長江口沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式的改進(jìn)

王冬梅，程和琴，李茂田，周豐年，吳敬文，楊忠勇

(1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062;2.長江水利委員會(huì)水文局長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

長江口沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式的改進(jìn)

王冬梅1，程和琴1，李茂田1，周豐年2，吳敬文2，楊忠勇1

(1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062;2.長江水利委員會(huì)水文局長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

利用多波束水深儀、淺地層剖面儀和多普勒流速儀對長江口蘇通大橋南、北主墩區(qū)域現(xiàn)場測量，結(jié)果顯示主墩周圍最大沖刷深度為8.3 m和19.6 m。建墩前后河床形態(tài)變化顯著，建墩后橋墩所在床面由平床改變?yōu)榈湫筒粚ΨQ沙波發(fā)育，平均波長為30.8 m和23.1 m，平均波高為4.2 m和9.4 m，陡坡朝向下游?；趯?shí)測水文條件和地形資料，以沙波起動(dòng)流速和落急最大流速分別取代單向流作用下“平床”假定的橋墩局部沖刷計(jì)算公式中單顆粒泥沙的起動(dòng)流速和墩前流速，獲得河口漲落潮雙向流作用下沙波底床橋墩局部沖刷計(jì)算公式。且該公式計(jì)算的蘇通大橋南、北主墩局部沖刷深度為9.5 m和22.1 m，非常接近實(shí)測值。

長江河口;局部沖刷深度;沙波起動(dòng)流速;墩前流速;蘇通大橋

流向橋墩的水流在受到墩身的阻攔時(shí)，其結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，水流的繞流使流線急劇彎曲，床面附近的漩渦劇烈淘刷橋墩迎水端和周圍的泥沙，這一現(xiàn)象稱為橋墩局部沖刷(local scour)［1-2］。橋墩局部沖刷常導(dǎo)致橋毀，美國聯(lián)邦公路局1973年曾報(bào)告72%的橋毀事故與橋墩局部沖刷有關(guān)［3］，新西蘭60%以上橋毀事故均因橋墩局部沖刷所致［4］，類似事件在我國也時(shí)有發(fā)生。

橋墩局部沖刷測量研究工作開展較多，但大多是對花費(fèi)巨大、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)范圍和試驗(yàn)精度有限的物理模型試驗(yàn)的補(bǔ)充和對比，而基于實(shí)測底床結(jié)果開展局部沖刷與河床形態(tài)之間關(guān)系的研究工作并不常見，事實(shí)上，近岸底形沙波運(yùn)動(dòng)，尤其是洪水期間的大型沙波運(yùn)動(dòng)對橋墩局部沖刷深度的影響顯著［5-7］。瓦登海現(xiàn)場多波束水深測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，沙波波長、波高和坡度與橋墩局部沖刷深度存在較為明顯的關(guān)聯(lián)，即沙波波谷處可能最接近局部沖刷深度之所在［8］。因此，有必要從實(shí)測底形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析入手，研究河床形態(tài)改變對局部沖刷深度的影響。

目前已有較多采用理論分析與實(shí)測資料相結(jié)合［9］，或理論分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合［10］的方式，獲得了非潮汐水道橋墩局部沖刷深度的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)半理論計(jì)算公式［11-16］。但迄今為止，尚無潮汐雙向流條件下的橋墩局部沖刷公式，雖然潮汐雙向流條件下的橋墩局部沖刷過程遠(yuǎn)比單向流復(fù)雜，但美國2000年制定的行業(yè)規(guī)范《潮汐河道沖刷》仍然認(rèn)為潮汐水道與單向河流有著同樣的沖刷機(jī)理，現(xiàn)行公式雖不能預(yù)測歷史演變過程，但能夠預(yù)測沖刷深度;且潮汐水道的水流條件雖然有所不同，但對水流條件進(jìn)行評價(jià)后認(rèn)為，非潮汐河流的相應(yīng)公式可以用來預(yù)測潮汐水道的局部沖刷［16］。

綜合利用多波束水深儀、淺地層剖面儀和多普勒流速儀對長江口蘇通大橋南、北主墩區(qū)域床面形態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場測量，結(jié)合實(shí)測地形、水文條件，將沙波起動(dòng)流速和落急最大流速分別取代非潮汐河流局部沖刷計(jì)算公式中單顆粒泥沙的起動(dòng)流速和墩前流速，以獲得更接近實(shí)測局部沖刷深度值的河口區(qū)局部沖刷深度計(jì)算改進(jìn)公式，從而為具有相似水流條件和泥沙特性河段估算局部沖刷深度提供借鑒。

1 研究區(qū)域及水文特性

1.1 研究區(qū)域

蘇通大橋(圖1(a))位于長江河口徐六涇節(jié)點(diǎn)段，連接南通和蘇州兩市，西距江陰長江公路大橋82 km，東距長江入?？?08 km，是我國建橋史上工程規(guī)模最大、綜合建設(shè)條件最復(fù)雜的特大型橋梁工程，其主墩基礎(chǔ)由131根長約120 m、直徑2.5 m至2.8 m的群樁組成，承臺長114 m、寬48 m，是在40 m水深以下厚達(dá)300 m的軟土地基上建起來的，是世界上規(guī)模最大、入土最深的群樁基礎(chǔ)。

圖1 南北主墩及蘇通大橋位置示意Fig.1 Location of the main piers and Sutong Bridge

1.2 徑流

距蘇通大橋橋位上游約480 km的大通水文站為長江下游干流徑流控制站，大通站多年平均流量為28 255 m3/s(1950～1997)，最大洪峰流量為92 600 m3/s(1954-08-01)，最小流量為4 620 m3/s(1979-01-31)。一年內(nèi)最大流量一般出現(xiàn)在7、8月份，最小流量一般出現(xiàn)在1、2月份。

1.3 潮汐

蘇通大橋所處河段位于中等強(qiáng)度潮汐的長江河口段，實(shí)測最大潮差為4.01 m，平均潮差為2.07 m，潮汐為非正規(guī)半日潮，日潮不等現(xiàn)象明顯。受徑流和河床阻力作用，潮波變形比較顯著，河段平均落潮歷時(shí)為漲潮歷時(shí)的2倍左右。

1.4 潮流

蘇通大橋橋位河段基本處于長江潮流界內(nèi)，長江潮流界隨徑流強(qiáng)弱和潮差大小等因素的變化而上溯下退。一般情況下，本河段主槽落潮流速大于漲潮流速，支汊和灘面上漲潮流速大于落潮流速。大潮時(shí)主槽和支汊漲落潮流速均大于小潮。

1.5 泥沙

本河段的泥沙主要由上游徑流挾帶而來。根據(jù)上游大通站資料統(tǒng)計(jì)橋位河段年平均輸沙率為15.0 t/s，年平均輸沙量為4.72×108t，年平均含沙量為0.53 kg/m3，洪季含沙量大于枯季。本河段河床質(zhì)泥沙較細(xì)，粒徑大小分布不均勻，主槽河床質(zhì)組成較粗，灘面泥沙較細(xì)，河床質(zhì)中值粒徑平均在0.12～0.16 mm之間，懸沙中值粒徑在0.005 ～0.01 mm 之間［17］。

2 現(xiàn)場測量和模擬方法

2.1 現(xiàn)場測量

2.1.1 底床形態(tài)現(xiàn)場測量

鑒于蘇通大橋主墩位處徐六涇水道，主槽居中偏靠南岸(圖1(b))，床面沖刷最為強(qiáng)烈也最為危險(xiǎn)［18］，主要研究南、北兩個(gè)主墩的局部沖刷。2003年8月和2004年12月間，在南北主墩區(qū)周邊110 m范圍內(nèi)布設(shè)測線，采用SeaBat8101多波束測深系統(tǒng)［19-20］獲取南北主墩周圍水深，沙波波長和波高采用Benthos ChirpⅡ聲學(xué)地層剖面系統(tǒng)［17］進(jìn)行同步走航作業(yè)測量獲得。儀器的定位均采用雙頻LEICA SR530型GPS，其動(dòng)態(tài)基線測量精度可達(dá)10 mm±1 ppm，并能實(shí)時(shí)控制點(diǎn)位質(zhì)量。在進(jìn)行差分定位時(shí)，保持船體平穩(wěn)行駛，使動(dòng)態(tài)定位始終處于RTK狀態(tài)，測量定位精度相對于基準(zhǔn)站的中誤差不超過5 cm。沙波波長是在實(shí)測GPS兩點(diǎn)間距離后，統(tǒng)計(jì)兩點(diǎn)間沙波的數(shù)量并計(jì)算獲得;沙波波高可直接由測深儀讀取，誤差不超過0.2 m。同時(shí)采用美國基康公司生產(chǎn)的GK4500S型振弦式水壓力傳感器，對蘇通大橋南、北主墩所在的河床床面高程進(jìn)行埋入式網(wǎng)格狀定點(diǎn)跟蹤觀測，獲得南北主墩局部沖刷深度。

2.1.2 橋墩水域流速現(xiàn)場測量

蘇通大橋河段位于長江口潮流界范圍內(nèi)，水流性質(zhì)呈往復(fù)流特性屬非恒定流，其中漲、落潮流均較為強(qiáng)勁，并以落潮流為主。采用RD—WorkHorse300聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)于2003年8月進(jìn)行大潮、中潮、小潮26 h南、北主墩水域流速的現(xiàn)場測量，測量期間大通站月徑流量為1 008×108m3(泥沙公報(bào)，2003)。該剖面儀利用聲學(xué)換能器發(fā)射的聲脈沖，與隨水流運(yùn)動(dòng)的懸浮物質(zhì)中產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行流速測量，能測量最多可達(dá)128層不同水層的三維流速和流向(即流速剖面)，以監(jiān)測流場的變化，工作頻率為300 kHz，測速精度為測量值的±0.5%。

2.2 模擬方法

2.2.1 物理模型試驗(yàn)

蘇通大橋具有世界規(guī)模最大、入土最深的橋梁樁基礎(chǔ)，無法用嚴(yán)格符合相似條件的正態(tài)模型幾何比尺進(jìn)行水槽試驗(yàn)，因此采用相似比尺、相似準(zhǔn)則的系列模型延伸法得到原型的局部沖刷深度［21］。基于蘇通大橋水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ途唧w參數(shù)如下［17，21］:正態(tài)恒定流水槽總長36 m，寬5 m，動(dòng)床段處于水槽中部(長10 m、寬5 m，鋪砂高度0.6 m)。正態(tài)潮流水槽總長40 m，動(dòng)床段處于水槽中部(長10 m、寬3.2 m，鋪砂高度0.4 m)，試驗(yàn)采用非原型天然沙作為模型沙，中值粒徑d50=0.22 mm，γ=2.65 t/m3。

2.2.2 平床時(shí)橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式

由于蘇通大橋所處徐六涇河段屬于潮汐河道，且潮汐水道的局部沖刷深度可通過非潮汐河流預(yù)測沖刷深度公式計(jì)算獲得，因此采用中國橋梁沖刷學(xué)會(huì)制定的《公路工程水文勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算橋墩局部沖刷公式65-1修正式［22］預(yù)測蘇通大橋主橋墩處局部沖刷深度:

式中:hb為橋墩局部沖刷坑最大深度(m);kξ為墩形系數(shù);kη為河床顆粒影響系數(shù);B為橋墩計(jì)算寬度(m)，以垂直于水流方向橋墩的投影寬度計(jì)算，反映橋墩寬度和水流沖擊角對沖刷的影響;hp為一般沖刷后水深(m)，文中以沖刷后平均水深代替;d為河床泥沙平均粒徑(m);ν為墩前行進(jìn)流速(m/s)，以一般沖刷完成時(shí)流速計(jì);ν0為床面泥沙起動(dòng)流速(m/s);ν'0為橋墩起沖流速(m/s);n為指數(shù)。

由上述65-1修正式可知，非潮汐河流沖刷深度影響因素有水流狀態(tài)、橋墩墩形、床沙組成、河床形態(tài)等因素共同影響，而在潮汐水道、沙波廣布的河口區(qū)，沖刷深度還與漲落潮雙向流以及底床沙波運(yùn)動(dòng)有關(guān)。由于蘇通大橋處潮流最大沖深比單向流沖深要小［21］，因此通過修正非潮汐水道局部沖刷深度預(yù)測公式中與漲落潮雙向流、沙波運(yùn)動(dòng)有關(guān)的參數(shù)，進(jìn)而獲得潮汐水道、沙波分布區(qū)局部沖刷改進(jìn)公式，使得其預(yù)測結(jié)果更接近潮汐河流局部沖刷實(shí)測值，且更能反映實(shí)際流場情況與河床形態(tài)變化特性。

2.2.3 橋墩周邊流場模擬

除實(shí)測資料的統(tǒng)計(jì)分析外，還采用數(shù)值模擬分別對工程前后橋墩周邊流場進(jìn)行了大量的模擬試驗(yàn)，來論證研究區(qū)域流場變化導(dǎo)致底床形變的論點(diǎn)。選取FVCOM模式，其無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格能較好地?cái)M合研究區(qū)岸線。網(wǎng)格在蘇通大橋區(qū)域加密，垂向采用σ坐標(biāo)，均勻分為5層。其計(jì)算方法參考《海洋數(shù)值計(jì)算方法和數(shù)值模式》［23］，模型中水深資料來自于海域?qū)崪y資料，分別是建墩前2003年和建墩后2004年實(shí)測水深，外海邊界調(diào)和常數(shù)數(shù)據(jù)來自于《渤海黃海 東海海洋圖集》［24］。

2.2.4 沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式改進(jìn)

1)沙波起動(dòng)流速代替單顆粒泥沙起動(dòng)流速

由于蘇通大橋南北主墩所處床面為沙波［25］與公式(1)的“平床”假定(圖2(b))顯然不符，因此公式(1)中以單顆粒泥沙的墩前行進(jìn)流速ν和單顆粒泥沙起動(dòng)流速ν0來計(jì)算橋墩局部沖刷深度值，與該處實(shí)際的沙波運(yùn)動(dòng)(圖3和4)這一集合運(yùn)動(dòng)不符。因此，對于沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式而言，需要用沙波運(yùn)動(dòng)的起動(dòng)流速取代單顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的起動(dòng)流速。

圖2 床面為平床和沙波時(shí)的橋墩局部沖刷及其參數(shù)示意Fig.2 Piers local scour and parameters diagram when assuming flat bedand sand dunes bed

蘇通大橋南、北主墩河床組成較粗，通過現(xiàn)場采集河床底質(zhì)樣品測定其中值粒徑d50在0.12～0.16 mm之間，根據(jù)王尚毅等公式［26］，中細(xì)砂的沙波起動(dòng)流速C0(m/s)與單顆粒泥沙起動(dòng)流速ν0(m/s)之間的關(guān)系式:

相應(yīng)地，中細(xì)砂沙波床面上橋墩起沖流速C'0(m/s)的計(jì)算公式，可通過公式(6)獲得:

將式(5)C0代入式(1)中ν0，即可得沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度改進(jìn)公式。

2)落急最大流速代替墩前行進(jìn)流速

由于橋墩區(qū)局部沖刷極限深度通常是在一次大的水文條件下形成，且多年對實(shí)測水文和地形資料的分析表明:落潮流是塑造徐六涇河段主槽河床形態(tài)的主要?jiǎng)恿Γ?7，21］，故考慮以潮流落急最大流速νm［16］代替原公式中墩前行進(jìn)流速。因此，沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度的計(jì)算公式:

3 結(jié)果

3.1 橋墩局部沖刷測量

3.1.1 蘇通大橋橋墩局部沖刷深度實(shí)測值

表1為2003年8月蘇通大橋南、北主墩開始建設(shè)至2004年12月間，南、北主墩局部沖刷(圖3(b))特征尺度實(shí)測值(有拋石護(hù)底工程)［22］。南主墩周邊的最大沖刷深度為8.3 m，同期北主墩最大沖刷深度為19.6 m［18］。

表1 2003年8月至2004年12月間蘇通大橋南、北主墩局部沖刷實(shí)測特征值Tab.1 Measured local scour around south and north piers of Sutong Bridge in the Yangtze Estuary during August 2003 and December 2004

3.1.2 橋墩區(qū)域底床形態(tài)特征變化

2003年8月、2004年12月間在蘇通大橋南、北主墩建成前后的周邊多波束水深測量和淺地層剖面儀的測量顯示，建墩前床面呈緩坡狀沙波，波長(兩沙脊間間距)20 m(圖3(a))，建墩后床面沙波尺度顯著增大，即使是在采取拋石護(hù)底后床面仍呈沙波形態(tài)，波長可達(dá)50～100 m(圖3(b))。南主墩周圍水深10～20 m，平均水深12.6 m，建墩后，沙波最大波長為62.96 m，最小波長為9.06 m，平均波長為30.76 m;波高(沙脊至波谷高度的一半)最大為7.6 m，最小波高為0.9 m，平均波高為4.2 m，陡坡朝向下游;北主墩周圍水深15～30 m，平均水深19.8 m，沙波最大波長為80 m，最小波長為6.71 m，平均波長為23.1 m;最大波高為18.4 m，最小波高為 0.45 m，平均波高為9.4 m(圖4 和表2)。

圖3 北主墩區(qū)建墩前和建墩后部分河床地形多波束測量記錄Fig.3 Subaqueous topographic maps of north piers before and after construction

圖4 2004年北主墩周圍部分測線和南主墩周圍部分測線淺地層剖面儀記錄(L為波長，H為波高)Fig.4 Sub-bottom profiles of north and south measured lines，L is dunes’length，H is dunes’height around the North and South piers of Sutong Bridge in the Yangtze Estuary

表2 長江口蘇通大橋南北主墩所在河床水深及發(fā)育沙波參數(shù)Tab.2 Dunes’geometry and average water depth around the south and north piers of Sutong Bridge in the Yangtze Estuary

3.1.3 蘇通大橋主墩周圍流速實(shí)測值

南主墩最大落潮流速為1.81 m/s，最小落潮流速為0.04 m/s，平均落潮流速為1.05 m/s;最大漲潮流速為0.77 m/s，最小漲潮流速為0.02 m/s，平均漲潮流速為0.37 m/s。北主墩最大落潮流速為2.48 m/s，最小落潮流速為0.11 m/s，平均落潮流速為1.67 m/s;最大漲潮流速為1.18 m/s，最小漲潮流速為 0.06 m/s，平均漲潮流速為0.65 m/s(表3)。

表3 2003年8月蘇通大橋南、北主墩周圍流速實(shí)測值Tab.3 Measured current velocity around south and north piers of Sutong Bridge，August 2003

3.2 橋墩局部沖刷模擬結(jié)果

3.2.1 蘇通大橋南北主墩局部沖刷深度的水槽試驗(yàn)值

在大型水槽中開展的5年一遇、20年一遇、100年一遇和300年一遇等四個(gè)主要特征水文年蘇通大橋南、北主墩局部沖刷試驗(yàn)反映，最大沖刷深度［17，21］分別為 19.2 m 和 18.6 m、22.8 m 和 21.5 m、26.6 m 和24.5 m、28.5 m 和27.1 m(表4)。

表4 長江口蘇通大橋南北主墩局部沖刷的水槽試驗(yàn)計(jì)算值、實(shí)測值與根據(jù)沙波運(yùn)動(dòng)估算深度值的比較Tab.4 Local scour of North and South piers of Sutong Bridge with flume experimental，measured and estimated data by dunes’migration in the Yangtze Estuary

3.2.2 沙波分布區(qū)局部沖刷深度公式估算值

公式(7)中，河床顆粒影響系數(shù)kη根據(jù)公式(2)獲得，kη=3.01;蘇通大橋主墩前潮流落急最大流速為1.81 m/s和2.48 m/s;而 ν0通過公式(4)求得，分別為 0.35 m/s和 0.67 m/s;C0利用公式(5)可得，為0.57 m/s和0.94 m/s;C'0通過公式(6)獲得，為 0.15 m/s和 0.36 m/s;系數(shù) n1通過公式(8)獲取，為 0.56和0.78;從而利用公式(7)得出沙波床面上蘇通大橋南北主墩處的局部沖刷深度為9.5 m和22.1 m(表5)。

表5 沙波分布區(qū)蘇通大橋南北主墩局部沖刷深度計(jì)算值Tab.5 The local scour depth in north and south piers of Sutong Bridge in the dunes’regime

由這里推導(dǎo)的沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度計(jì)算值比利用平床、單向流公式計(jì)算所得沖刷深度與實(shí)測值更接近(表4)，這可以為相似水流和泥沙特性條件下橋墩的局部沖刷深度值的估算提供一定的參考價(jià)值。因此，可將公式(7)作為河口河床沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式之一，以期工程參考之用。

3.2.3 橋墩局部沖刷流場模擬

為探討蘇通大橋南、北主墩建墩前后周圍流場變化，運(yùn)用FVCOM對蘇通大橋所在河段水域進(jìn)行流場模擬，由于北主墩處流速、水深以及沖刷深度均較之南主墩處更大、更嚴(yán)重，因此僅顯示北主墩建墩前后水域流場圖(圖5)，從而驗(yàn)證北主墩周圍水域流場變化導(dǎo)致底形改變的觀點(diǎn)。由圖可知:建墩前后橋墩水域流場變化較大，產(chǎn)生明顯環(huán)流，由于流場條件發(fā)生變化，該處海底底形隨之發(fā)生較大改變，與實(shí)測橋墩區(qū)域海底底形由建墩前較為平坦、無起伏的平床變?yōu)榻ǘ蘸笊巢ǖ孛蚕嘁恢隆?/p>

圖5 北主墩周邊建墩前和建墩后流場分布Fig.5 The flow diagrams of the north piers before and after construction

4 討論

4.1 底床形態(tài)改變對橋墩局部沖刷深度的影響

蘇通大橋處于較強(qiáng)的漲落潮流速作用下，樁群阻水引起的水流下切和繞流淘刷已經(jīng)產(chǎn)生劇烈的床面沖刷，南北主墩處沙波實(shí)測參數(shù)資料統(tǒng)計(jì)表明，其最大波高分別為7.6 m和18.4 m(表2)，與實(shí)測局部沖刷深度極值8.3 m、19.6 m差距不大，表明該處沙波波長、波高和坡度與橋墩局部沖刷深度存在較為明顯的關(guān)聯(lián)。因此，有必要從沙波及其運(yùn)動(dòng)角度考慮其對橋墩處局部沖刷深度的影響，而水域測量期間床面發(fā)現(xiàn)明顯沙波運(yùn)動(dòng)［25］，且水槽實(shí)驗(yàn)獲得的局部沖刷深度值與該處實(shí)測值存在著較大差距，產(chǎn)生較大差距的可能原因之一是未能充分考慮該處底床沙波運(yùn)動(dòng)對橋墩局部沖刷的影響。

4.2 橋墩區(qū)局部沖刷公式中起動(dòng)流速與墩前流速的改進(jìn)

4.2.1 沙波起動(dòng)流速取代單顆粒泥沙的起動(dòng)流速

基于圖5以及實(shí)測結(jié)果(圖3和4)，可知蘇通大橋南、北主墩處均為沙波地形，沙波作為泥沙顆粒的集合運(yùn)動(dòng)，其起動(dòng)流速和運(yùn)動(dòng)速率對床面形態(tài)的塑造遠(yuǎn)大于單顆粒泥沙影響，且波長、波高與局部沖刷深度存在明顯的關(guān)聯(lián)。當(dāng)沙波波高與局部沖刷深度同一量級時(shí)，沙波地形的存在會(huì)加劇/減小沖刷深度:若波脊處發(fā)生局部沖刷，沖刷深度減小;反之若在波谷處沖刷，則波谷處可能最接近局部沖刷深度所在。因此，以沙波起動(dòng)流速取代原公式中單顆粒泥沙起動(dòng)流速更符合長江口沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷實(shí)際。

4.2.2 落急最大流速取代墩前流速

徑流、潮流為蘇通大橋橋墩區(qū)河段的主要水流動(dòng)力因素。且南北主墩均位于徐六涇河段主槽之中，最大落潮流速達(dá)2.0～2.5 m/s，實(shí)測最大潮差為4.01 m，平均潮差為2.07 m，長江口徐六涇節(jié)點(diǎn)處落潮流速＞漲潮流速，大潮流速＞小潮流速［27］，從而可知該處沙波主要受落潮控制，朝向下游運(yùn)動(dòng)。由于蘇通大橋主墩局部沖刷極限深度通常是一次大的水文條件造成的［17］，且塑造本河段主槽河床形態(tài)的主要?jiǎng)恿κ锹涑绷鳎虼?，采用落急最大流速來?jì)算局部沖刷深度更符合蘇通大橋所在位置——徐六涇河段流場特征。

4.3 沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式適用性

沙波是河口區(qū)常見地形，分布廣泛?；谕叩呛，F(xiàn)場實(shí)測資料顯示:沙波波谷處可能最接近局部沖刷深度的所在這一論點(diǎn)，以及沙波是單顆粒泥沙的集合體，筆者推導(dǎo)出沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式，該公式充分考慮到沙波起動(dòng)速率、泥沙粒徑、橋墩形態(tài)參數(shù)以及水流特性等因素對沖刷深度的影響，彌補(bǔ)了目前在沙波分布區(qū)以及雙向流條件下橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式的空白，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料很接近，因此可將該公式運(yùn)用于潮汐水道、中細(xì)砂質(zhì)沙波分布的河口區(qū)橋墩局部沖刷深度計(jì)算。

4.4 其他影響沙波估算精度的因素

長江口沙波分布區(qū)橋墩局部沖刷深度估算值與實(shí)測值存在差異可能產(chǎn)生的原因:1)僅對蘇通大橋南、北主墩河床床面部分沙波形態(tài)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以及估算平均水深、沙波波長、波高時(shí)產(chǎn)生的誤差;2)由于蘇通大橋主墩處有拋石護(hù)底工程，而公式(7)未考慮該人為因素對沖刷深度的影響。

5 結(jié)語

通過在蘇通大橋南北主墩建設(shè)前后進(jìn)行底床的現(xiàn)場測量，結(jié)果顯示建墩前后河床形態(tài)變化顯著。利用沙波起動(dòng)流速和落急最大流速分別取代單向流作用下“平床”假定的橋墩局部沖刷計(jì)算公式中單顆粒泥沙的起動(dòng)流速和墩前流速，可以顯著改進(jìn)河口漲落潮雙向流作用下沙波底床橋墩局部沖刷計(jì)算公式的計(jì)算精度。利用該公式計(jì)算的蘇通大橋南、北主墩局部沖刷深度值非常接近實(shí)測值。因此，沙波廣布的長江口橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式有較高的實(shí)用價(jià)值。

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New formula of local scour depth of the near-shore sand waves covered areas:Sutong Bridge

WANG Dong-mei1，CHENG He-qin1，LI Mao-tian1，ZHOU Feng-nian2，WU Jing-wen2，YANG Zhong-yong1
(1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China;2.Changjiang Estuary Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，Changjiang Water Resources Commission，Shanghai 200136，China)

Measurements were made in the area around the south and north piers of Sutong bridge in the Yangtze River estuary using multi-beam sonar，sub-bottom profiler and Doppler flow meter.The results showed that the maximum local scour depths were 8.3 m and 19.6 m.Meanwhile the bed configuration changed significantly after the Sutong Bridge construction，from an originally flat bed to a dunecovered bed.The mean wave lengths were 30.8 m and 23.1 m，the mean wave height were 4.2 m and 9.4 m，and the steep slope faced towards the downstream.Furthermore，based on the collected data，we improved the piers local scour formula，by using the sand incipient velocity instead of by dunes’incipient velocity，and the single directional current velocity before piers instead of the maximum velocity of ebb and flow.The results showed the maximum local scour depths were 9.5 m and 22.1 m，which were close to the measurement results.Therefore，it is practicable to use the formula to estimate the local scour depth in the near-shore covered dune areas.

near-shore sand waves covered areas;local scour depth;dunes'incipient velocity;current velocity before piers;Sutong Bridge

TV148

A

1005-9865(2012)02-0058-08

2011-05-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40776056)

王冬梅(1976－)，女，安徽太湖人，博士生，從事河口海岸工程地貌與環(huán)境研究。E-mail:wangdm5820@126.com

程和琴