潮流作用下復(fù)合橋墩局部沖刷研究

倪志輝，王明會，張緒進(jìn)

(1.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實驗室，國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

建造在水域中的橋墩會對其附近的水流造成顯著影響，橋墩會引起附近水流狀態(tài)和泥沙情勢發(fā)生改變，這些改變會引起附近水流攜帶泥沙的能力增強(qiáng)而導(dǎo)致局部沖刷.隨著時間的發(fā)展，橋墩周圍的河床由于沖刷而發(fā)生變形，當(dāng)局部沖刷達(dá)到一定深度時會威脅到橋梁結(jié)構(gòu)的安全［1］.

目前河流上的橋墩局部沖刷研究成果較多，而河口、海灣及海洋里橋墩的局部沖刷研究較少.在受潮流影響的河口海灣地區(qū)，橋墩局部沖刷系繞過橋墩的馬蹄形漩渦所致［2］.為避免由橋墩局部沖刷造成的橋梁水毀，已對橋墩局部沖刷進(jìn)行了大量的研究.B.W.Melville［3］在《橋墩沖刷》一書首先回顧了前人的研究成果，B.M.Summer［4］等人已對這些研究進(jìn)行了系統(tǒng)回顧和總結(jié).S.E.Coleman［5］首先對復(fù)合橋墩周圍局部沖刷的研究進(jìn)行了回顧，并對復(fù)合橋墩的局部沖刷進(jìn)行了試驗和理論研究，得到更接近實際的結(jié)果.

數(shù)值模擬廣泛應(yīng)用于潮流對橋墩影響的研究，并取得了一定的成果.其中，唐士芳等［6］利用物模與數(shù)模相結(jié)合的方法，得出的樁基碼頭前沿區(qū)流速、流向真實，符合實際，對計算橋墩局部沖刷有重要的參考價值.為了研究二維潮流數(shù)值模擬中樁基的影響，導(dǎo)出了二維潮流樁基數(shù)?？刂品匠探M，對潮流進(jìn)行數(shù)值模擬并取得較好效果［7］.王曉姝等［8］以上海近海風(fēng)電場工程為例，在長江口、杭州灣大范圍二維潮流數(shù)學(xué)模型中直接模擬小尺度風(fēng)機(jī)墩柱，研究風(fēng)機(jī)樁群對工程海域的影響，但由于樁墩局部網(wǎng)格劃分不夠細(xì)致，導(dǎo)致得到的局部流態(tài)結(jié)果不太精確.陳倩等［9］用三維陸架海模式對浙江近海的潮汐、潮流進(jìn)行了數(shù)值模擬，并采用網(wǎng)格嵌套技術(shù)對原模式作了改進(jìn)，得到了較高精度的結(jié)果.龔政等 基于平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，采用網(wǎng)格嵌套技術(shù)，模擬了渤海、曹妃甸海域潮流場，取得較好效果.

圖1 跨海大橋橋位Fig.1 Position of sea-crossing bridges

以甌江口的洞頭峽大橋、深門大橋和淺門大橋為例(見圖1)，考慮大橋橋位處甌江口與溫州灣相連接的河口區(qū)域，灘槽相間、水下地形復(fù)雜多變、受外海潮汐過程及溫州下泄流量的共同作用，同時，研究區(qū)域中橋墩的尺寸很小，需采用細(xì)網(wǎng)格才能較為真實地反映橋墩附近的流場，因此考慮采用大、小模型嵌套的方法來展開研究.由于大模型的計算范圍較大，陸邊界較為復(fù)雜，且河道狹窄、彎曲多變，因此主要采用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)擬合計算區(qū)域的邊界.而小模型整個計算域為大橋橋墩附近的潮流動力，因此能夠較好地模擬橋墩附近的細(xì)部流場.

1 大、小嵌套潮流模型

本文采用可以模擬復(fù)雜地形下多重動力因子耦合影響的潮流計算模型MIKE21來計算流場，以充分反映實際水域的復(fù)雜水動力條件.

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

為精確獲得工程海域的水文動力環(huán)境特征，采用大小模型嵌套的方法對研究海域潮流進(jìn)行模擬計算.先利用數(shù)學(xué)模型對甌江口大范圍平面二維潮流狀況進(jìn)行模擬計算，研究現(xiàn)狀條件下海域潮流動力分布特征;然后利用數(shù)學(xué)模型對工程區(qū)附近局部平面二維潮流狀況進(jìn)行模擬，研究大橋橋墩附近的潮流場變化.

甌江口大范圍(亦稱“大區(qū)域”)平面二維潮流計算區(qū)域的范圍為120.6E－121.6E，27.4N－28.4N(見圖2(a)).陸邊界采用法向零通量的邊界條件，工程海域上游邊界采用溫州站水位控制，外海開邊界條件由東海潮波運(yùn)動數(shù)學(xué)模型提供.模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，可較好地貼合自然邊界，提高計算精度和效率，并便于各種工程方案的準(zhǔn)確布置.工程海域網(wǎng)格剖分見圖2(b).

工程區(qū)附近局部(亦稱“小區(qū)域”)平面二維潮流計算區(qū)域如圖3(a)所示.外海開邊界條件由甌江口大范圍計算區(qū)域潮流模型給出.工程海域網(wǎng)格剖分如圖3(b)所示.3座橋梁橋位處細(xì)部網(wǎng)格剖分如圖4所示.

圖2 大區(qū)域計算范圍和計算網(wǎng)格Fig.2 Large area calculation range and calculation mesh

圖3 小區(qū)域計算范圍和計算網(wǎng)格Fig.3 Small area calculation range and calculation mesh

圖4 深門大橋、淺門大橋和洞頭峽大橋網(wǎng)格布置Fig.4 Shenmen bridge，Qianmen bridge and Dongtouxia bridge meshes

1.2 模型的求解方法及邊界條件

計算中的陸邊界，采用法向通量為零的邊界條件，并使用切向的滑動邊界條件，允許水流平行地沿著這些邊界流動.在開邊界上采用強(qiáng)迫邊界條件，由水位、流量、水位流量關(guān)系來控制.岸灘邊界采用干濕法模擬岸灘上的露灘和淹沒過程.大、小模型均利用有限結(jié)點(diǎn)法對方程進(jìn)行離散求解，采用SIMPLEC法進(jìn)行求解.

計算中，紊動擴(kuò)散系數(shù)取200 m2/s;取糙率為0.015～0.035.

2 模型驗證

模型驗證采用2010－01－15 09:00—2010－01－16 11:00大潮期水文實測資料.圖5為洞頭站潮位過程計算值與實測值的比較.圖中黑點(diǎn)為實測值，實線為計算值，時間零點(diǎn)為2010－01－15 09:00.

從圖5(a)可見，計算的潮位與實測值吻合程度較好.

圖5 測點(diǎn)潮位、流速和流向驗證Fig.5 Tidal level verication of Dongtou station，velocity and flow verication of wp1(wp7)points

數(shù)學(xué)模型驗證有多個站位.為節(jié)省篇幅，本文僅列出部分站點(diǎn)的計算結(jié)果.圖5(b)～(d)分別為wp1和wp7站點(diǎn)的流速流向驗證.流向以東方向為起始方向，逆時針為正.圖中實測值用黑點(diǎn)表示，計算值則采用實線表示.由圖可見，各驗證點(diǎn)計算流速和實測資料吻合較好，最大誤差小于5%.表明二維數(shù)學(xué)模型可以真實復(fù)演工程海區(qū)的潮流傳播過程和運(yùn)動規(guī)律，同時證明采用的數(shù)學(xué)模型及其相關(guān)技術(shù)的實用性，模擬精度滿足工程研究需要.

3 水流特征及流場分析

3.1 數(shù)學(xué)模型計算條件

大、小平面二維潮流數(shù)學(xué)模型計算采用的水文條件主要為大橋工程建設(shè)前后漲、落急4種情況，即一般的大、中、小潮和天文大潮，研究大橋工程修建前后橋墩附近的潮流場變化情況.計算時間為2010－01－10 00:00—2010－01－25 23:00時，包括了大、中、小潮過程，共384 h，時間步長為15 min.大潮過程中有水文及流速實測數(shù)據(jù)(2010－01－15 09:00—2010－01－16 11:00);天文大潮計算時間為2010－01－30 00:00—2010－01－31 23:00.

3.2 工程海域局部潮流動力分布特征

根據(jù)大范圍潮流動力分布計算結(jié)果，大橋工程實施后，遠(yuǎn)離大橋的海區(qū)潮流動力分布不受影響.圖6為小范圍海域大潮漲急和落急時刻流場圖.由圖可見:大橋工程的建成，大橋橋墩使該水道過水?dāng)嗝嬗幸欢ǖ臏p小;該水道兩側(cè)通海，橋墩斷面對水流流速影響不大，但由于橋梁壓縮水流，致使橋下流速增大，水流挾沙能力增強(qiáng)，在橋下產(chǎn)生沖刷;此外，漲落潮水流受到橋墩阻擋，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，水流流線急劇彎曲，易導(dǎo)致橋墩局部沖刷，形成局部沖刷坑，橋墩間和橋墩四周將會被刷深.

圖6 小范圍大潮漲急和落急時刻流場Fig.6 High and low spring tidal currents of a small area

3.3 橋墩附近流場及潮位變化情況

由于橋區(qū)附近水域一般以落潮流為主流，且大潮期間漲落潮流速要強(qiáng)于小潮漲落潮流速.數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果表明，大橋建成后，在一般大潮時，各大橋橋墩處平均流速變化0.008 m/s以下，流向變化在12.8°以下，最大潮位變化在0.136 m以下;在天文大潮時，各大橋橋墩處平均流速變化在0.01 m/s以下，流向變化在16.4°以下，最大潮位變化在0.151 m以下.由此可見，在一般大潮和天文大潮時，工程對橋區(qū)附近水域水流流速和潮位影響不大.

4 橋墩局部沖刷的計算

4.1 計算方法

1964年我國公路、鐵路部門根據(jù)我國各類河段52座橋梁99個站年的實測洪水資料和一般沖刷深度觀測資料，制定了65－2，65－1局部沖刷計算公式，而后《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30－2002)又對65－1公式進(jìn)行了修正［11］.生產(chǎn)實踐表明:這2種公式結(jié)構(gòu)較為合理，反映了沖刷深度隨行近流速的變化關(guān)系，并考慮了床沙運(yùn)動對沖刷深度的影響，計算數(shù)值較為穩(wěn)定可靠.2000年美國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中提出了“潮汐河道沖刷”的行業(yè)規(guī)范，是在世界范圍內(nèi)首次提出了潮汐水流下橋墩局部沖刷HEC－18式的工業(yè)應(yīng)用規(guī)范［12］.梁森棟等［13］結(jié)合某跨海大橋，使用HEC－18公式對其在潮流作用下復(fù)合橋墩的局部沖刷深度進(jìn)行過研究.故本文采用HEC－18式進(jìn)行橋墩局部沖刷深度計算，并與65－2，65－1修正公式計算結(jié)果作比較.

4.2 計算結(jié)果

根據(jù)數(shù)學(xué)模型的計算成果，洞頭峽漲、落潮時，潮波通過各島礁間的路線較為復(fù)雜，呈現(xiàn)出不同的流向，兩漲兩落的流向具有非對稱性的特征.大小潮漲潮平均流速為0.36 m/s，大小潮落潮平均流速為0.47 m/s，大潮漲落急時的垂線平均流速分別為0.77和0.87 m/s，小潮漲落急垂線平均流速分別為0.37和0.61 m/s.橋區(qū)附近主流向與大橋軸線法向基本平行，大小潮漲潮垂線平均流向在225°～252°之間，大小潮落潮平均流向在43°～70°之間(不包括平潮流向角度)，大潮漲急垂線平均流向為243°，小潮漲急垂線平均流向為237°，大潮落急垂線平均流向為50°，小潮落急垂線平均流向為43°.由以上資料，利用前面所述的橋墩局部沖刷計算方法，對橋墩沖刷進(jìn)行計算和分析.圖7為3種計算方法的橋墩局部沖刷的結(jié)果.

圖7 洞頭峽大橋、淺門大橋和深門大橋橋墩局部沖刷計算結(jié)果Fig.7 Local scour of Dongtouxia bridge，Qianmen bridge and Shenmen bridge

4.3 可能最大局部沖刷深度位置

根據(jù)65－2式計算結(jié)果統(tǒng)計，洞頭峽大橋各墩的局部沖刷深度為0.56～4.59 m，深門大橋各墩的局部沖刷深度為0.54～6.32 m;淺門大橋各墩的局部沖刷深度為3.00～3.18 m.其中，洞頭峽大橋可能最大局部沖刷深度為4.59 m，29#～31#主墩附近的沖刷最為嚴(yán)重.深門大橋可能最大局部沖刷深度在13#主墩附近，為6.32 m，14#主墩附近沖刷也非常嚴(yán)重.淺門大橋最大沖刷深度在2#主墩附近，為3.18 m.發(fā)生可能最大局部沖刷深度的橋墩均位于主墩深槽附近，這個結(jié)論與梁森棟［13］等人的研究成果一致.

4.4 結(jié)果分析

從圖7可見，局部沖刷的3種公式中，65－1修正式計算結(jié)果偏小，HEC－18式和65－2式計算結(jié)果比較接近，均比65－1修正式計算結(jié)果大，其中65－2式稍大.統(tǒng)計的最大可能沖刷深度是采用65－2式，計算結(jié)果最為不利.分析其原因:美國規(guī)范HEC－18式未考慮底質(zhì)粒徑，65－2式是根據(jù)實測資料制定的，其適用的泥沙粒徑范圍為0.1～78.0 mm.因此，出于工程偏安全考慮，65－2式更適合預(yù)測河口海岸水域等潮流作用下的復(fù)合橋墩的局部沖刷深度，可為工程設(shè)計提供參考.

需要指出的是:實際情況下各橋墩達(dá)到最大沖刷深度所需要的時間不同，同時工程海域由于潮位存在周期性漲落，出現(xiàn)最大流速的時間并不能持續(xù)較長時間，且橋墩處出現(xiàn)最大流速的時刻與最高潮位的時刻不一定同步，從而難以形成最不利的水文條件.因此，在綜合考慮上述因素的影響下，實際潮流作用下橋墩局部沖刷深度一般還是難以達(dá)到計算所得的理論最大沖刷深度.

5 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場實測資料，采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格對甌江口海域洞頭峽大橋、深門大橋和淺門大橋工程海區(qū)進(jìn)行二維潮流數(shù)值模擬，分析了大橋建成后工程海區(qū)的動力分布特征、流場及潮位變化，并基于數(shù)值模擬結(jié)果計算了橋墩局部沖刷深度.

(1)甌江口洞頭峽大橋、深門大橋和淺門大橋工程實施后，工程對橋區(qū)附近水流流速和潮位影響不大.

(2)采用65－2式計算最大可能沖刷深度，所得的結(jié)果最為不利;65－2式更適合預(yù)測河口海岸水域等潮流作用下的復(fù)合橋墩的局部沖刷深度.

(3)橋墩發(fā)生可能最大局部沖刷深度的位置均位于主墩深槽附近，與前人結(jié)論一致.

(4)大橋工程的建成，其橋墩使該水道過水?dāng)嗝嬗幸欢ǖ臏p小.由于橋梁壓縮水流，致使橋下流速增大，水流挾沙能力增強(qiáng)，在橋下產(chǎn)生局部沖刷.但在實際潮流作用下，橋墩最大沖刷深度一般難以達(dá)到計算所得的理論最大沖刷深度.

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