飛云江特大橋橋墩局部沖刷試驗(yàn)研究

王瑞鋒，李 君，楊元平，林 潔，李紅燕

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

隨著浙江甬臺(tái)溫沿海港口的大力建設(shè)，臨港工業(yè)的快速發(fā)展，甬臺(tái)溫高速公路交通擁堵加劇，服務(wù)水平下降，擴(kuò)容改造工程已迫在眉睫。

甬臺(tái)溫高速公路復(fù)線是浙江省高速公路主骨架 “兩縱兩橫十八連三繞三通道”的 “一連”，是沈海國(guó)家高速公路浙江段的輔助線路，也是溫州市高速公路骨架 “二縱二橫二連一繞”中的 “一縱”［1］。飛云江特大橋 （簡(jiǎn)稱 “大橋”）是甬臺(tái)溫高速公路復(fù)線溫州段的控制性工程之一。大橋位于飛云江河口，飛云江三橋下游3.5km處直線跨江，位置見圖1。

工程位于潮流、洪水共同作用區(qū)，水動(dòng)力條件復(fù)雜，河床底質(zhì)易沖，而且橋墩為大尺寸的群樁復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用動(dòng)床物理模型試驗(yàn)進(jìn)行沖刷研究是解決此類復(fù)雜的工程沖刷問題的有效手段之一。

圖1 大橋橋位示意圖

1 水域條件

飛云江流域是浙江省八大水系之一，發(fā)源于浙閩交界的仙霞嶺，于瑞安市的上望注入東海。流域面積3252 km2，全長(zhǎng)203km，是一條獨(dú)流入海河流。

潮汐：橋址水域處于河口段感潮水域，潮差較大，受東海前進(jìn)波影響，1d內(nèi)潮汐2漲2落，屬非正規(guī)淺海半日潮類型，工程上游約10km處的瑞安潮位站實(shí)測(cè)最大潮差6.96m、平均潮差約4.39m。受徑流、地形的影響，潮波發(fā)生變形，漲潮歷時(shí)縮短，橋址水域平均落潮歷時(shí)比漲潮長(zhǎng)約2.5h。潮流：橋址水域潮波具有明顯的駐波性質(zhì)，并呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式。漲、落潮期間最大流速多發(fā)生中潮位附近，而憩流一般在平潮后1.0h。泥沙：飛云江河口泥沙來源主要為海域來沙，口門上望每潮的輸沙量相當(dāng)于上游1 a的流域來沙［2］。冬、春季節(jié)，沿海盛行北向風(fēng)，長(zhǎng)江口外的泥沙，沿海岸順流南下，大量泥沙在近海區(qū)沉積，成為飛云江海域來沙的豐富沙源。2008年實(shí)測(cè)泥沙及鉆孔資料表明，工程近區(qū)平均含沙量為1.1kg／m3，懸沙平均中值粒徑為0.006mm，底沙中值粒徑0.006～0.014mm。工程地質(zhì)：飛云江河口處于海積平原區(qū)，50m深度以淺存在淤泥、黏土、淤泥質(zhì)黏土夾粉砂等土層［3］。

2 工程概況

大橋主橋設(shè)計(jì)為雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，橋跨布置見圖2，本次試驗(yàn)主要針對(duì)主墩進(jìn)行研究。主墩間距380m，橋型布置基礎(chǔ)為上部墩身＋承臺(tái)＋樁基的組合結(jié)構(gòu)，各橋墩結(jié)構(gòu)尺寸見表1。橋墩承臺(tái)截面呈啞鈴型結(jié)構(gòu)，構(gòu)造見圖3。

表1 主墩結(jié)構(gòu)尺寸表m

圖2 主橋橋跨布置圖 單位：cm

圖3 橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 模型設(shè)計(jì)

局部沖刷模型模擬樁基引起的下降流、漩渦等水流流態(tài)，研究橋墩局部沖刷坑的深度及形態(tài)，實(shí)體模型一般按正態(tài)模型設(shè)計(jì)。

模型水流須滿足重力相似、水流連續(xù)相似條件及泥沙起動(dòng)相似、水下休止角的相似［4］。本次試驗(yàn)在長(zhǎng)40.0m（動(dòng)床段長(zhǎng)8.0m），寬3.7m的水槽中進(jìn)行，幾何比尺，模型按雙向非恒定流設(shè)計(jì)。

3.2 模型選沙

局部沖刷模型主要研究橋墩引起的最大沖刷深度及沖刷形態(tài)，模型選沙著重考慮起動(dòng)相似及水下休止角的相似。

工程水域泥沙具有典型的黏性土特征，根據(jù)計(jì)算，其起動(dòng)流速為v0P＝63～85cm／s（水深H＝10～20m）。經(jīng)過對(duì)各模型沙的比選最終采用中值粒徑d50＝0.07mm的木粉，其起動(dòng)流速約ucm＝7.5～9.0cm／s，起動(dòng)流速比尺8.20～9.80，與理論計(jì)算值8.94較接近，其水下休止角與河床質(zhì)也基本接近。

3.3 試驗(yàn)條件

飛云江河口水域?yàn)閺搅?、潮流共同作用區(qū)，飛云江流域洪水一般由暴雨、臺(tái)風(fēng)及天文大潮造成，尤其是臺(tái)風(fēng)暴雨。本次局部沖刷試驗(yàn)采用300a一遇設(shè)計(jì)洪水、設(shè)計(jì)潮水條件分別進(jìn)行試驗(yàn) （見圖4）。

（1）設(shè)計(jì)洪水工況：300a一遇洪水 （上游流量14000 m3／s）＋外海實(shí)測(cè)大潮 （瑞安站潮差5.72m）。

圖4 設(shè)計(jì)水流條件圖

當(dāng)遭遇300a一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，工程河段主要受徑流控制，已無漲潮流出現(xiàn)，最大水流流速為3.06m／s?？紤]工程附近不利沖刷情況及試驗(yàn)便利，洪水沖刷試驗(yàn)按恒定流進(jìn)行控制，水位采用洪水潮位過程對(duì)應(yīng)的中潮位，流速采用洪峰最大流速。飛云江流域洪水一般由臺(tái)風(fēng)暴雨引起，典型洪水持續(xù)時(shí)間一般約2d。

（2）設(shè)計(jì)潮水工況：一般洪水 （上游徑流采用50%流量3500m3／s）＋外海設(shè)計(jì)大潮 （瑞安站300a一遇潮差7.58m）。

同樣，工程水域出現(xiàn)極端大潮時(shí)往往伴隨著降雨，當(dāng)遭遇300a一遇設(shè)計(jì)大潮時(shí)，其最大水流流速為2.18m／s，由于工程河段潮流為往復(fù)流，設(shè)計(jì)潮水工況下的極限沖刷試驗(yàn)采用非恒定流 （雙向流）。

工程河段的河勢(shì)特征為江道順直、寬淺，江道地形表現(xiàn)為 “U”型，橋位斷面歷年河床地形包絡(luò)見圖5，河床沖淤幅度不大，基本在1.0～2.0m。河床沖刷起沖高程采用斷面最低點(diǎn)－5.7m。

圖5 橋位斷面河床高程上、下包絡(luò)線圖

4 試驗(yàn)成果

4.1 沖刷深度

各特征橋墩沖刷試驗(yàn)河床面貌見照片1。

試驗(yàn)結(jié)果表明：橋墩最大沖刷深度出現(xiàn)在設(shè)計(jì)洪水工況。潮水、洪水工況最大沖刷深度分別為12.9，18.4m，最低沖刷高程分別為－18.6，－24.1m。

照片1 橋墩沖刷試驗(yàn)

4.2 沖刷坑形態(tài)

水流流經(jīng)橋墩時(shí)，水流結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變。主要包括墩前水表面渦流、墩前向下水流、馬蹄形渦流和尾跡渦流［5］。根據(jù)試驗(yàn)后河床形態(tài)也可以看出，各橋墩迎水側(cè)緊鄰橋樁處均有明顯的沖刷下切，并呈現(xiàn)樁基兩側(cè)區(qū)域沖刷后高程較低，尾水區(qū)域?yàn)榭v向條帶形淤積丘的馬蹄形沖刷坑。

漲潮時(shí)，受橋墩結(jié)構(gòu)的阻水作用，下游側(cè)水流向下形成漩流，形成繞橋墩兩側(cè)靠近河底的馬蹄形漩渦，并伴隨著沖刷的縱向延伸；隨漩渦運(yùn)行至橋墩尾部，在漩渦轉(zhuǎn)而向上時(shí)，泥沙下沉落淤，隨著沖刷深度加大，水流挾帶泥沙的能力逐漸減弱直至達(dá)到?jīng)_淤相對(duì)平衡；落潮時(shí)反之。

橋墩沖刷試驗(yàn)面貌見圖6～7，橋墩沖刷坑橫向最大沖刷范圍約為4倍的承臺(tái)寬度。

圖6 橋墩周邊沖刷坑形態(tài)圖 （設(shè)計(jì)洪水）

圖7 橋墩周邊沖刷坑形態(tài)圖 （設(shè)計(jì)潮水）

設(shè)計(jì)洪水工況沖刷后，其平面沖刷形態(tài)呈馬蹄形，縱向呈勺型，其中最深點(diǎn) （勺心）位于橋墩上游側(cè)，向下游為沖刷稍小的勺柄 （見圖6），橋墩兩側(cè)的沖刷槽向下游延伸，而且下游出現(xiàn)條帶狀淤積丘，最大寬度出現(xiàn)在啞鈴型橋墩下游側(cè)。

設(shè)計(jì)潮水工況沖刷后，其平面沖刷形態(tài)近似圓形，縱向呈中間高兩側(cè)低的馬鞍型 （見圖7），沖刷坑最大寬度出現(xiàn)在橋墩中部附近，兩側(cè)的沖刷槽上下游雙向延伸，下游方向的沖刷延伸范圍及橋墩后的條帶狀淤積丘均比上游明顯，這主要是由于上游50%洪水的作用，導(dǎo)致落潮流速大于漲潮流速。

4.3 沖刷分析

4.3.1 沖刷深度

4.3.1 .1 實(shí)測(cè)分析

錢塘江二橋曾于1993年6月25日遭遇12000m3／s洪水，根據(jù)推算［6］，主槽流速約3m／s（與本工程設(shè)計(jì)流速基本相當(dāng)）。5＃墩上下游布置2個(gè)直徑16.2m的承臺(tái)，各配以14φ1.5m直樁，迎流面呈7排布置。洪水過后測(cè)量北5＃墩沖深11.2m，但沖刷坑最深點(diǎn)在無法測(cè)量的樁群間，而且洪水過后淤積較快，因此實(shí)際最大沖深會(huì)顯著大于11.2m。

本工程阻水面積與其相比大30%以上，根據(jù)推算，最大沖深應(yīng)大于15.0m。

4.3.1 .2 公式估算

根據(jù)地質(zhì)資料，橋位水域河床質(zhì)為黏性土，因此選用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］中推薦的黏性土橋墩局部沖刷公式進(jìn)行估算。

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為行近最大水深（m）；V 為行近流速（m／s）；IL為黏性土液性指數(shù)。

計(jì)算結(jié)果表明，橋墩最大沖刷深度為18.8m，與沖刷試驗(yàn)值相比差別較小，在0.5m內(nèi)。4.3.1.3 試驗(yàn)類比分析

杭州灣大橋通航孔南主3號(hào)墩承臺(tái)采用直徑26.0m的啞鈴型墩，承臺(tái)頂高程5.7m，承臺(tái)厚6.5m，配以42φ2.0 m直樁，迎流面呈5排布置。在3.09m／s的設(shè)計(jì)潮水沖刷后，最大沖深15.0m。

本工程主墩形狀與上述南主3號(hào)墩基本相似，采用寬度為27.7m的啞鈴型墩，單 “鈴”為六邊形，承臺(tái)頂高程4.0m，承臺(tái)厚6.0m，配以49φ2.8m直樁，迎流面呈5排布置。在3.06m／s的設(shè)計(jì)洪水沖刷后，最大沖深18.4m。兩者相比主要差別在于本工程樁徑大于南主3號(hào)墩，本次試驗(yàn)采用洪水沖刷 （單向流）也稍大于相同漲急流速的潮水沖刷，其他各條件兩者基本接近，可見與南主3號(hào)墩相比，本工程的沖刷深度基本合理。

4.3.2 沖刷形態(tài)

根據(jù)2010年7月飛云江三橋水域?qū)崪y(cè)地形資料，其主墩在一般潮水條件下的沖刷坑地形面貌見圖8。

本次設(shè)計(jì)潮水試驗(yàn)由于50%洪水流量的影響，沖刷槽主要向下游延伸，但總體來看試驗(yàn)情況與該實(shí)測(cè)地形面貌較為接近。

圖8 實(shí)測(cè)沖刷面貌圖 （飛云江三橋主墩）

5 結(jié) 語

模型采用1∶80的比尺，并選用d50＝0.07mm的木粉作模型沙進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水、潮水條件下的局部沖刷概化試驗(yàn)。

試驗(yàn)表明，建橋后橋墩及其周圍河床將會(huì)發(fā)生沖刷，各橋墩迎水側(cè)緊鄰橋樁處均有明顯的沖刷下切，并呈現(xiàn)樁基兩側(cè)區(qū)域沖刷后高程較低，尾水區(qū)域?yàn)榭v向條帶形淤積丘的馬蹄形沖刷坑。就最大沖刷深度而言，設(shè)計(jì)洪水大于設(shè)計(jì)潮水工況，橋墩最大沖刷深度為18.4m；就沖刷范圍而言，沖刷坑橫向最大沖刷范圍約為承臺(tái)寬度的4倍。

通過實(shí)測(cè)資料分析、公式估算及以往試驗(yàn)成果對(duì)比等方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的合理性進(jìn)行了校核，從而為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

［1］高明贊，蔡明高 .甬臺(tái)溫高速公路復(fù)線飛云江特大橋施工棧橋設(shè)計(jì) ［J］.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，13（1）：28－33.

［2］史英標(biāo)，李志永，宋立松 .河口河床長(zhǎng)歷時(shí)演變模擬方法探討——以浙江省飛云江河口為例 ［J］.泥沙研究，2006（3）：40－46.

［3］王瑞鋒，林潔，李紅燕，等 .甬臺(tái)溫高速公路復(fù)線溫州靈昆——閣巷段工程甌江南汊橋、飛云江特大橋橋墩局部沖刷專題報(bào)告 ［R］.杭州：浙江省水利河口研究院，2013.

［4］謝鑒衡 .河流模擬 ［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1993.

［5］鄭繼帥 .跨江大橋橋墩沖刷原因及計(jì)算方法探討 ［J］.廣州航海高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，19（2）：18－20.

［6］韓海騫.潮流作用下橋墩局部沖刷研究 ［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［7］河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG C30—2002公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］.北京：人民交通出版社，2002.