)行研究。主墩和輔助墩橋型均采用上部墩身+承臺+樁基結(jié)構(gòu)，主墩采用啞鈴型承臺結(jié)構(gòu)，如圖3所示，輔助墩采用整體式承臺結(jié)構(gòu)，各橋墩結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖3 主墩結(jié)構(gòu)圖

表1 橋墩結(jié)構(gòu)尺寸

2 水域條件

椒江是浙江省第三大水系，發(fā)源于仙居縣與縉云縣交界的天堂尖，經(jīng)仙居縣、臨海市至三江口與永寧江匯流后出牛頭頸，入臺州灣，主流全長209.0 km，流域面積6 603 km2。

2.1 潮汐

椒江河口潮型為不規(guī)則半日潮，潮汐1 d內(nèi)2漲、2落，較為規(guī)則，但日不等現(xiàn)象較為明顯，落潮歷時比漲潮歷時長1 h左右[4]。橋址處實(shí)測最大潮差為6.75 m。

2.2 潮流

橋區(qū)河段為徑、潮流共同作用較強(qiáng)的河段，漲、落潮流速均較大，根據(jù)實(shí)測資料，大潮實(shí)測最大流速大于中潮的最大流速，中潮的最大流速大于小潮的最大流速，垂向上測得各站流速隨水深的增加而減小，但漲、落潮流強(qiáng)度因各站所處位置不同而有一定的差別。

2.3 泥沙

椒江口外橋位及其附近海域的泥沙在大小潮期主要向口外輸運(yùn)，在中潮期時主要向口內(nèi)輸運(yùn)，且均有向南北兩岸邊灘輸沙的趨勢，這與口外海濱兩側(cè)出現(xiàn)邊灘緩慢淤漲、河口向外延伸的現(xiàn)象一致。臺州灣海域淤積泥沙主要來源于長江入海泥沙，該泥沙隨水流輸移于此海域，椒江河道徑流輸沙僅占很小部分[5]。

2.4 工程地質(zhì)

椒江河口處于海積平原區(qū)，50 m深度以內(nèi)存在淤泥、粉質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)砂土、淤泥質(zhì)黏土等土層[6]。

3 水槽模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 模型設(shè)計(jì)

研究區(qū)橋墩處局部沖刷深度的水槽模型需按正態(tài)物理模型設(shè)計(jì)，試驗(yàn)在長40.0 m、寬3.7 m水槽中進(jìn)行，確定模型幾何比尺為80。模型布置及邊界條件如圖4所示。

為使模型能較好地模擬原型水流運(yùn)動，模型水流必須滿足重力相似、水流連續(xù)相似條件，取模型流速比尺和水流時間比尺為8.94。椒江河口潮流為往復(fù)流，模型按雙向非恒定流設(shè)計(jì)。

圖4 水槽平面布置圖

為使模型能較好地模擬原型泥沙運(yùn)動，模型必須滿足泥沙起動相似及水下休止角相似這兩個條件[7]。該工程河段泥沙為黏性沙，經(jīng)計(jì)算得到的泥沙起動流速為1.47～2.06 m/s(水深8～18 m)。經(jīng)過比選，選取中值粒徑的木粉作為模型沙，其起動流速為0.16～0.23 m/s，起動流速比尺為8.5～9.7，與理論計(jì)算值8.94相近，該模型水下休止角與原型沙水下休止角基本一致，能較好地模擬該橋橋墩處的沖刷情況。

模型兩端為控制邊界，采用水泵群變頻調(diào)速控制生潮系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2臺總線工控機(jī)利用積分分離的PID算法，按要求的邊界潮汐過程線控制12套變頻器，通過12臺水泵向模型提供潮汐水流，該過程為一閉環(huán)控制回路。

3.2 模型試驗(yàn)條件

該水槽模型局部沖刷試驗(yàn)主要研究設(shè)計(jì)洪水和潮水條件下橋墩處的最大局部沖刷深度及沖刷坑的大致形態(tài)。椒江河口水域?yàn)閺搅鳌⒊绷鞴餐饔脜^(qū)域，局部沖刷試驗(yàn)在300年一遇洪水、潮水條件下進(jìn)行，如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)水流條件

3.2.1 設(shè)計(jì)洪水

設(shè)計(jì)洪水采用300年一遇洪水(上游流量17 930 m3/s)，并結(jié)合流速最大時刻的水位條件。當(dāng)遭遇300 年一遇洪峰時，橋位斷面主墩通航孔中心位置的流速相對較大，為2.41 m/s?？紤]到該工程附近不利沖刷情況及試驗(yàn)便利，水槽試驗(yàn)中的沖刷洪水采用恒定流，流速采用洪峰最大流速，水位采用流速最大時刻的對應(yīng)水位。椒江流域洪水一般由暴雨、臺風(fēng)造成，時間按原型2 d施放。

3.2.2 設(shè)計(jì)潮水

設(shè)計(jì)潮水采用外海設(shè)計(jì)大潮。推算橋址處300年一遇高潮水位為6.60 m，低潮水位為-3.18 m，水位差為7.43 m，最大漲潮流速為1.73 m/s，落潮流速為2.64 m/s。設(shè)計(jì)潮位工況下的沖刷試驗(yàn)水流采用非恒定流(雙向流)，潮型選用外海實(shí)測大潮進(jìn)行縮放，落潮最大流速放大至2.64 m/s。時間按原型3 d施放。

3.2.3 河床起沖高程

椒江河口徑、潮流動力條件復(fù)雜，河床沖淤變幅大,圖6為橋址斷面河床沖淤變化情況。從圖6中可以看出，2011年地形是近年來最低地形。選取橋址所在斷面歷年河床的下包絡(luò)線作為試驗(yàn)的起沖高程，利用不利水流條件進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。河床斷面起沖高程選取斷面最低點(diǎn)-6.3 m。

圖6 橋址斷面水深變化情況(理論最低潮面)

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 沖刷坑深度與形態(tài)

橋墩布設(shè)后，受橋墩承臺及樁群阻水影響，橋墩區(qū)域上下游流速減緩，兩側(cè)形成繞流且流速增大。由于承臺底部樁群阻水，來流受阻后部分轉(zhuǎn)向河底，產(chǎn)生下潛水流，并在近河床處形成一橫軸反向漩流。該漩流和來自上游底部的縱向水流集中結(jié)合在一起，形成繞樁且靠近河底向下游流去的馬蹄形漩渦[8]。在馬蹄形漩渦作用下，樁周圍河床上的泥沙被沖起帶向背流側(cè)。受橋墩樁群影響，承臺下的區(qū)域水流流速大、紊動強(qiáng)，沖刷深度也最大。沖刷坑深度見表2，主墩附近河床面貌如圖7—8所示。

由表2的試驗(yàn)結(jié)果知，洪水、潮水條件下主墩處的最大沖刷深度分別為15.5、16.4 m，輔助墩處的最大沖刷深度分別為10.0、10.3 m。橋墩處的最大沖刷深度均出現(xiàn)在設(shè)計(jì)潮水條件下，所以局部沖刷深度可由潮水方案控制。

圖7 主墩沖刷試驗(yàn)(0.33%洪水條件)

圖8 主墩沖刷試驗(yàn)(設(shè)計(jì)潮水條件)

當(dāng)沖刷開始時，由于受到樁基周圍水流和漩渦的作用，樁基下泥沙被水流沖刷挾帶，在樁基前端逐漸形成很小的沖刷坑。隨著沖刷的繼續(xù)進(jìn)行，沖刷坑的前后范圍增大，沖刷坑的深度逐漸增加，并向樁基兩側(cè)延伸。由于泥沙之間的相互阻礙作用，隨著沖刷時間的增加，從沖刷坑內(nèi)沖走的泥沙越來越少，沖刷坑深度增加的速度逐漸放緩并趨于動態(tài)平衡。受橋墩承臺及樁群阻水的影響，樁基周圍沖刷坑最終呈現(xiàn)為兩側(cè)區(qū)域高程較低、上下游區(qū)域高程略高的形態(tài)。主墩和輔助墩兩側(cè)沖刷坑影響范圍尺寸約是橋墩寬度的3～4倍。

洪水沖刷后，橋墩主墩兩側(cè)的沖刷槽向下游延伸，橋墩處只有在下游側(cè)出現(xiàn)帶狀淤積丘，承臺底部區(qū)域的淤積明顯較周邊的深。最大沖刷深度出現(xiàn)在承臺底部偏上游處，承臺中心線上游的樁基沖刷深度和沖刷范圍明顯大于下游的，最大沖刷深度相差4.6 m(模型試驗(yàn)結(jié)果實(shí)測值)。潮流沖刷后，由于落潮流流速大于漲潮流流速，橋墩兩側(cè)的沖刷槽向下游延伸的長度較向上游延伸的長度長，橋墩上下游存在略高于周邊床面的長條淤積丘，承臺底部樁群區(qū)域河床較周邊河床沖蝕明顯。最大沖刷深度出現(xiàn)在橋墩中心偏上游側(cè)，如圖9所示。

輔助墩處的沖刷坑形態(tài)與主墩處的相似。由于阻水面積較主墩的小，在相同流速條件下，輔助墩床面上的沖刷影響范圍和局部沖刷深度明顯較主墩處的小，如圖10所示。主墩處在設(shè)計(jì)洪水、設(shè)計(jì)潮水條件下的最終沖刷坑縱剖面如圖11所示。

圖9 主墩沖刷坑形態(tài)圖

圖10 輔助墩沖刷坑形態(tài)

圖11 主墩處0.33%洪水、潮水條件下沖刷后的縱剖面示意(單位：cm)

由圖11可見，啞鈴型橋墩(主墩)在洪水作用下，位于橋墩中心線兩側(cè)的樁基存在明顯的沖淤界限，橋墩中心線上游側(cè)樁基沖刷較深，水流在繞過上游側(cè)承臺與樁基后，啞鈴型橫梁段給了泥沙一定的時間和空間落淤，導(dǎo)致橋墩中心線下游側(cè)樁基相對沖刷較輕；潮水條件下，往復(fù)流造成橋墩中心線兩側(cè)的沖淤情況相對均衡。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 實(shí)測資料分析

錢塘江彭埠大橋于1993年6月25日遭遇12 000 m3/s洪水，洪水過后測量得北5#墩處沖刷深度為11.2 m[9]。臺州灣大橋洪水條件下主墩處的沖刷深度為15.5 m，與彭埠大橋主墩處的沖刷深度相比，兩者在洪水條件下的沖刷深度相近，但臺州灣大橋橋墩的阻水寬度較大，橋墩處水流流速略大，考慮到彭埠大橋由于回淤而未測到?jīng)_刷坑最深點(diǎn)等原因，臺州灣大橋主墩處的洪水沖刷深度15.5 m基本合理。

4.2.2 公式估算

根據(jù)地質(zhì)資料，臺州灣大橋橋址處可沖刷土層主要為淤泥及黏土質(zhì)粉沙，采用相關(guān)規(guī)范[10]中的黏性土局部沖刷深度計(jì)算公式估算該橋墩處的局部沖刷深度：

(2)

式中：hb為局部沖刷深度，m；Kξ為墩形系數(shù)；B為計(jì)算寬度，m；h為最大水深，m；IL為黏性土液性指數(shù)；v為一般沖刷后墩前流速，m/s。

由式(1)和式(2)的估算結(jié)果知，主墩處局部沖刷深度估算值為14.8 m，輔助墩處局部沖刷深度估算值為9.1 m，與試驗(yàn)值較為接近，說明試驗(yàn)結(jié)果相對可靠。

5 結(jié)語

模型試驗(yàn)按正態(tài)、雙向非恒定流設(shè)計(jì)，幾何比尺為80，選擇木粉作為模型沙，水流條件選用0.33%洪水、0.33%潮水，起沖高程選用歷年實(shí)測地形下包絡(luò)線。

試驗(yàn)結(jié)果表明，沖刷初期臺州灣大橋橋墩附近河床快速下切形成沖刷坑，隨后沖刷力度迅速減小并漸趨穩(wěn)定，最終呈現(xiàn)出橋墩兩側(cè)區(qū)域高程較低，尾水區(qū)域?yàn)榭v向條帶并有淤積丘的馬蹄形沖刷坑。設(shè)計(jì)潮水條件下的最大沖刷深度大于設(shè)計(jì)洪水條件下的最大沖刷深度，主墩處的最大沖刷深度為16.4 m，輔助墩處的最大沖刷深度為10.3 m。主墩與輔助墩處的沖刷坑形態(tài)相似，兩側(cè)沖刷坑影響范圍約是橋墩寬度的3～4倍。啞鈴型橋墩在洪水作用下，橋墩兩側(cè)樁基存在明顯的沖淤界限，橋墩上游樁基處沖刷更深，下游樁基處沖刷相對較輕；潮水條件下，往復(fù)流造成橋墩兩側(cè)的沖淤情況相對均衡。

通過對已建橋梁橋墩處沖刷情況的類比分析和公式估算校核可知，該試驗(yàn)成果相對可靠，可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行安全提供技術(shù)支撐。

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(責(zé)任編輯：杜明俠)

Experimental Research on the Local Scour around the Piers of Taizhouwan Bridge

YUN Peng， CHEN Gang

(Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China)

Taizhouwan Bridge locates at the entrance of Jiaojiang River, the structure of the bridge′s piers and the hydrodynamic conditions of estuarine waters are complex. In order to scientifically predict the area, shape and maximum local scour depth of the scour holes around the piers, the physical model experiment of local scour flumes around the piers was carried under the conditions of design flood and spring tide. By the estimation from the scour formulas and the analysis for the measured data, the results show that the depth and area of scour holes predicted in the experiment are reasonable, which will provide a basis for engineering design and operation security.

Taizhouwan Bridge; bridge′s pier; physical model; local scour; the maximum local scour depth

2016-11-09

浙江省水利科技計(jì)劃項(xiàng)目(RC1515)。

贠鵬(1987—)，男，山東泰安人，工程師，碩士，從事河口海岸方面的研究。E-mail：yunpenghd@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.014

TV83

A

1002-5634(2017)03-0087-06