跨海鐵路橋梁深水基礎(chǔ)沖刷數(shù)值模擬

陳經(jīng)偉

中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 上海 200070

1 工程概況

新建頭門港鐵路支線二期工程位于浙江省臺州市臨海市，起自頭門港站，向東延伸進(jìn)入臺州灣，經(jīng)大竹山島，止于頭門島。起止里程為DK44 + 526.66—DK56 + 685.59。鐵路正線為Ⅲ級單線，鋪設(shè)有砟軌道，設(shè)計采用ZKH活載。設(shè)計行車速度為80 km/h。跨海鐵路頭門港大橋全長12 158.93 m。

根據(jù)2008年全年觀測數(shù)據(jù)，設(shè)計高水位取高潮累積頻率10%的潮位，設(shè)計低水位取低潮累積頻率90%的潮位，計算得出設(shè)計高水位為2.83 m，設(shè)計低水位為-2.37 m。橋址區(qū)百年一遇水位為5.63 m，五十年一遇水位為5.31 m。

橋址區(qū)頭門島海域漲落潮時差達(dá)2 h以上。最高潮差達(dá)4 m［1］。大潮漲潮、落潮最大垂線上水流平均流速分別為0.54、0.63 m/s；小潮漲潮、落潮最大垂線上水流平均流速均為0.35 m/s［2］。該海域波高較大，由岸向島波浪總體上呈逐漸增大趨勢。按五十年一遇風(fēng)速和百年一遇水位進(jìn)行計算，橋址區(qū)有效波高在2.2 ～ 3.9 m。

頭門港鐵路支線二期工程位于漲落潮潮差明顯海域，地層以黏土和夾砂粉質(zhì)黏土為主。其中跨海鐵路橋梁深水基礎(chǔ)尺寸較大，受水深、流向、流速、橋墩或基礎(chǔ)的形狀、泥沙特性等諸多因素影響，沖刷機(jī)理復(fù)雜。設(shè)計時須要考慮風(fēng)、浪及其聯(lián)合作用對基礎(chǔ)的沖刷問題。沖刷深度會直接影響橋墩基礎(chǔ)的剛度，進(jìn)一步影響鐵路運(yùn)營的安全性和舒適性。

2 局部沖刷計算

2.1 測點(diǎn)布置及橋墩選擇

在工程所在海域選取6個代表性測點(diǎn)，測點(diǎn)位置見圖1。百年一遇水位和五十年一遇水位下各代表性測點(diǎn)處水深見表1。

表1 各測點(diǎn)水深

圖1 代表性測點(diǎn)位置

根據(jù)跨海鐵路頭門港大橋300個橋墩的尺寸及排列方式，選取測點(diǎn)W1—測點(diǎn)W6附近的7個典型橋墩，進(jìn)行沖刷分析。

①W1附近的38#橋墩承臺尺寸為6 m（順橋向） ×6 m（橫橋向），樁基礎(chǔ)為5根直徑1.25 m樁。

②W2附近的110#橋墩、W3附近的159#橋墩承臺尺寸均為6.3 m（順橋向） × 9.3 m（橫橋向），樁基礎(chǔ)均為5根直徑1.25 m樁。

③W4附近的190#橋墩、W5附近的210#橋墩承臺尺寸均為8.0 m（順橋向） × 13.0 m（橫橋向），樁基礎(chǔ)均為6根直徑2.20 m樁。

④W5附近的214#橋墩（主橋）承臺尺寸為23.5 m（順橋向） × 23.5 m（橫橋向），樁基礎(chǔ)均為25根直徑2.20 m樁。

⑤W6附近的245#橋墩承臺尺寸為11.0 m（順橋向） × 15.0 m（橫橋向），樁基礎(chǔ)為8根直徑2.2 m樁。

2.2 沖刷深度和沖刷面積計算

韓海騫收集了潮流作用下杭州灣大橋、金塘大橋和沽渚大橋的實(shí)測沖刷數(shù)據(jù)，結(jié)合60多組水槽試驗結(jié)果計算了橋墩的最大沖刷深度，并采用因次分析法，推導(dǎo)出潮流作用下橋墩局部沖刷深度公式［3］。即

式中：dse為橋墩局部沖刷深度；kx、ky為基礎(chǔ)樁順橋向、橫橋向布置系數(shù)；D為最大水深條件下按水深加權(quán)的阻水寬度；u為最大流速；h為最大行進(jìn)水深；d50為河床泥沙的平均中值粒徑。

根據(jù)馬蹄形渦流能量與沖刷坑內(nèi)泥沙外移所需能量的平衡關(guān)系，孫志林推導(dǎo)了橋墩周圍局部沖刷深度公式［4］［式（2）］，并采用杭州灣跨海大橋的實(shí)測橋墩局部沖刷深度數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)［5］的室內(nèi)試驗結(jié)果，對公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證。

式中：H為水深；ks為墩形系數(shù)；f(B0/D)為受橋墩影響的阻水寬度；ρs、ρw分別為泥沙、水流的密度；?為泥沙水下休止角；P為泥沙孔隙度；Fr為水流的弗勞德數(shù)。

采用美國HEC-18公式［6］計算沖刷深度時，綜合考慮樁基、承臺、墩身對橋墩局部沖刷深度的貢獻(xiàn)值，最后進(jìn)行疊加，即

式中：K1為橋墩形狀系數(shù)；K2為橋墩水流夾角系數(shù)；K3為河床床面系數(shù)。

JTG C30—2015《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》中黏性土河床橋墩局部沖刷深度計算公式為

式中：B為橋墩或承臺的寬度；IL為沖刷坑范圍內(nèi)黏性土液性指數(shù)；v為一般沖刷后墩前行進(jìn)流速；hP為橋下一般沖刷后最大水深。

為研究不同沖刷深度計算公式的差異，采用孫志林公式、韓海騫公式、美國HEC-18公式和JTG C30—2015中推薦的橋墩局部沖刷深度計算公式，考慮工程所在海域水流速度、泥沙粒徑和橋墩寬度對于局部沖刷的影響，結(jié)合橋墩周圍最大流速和對應(yīng)水深對橋墩局部沖刷深度進(jìn)行計算。結(jié)果見表2。

表2 百年一遇水位下橋墩周圍局部沖刷深度

由表2可知：不管承臺順橋向尺寸如何變化，總體上孫志林公式和HEC-18公式計算的局部沖刷深度偏大，韓海騫公式計算值最小。因此，橋梁設(shè)計時宜采用規(guī)范公式計算局部沖刷深度。

Das等［7］進(jìn)行了局部沖刷試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)出沖刷坑范圍計算公式，即

式中：A為沖刷坑面積。

采用Das沖刷坑范圍公式計算百年一遇水位時各橋墩處沖刷坑面積，結(jié)果見表3?？芍嚎傮w上順橋向承臺尺寸越大沖刷坑面積越大，214#橋墩處沖刷坑面積比其他測點(diǎn)處都大。

表3 百年一遇水位時各橋墩處沖刷坑面積

3 潮汐水流沖淤計算

工程所在海域的潮汐水流主要為正規(guī)半日潮，總體為往復(fù)流。由于泥沙運(yùn)動的復(fù)雜性，其運(yùn)移機(jī)理尚不清楚，本文采用半經(jīng)驗半理論的沖淤計算公式［8］，計算沖淤平衡后水深變化量（ΔH最終）。計算式為

式中：h1、h2分別為橋梁建成前后水深；V2、V2分別為橋梁建成前后垂線上水流平均流速。

橋梁建成后橋址區(qū)北洋涂向南彎折區(qū)水深下降了0.5 ～ 0.7 m，疏港公路北側(cè)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，頭門島附近水深下降了0.6 ～ 0.8 m。

4 局部沖刷數(shù)值模擬

跨海鐵路頭門港大橋橋墩之間的沖刷為一般沖刷。根據(jù)JTG C30—2015中8.3節(jié)一般沖刷公式計算可得，頭門港跨海大橋一般沖刷深度為3 ～ 5 cm。

4.1 建立模型

為了研究數(shù)值模擬方法用于局部沖刷分析的可行性，建立二維流場數(shù)值模型。因一般沖刷深度僅3 ～ 5 cm，分析局部沖刷時可不考慮一般沖刷的影響。

選取測點(diǎn)W3—測點(diǎn)W6附近四類橋墩（159#、190#、214#和245#）進(jìn)行計算。水流入口設(shè)定流速邊界，水流出口設(shè)定水位邊界，兩側(cè)為固定邊界，泥沙運(yùn)移邊界條件設(shè)置為0，即泥沙不運(yùn)移。

初始水位設(shè)置為0，水中含沙量設(shè)置為0。時間步長取0.001 s，結(jié)果輸出時間間隔為30 s。

4.2 計算結(jié)果分析

1）橋墩處水流速度

各測點(diǎn)附近橋墩處水流速度（v′）對比見圖2?？芍?159#、190#、214#（主橋）、245#橋墩墩前水流速度分別為2.88、2.75、2.69、2.46 m/s，橋墩承臺兩側(cè)最大繞流速度分別達(dá)到4.20、3.45、4.35、3.79 m/s。由于橋墩和承臺阻水作用，水流達(dá)到承臺正前方時流速減小；與墩前水流速度相比，承臺兩側(cè)繞流的流速明顯增大，并在承臺后方形成一對漩渦。

圖2 各測點(diǎn)附近橋墩處水流速度對比

2）橋墩處沖刷深度

159#、190#、214#（主橋）、245#橋墩處最大沖刷深度分別為5.90、7.19、8.67、7.07 m。

將數(shù)值分析所得局部沖刷深度與前文理論公式計算的沖刷深度進(jìn)行對比，見表4?？芍撼信_順橋向尺寸在8 ～ 11 m時，與孫志林公式計算值相比，數(shù)值模擬值和規(guī)范公式計算值更接近。這說明數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的參考性，可用于局部沖刷分析。

表4 局部沖刷深度對比

5 結(jié)論

對跨海鐵路頭門港大橋7個典型橋墩局部沖刷深度、沖刷坑面積及建橋前后水深變化量進(jìn)行了理論計算和數(shù)值模擬。主要結(jié)論如下：

1）不管承臺順橋向尺寸如何變化，孫志林公式和HEC-18公式計算值偏大，韓海騫公式計算的沖刷深度最小。橋梁設(shè)計時宜采用規(guī)范公式計算沖刷深度。

2）總體上承臺順橋向尺寸越大，沖刷坑面積越大。

3）跨海鐵路頭門港大橋橋墩間為一般沖刷，沖刷深度在3 ～ 5 cm，故分析該橋址處局部沖刷時可不考慮一般沖刷的影響。

4）承臺順橋向尺寸在8 ～ 11 m時，與孫志林公式計算值相比，數(shù)值模擬的橋墩局部沖刷深度與規(guī)范計算值更相近，可采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行橋墩局部沖刷分析。