往復(fù)流不同入射角條件下跨海大橋橋墩局部沖刷研究

王晨陽，張華慶

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

往復(fù)流不同入射角條件下跨海大橋橋墩局部沖刷研究

王晨陽，張華慶

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

文章以港珠澳跨海大橋工程為依托，采用理論計(jì)算和模型試驗(yàn)的手段進(jìn)行研究，在公式得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，針對(duì)往復(fù)流不同入射角條件下橋墩局部沖刷深度問題進(jìn)行探討。結(jié)果表明：潮汐往復(fù)流條件下，橋墩上下游均出現(xiàn)局部沖刷，且上游沖刷深度大于下游；當(dāng)橋墩迎流面與往復(fù)流流向基本垂直時(shí)，橋墩局部沖刷深度理論計(jì)算值略大于模型試驗(yàn)值，誤差均在10%以內(nèi)；在順流面長度大于迎流面寬度的矩形樁墩墩型條件不變時(shí)，橋墩局部沖刷深度隨往復(fù)流來流入射角的增大以變速率增大，且當(dāng)入射角大于一定值時(shí)，橋墩沖刷深度趨于穩(wěn)定。

跨海大橋；局部沖刷；往復(fù)流；入射角

Biography：WANG Chen?yang（1985-）,female,assistant professor.

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在沿海地區(qū)興建跨海大橋已成為連接相關(guān)的地域的主要通道。截止2013年，我國已建成跨海大橋9座，正在建設(shè)的港珠澳大橋是世界上最大的橋隧結(jié)合工程。由于跨海大橋所處海區(qū)海況及地形條件較為簡單，橋梁壅水高度與河道中橋梁壅相比要小，跨海大橋橋墩對(duì)水流影響主要在二維平面范圍內(nèi)較為顯著。

根據(jù)橋墩水流形態(tài)，樁墩局部沖刷分為單向流沖刷、潮汐往復(fù)流沖刷以及潮汐河口混合水流沖刷［1-2］。針對(duì)單向流橋墩局部沖刷問題，國內(nèi)外學(xué)者已做過不少研究，如朱炳祥［3］、高正榮［4-5］等學(xué)者針對(duì)沖刷坑形成機(jī)理和沖刷演化過程等問題做了深入研究，認(rèn)為漩渦是橋墩局部沖刷的主要因素，包括墩前垂直向下的水流，墩后尾流漩渦和墩兩側(cè)的立軸漩渦；張華慶［6］從沖刷機(jī)理方面提出：決定橋墩局部沖刷深度的動(dòng)力條件是墩前角區(qū)主馬蹄渦強(qiáng)度大小，在Baker等［7-8］早期研究基礎(chǔ)上，通過流動(dòng)顯示研究了墩前角區(qū)流場的層流和湍流狀態(tài)，并應(yīng)用三維多譜勒激光測速儀對(duì)湍流狀態(tài)下的角區(qū)流場進(jìn)行了測量，得到了有關(guān)馬蹄渦強(qiáng)度變化與流場參數(shù)的關(guān)系。

單向流條件下，水流形態(tài)單一，橋墩上游沖刷，下游淤積。與之相比較，往復(fù)流條件下，橋墩上、下游均會(huì)出現(xiàn)沖刷，河床底質(zhì)及水流入射角等對(duì)局部沖刷深度影響較大。針對(duì)潮汐往復(fù)流條件下橋墩局部沖刷國內(nèi)學(xué)者研究相對(duì)較少，如孫計(jì)超［9］通過在水槽中設(shè)置往復(fù)流平臺(tái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)流條件，研究了往復(fù)流條件下泥沙沖刷情況；張春江［10］研究了秦皇島近海海區(qū)的往復(fù)流周期特性；李勇［11］采用數(shù)值模擬研究了往復(fù)流作用下懸移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

本文以港珠澳跨海大橋?yàn)槔?，在分析工程前后橋墩漲落潮流速變化的基礎(chǔ)上，通過理論計(jì)算和模型試驗(yàn)，研究了往復(fù)流不同來流入射角條件下橋墩的局部沖刷深度及形態(tài)。由于非大風(fēng)浪天氣情況下，波浪對(duì)橋墩局部沖刷影響小，且本工程為近海岸跨海大橋，墩前水深較深，有效波高小，故本次研究不考慮波浪因素。

1 工程概況

港珠澳跨海大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海及澳門的大型跨海通道。大橋的起點(diǎn)是香港大嶼山，經(jīng)大澳，跨越珠江口，最后分成Y字形，一端連接珠海，一端連接澳門，全長約50 km，跨海逾35 km，建成后將成為世界最長的跨海大橋。大橋自伶仃洋東側(cè)的香港機(jī)場至西側(cè)珠?？诎?，依次與香港側(cè)航道、銅鼓航道、廣州出海航道、青州航道、江海直達(dá)航道和九州航道相交，其中與銅鼓航道和廣州出海航道交匯處采用隧道方式，隧道兩側(cè)修建2個(gè)人工島提供橋隧轉(zhuǎn)換設(shè)施，其他航道則采用較大跨度的橋梁方式聯(lián)通。工程包括港珠澳大橋主體、香港口岸、珠?？诎?、澳門口岸、香港接線、珠海接線。大橋總平面布置圖如圖1所示。

圖1 港珠澳大橋平面布置圖Fig.1 Layout plan of Hong Kong?Zhuhai?Macao Bridge

2 橋墩局部沖刷計(jì)算

2.1 公式簡介

目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于橋墩局部沖刷計(jì)算公式應(yīng)用較多的有美國聯(lián)邦公路手冊(cè)公式［12］、Liu.H.K公式［13］、周玉利公式［14］，分別如式（1）～（4）所示。

美國聯(lián)邦公路手冊(cè)公式

式中：u和h分別為橋墩上游流速和水深；D為橋墩直徑；Zm為沖刷深度。

Liu.H.K公式

式中：hs為橋臺(tái)沖刷深度；h為行進(jìn)水深；LD為阻水長度（垂直流向的投影長度）；Ks為墩型系數(shù)，上、下游和端部都帶有邊坡時(shí)Ks=1.1，端頭為豎直墻橋臺(tái)時(shí)Ks=2.15；Fr同上，是判斷非均勻流流態(tài)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

周玉利公式

式中：hb為橋墩局部沖刷深度；Kξ為墩型系數(shù)；h為行進(jìn)水流水深；B為計(jì)算墩寬；D為河床質(zhì)平均粒徑；V為墩前行進(jìn)流速。

公式（1）～（2）目前應(yīng)用較廣，式中包含墩前水深、墩前流速、橋墩阻水寬度等因素，忽略了底沙特性、橋墩形式，在理論上缺少一定的嚴(yán)謹(jǐn)性，但其作為成熟的經(jīng)驗(yàn)公式，在國內(nèi)外眾多項(xiàng)目、研究中得到廣泛論證，曾成功應(yīng)用于我國黃石大橋沖刷計(jì)算中；公式（3）是根據(jù)模型試驗(yàn)資料結(jié)合量綱分析的方法建立的橋臺(tái)最大清水沖刷深度計(jì)算公式，由于公式建立在半經(jīng)驗(yàn)半理論的基礎(chǔ)上，引入墩型系數(shù)Ks，考慮了不同墩型的阻水效果，但未考慮底沙特質(zhì)；公式（4）在《公路橋位勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］中6.5-2修正式?jīng)_刷機(jī)理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用實(shí)測資料分析演變而來。該式直接通過流速與沖刷深度的資料，運(yùn)用量綱分析原理，通過多元回歸分析各國若干橋墩沖刷現(xiàn)場觀測資料推導(dǎo)出各系數(shù)之間的關(guān)系及指數(shù)大小。既有真實(shí)可靠的資料支撐，又有科學(xué)理論的依據(jù)，有待于被廣泛驗(yàn)證和應(yīng)用。

2.2 橋墩墩形及水流條件

圖2 港珠澳大橋部分航道潮位觀測點(diǎn)布置圖Fig.2 Partial waterway observation points of Hong Kong?Zhuhai?Macao Bridge

為了得出港珠澳大橋橋墩沖刷變化規(guī)律，現(xiàn)選取110 m跨、75 m跨這2種數(shù)量最多的橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖刷研究。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，110 m跨橋墩承臺(tái)尺度：長21.5 m寬13.0 m高5.5 m；橋墩尺寸：長12 m寬4 m。75 m跨橋墩承臺(tái)尺度：長18.5 m寬11.5 m高6.0 m；橋墩尺寸：長11 m寬4 m。兩類橋墩墩形系數(shù)均為1.1，橋墩處河床底值中值粒徑0.006 4～0.008 2 mm。圖2為港珠澳大橋各垂直橋線方向部分潮位觀測點(diǎn)布置圖，圖3為所選代表性橋墩設(shè)計(jì)尺寸圖。計(jì)算中需以漲落急最大流速代替公式中的單向流平均流速，以此作為計(jì)算往復(fù)流最大沖刷深度條件。表1為橋線上部分測點(diǎn)（青州航道附近）建橋前后潮流平均流速。

表1 橋線上部分（青州航道）潮位觀測點(diǎn)建橋前后平均流速表Tab.1 Average velocity of partial observation points around Qingzhou waterway m/s

圖3 橋墩設(shè)計(jì)尺寸圖Fig.3 Dimension figure of main bridge pier

2.3 公式計(jì)算

根據(jù)跨海大橋基礎(chǔ)部分的設(shè)計(jì)資料，結(jié)合前章節(jié)墩型系數(shù)、河床質(zhì)、流速值等數(shù)據(jù)資料，按橋墩承臺(tái)全部入土，且橋墩迎流面與流向垂直進(jìn)行沖刷深度計(jì)算。為保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，故選取一個(gè)潮周期后的漲、落急時(shí)刻墩前流速和水深作為計(jì)算輸入條件，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 局部沖刷深度計(jì)算表Tab.2 Partial scouring depth m

2.4 模型試驗(yàn)

2.4.1 模型設(shè)計(jì)

橋墩局部最大沖刷深度是在水流、泥沙等自然因素與橋墩結(jié)構(gòu)形式共同作用下，當(dāng)動(dòng)態(tài)過程達(dá)到平衡時(shí)形成的。港珠澳大橋110 m跨非通航孔處橋墩的往復(fù)流漲、落潮方向基本垂直于橋墩迎流面，為了證明上述理論計(jì)算結(jié)果的合理性，引用交通運(yùn)輸部天科所楊樹森、韓西軍等人所完成的港珠澳大橋主跨橋墩局部沖刷物理模型試驗(yàn)成果進(jìn)行驗(yàn)證［16］。

物理模型比尺采用1：30、1：60、1：90三種方案進(jìn)行潮流驗(yàn)證，使用可逆泵生潮系統(tǒng)控制沖刷試驗(yàn)潮流動(dòng)力，大潮潮位和流速、流向驗(yàn)證資料采用文獻(xiàn)［17］數(shù)學(xué)模型計(jì)算所得。經(jīng)過潮位過程和流速、流向過程驗(yàn)證，校正模型，使其基本滿足水流相似要求。

大橋底質(zhì)泥沙平均中值粒徑為0.008 2 mm，由水槽試驗(yàn)獲得起動(dòng)摩阻流速為3.78 cm/s。經(jīng)過多種模型沙的比選，最終選取容重為1.19的塑料沙作為模型沙，中值粒徑為0.30 mm，起動(dòng)摩阻流速為0.46 cm/s［16］。

圖4 110 m跨橋墩上、下游沖淤深度及變化范圍Fig.4 Upstream and downstream sedimentation depth and range changes of bridge piers with 110 m span

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為橋墩上下游局部沖刷深度等值線分布圖。試驗(yàn)得出：110 m跨橋墩上、下游最大沖刷深度分別為3.27 m、2.29 m，沖刷長度分別為7～10 m、23～30 m；75 m跨橋墩最大沖刷深度分別為2.21 m、1.62 m，上、下游最大沖刷長度分別為3～6 m、12～20 m。

2.5 公式驗(yàn)證及比選

將公式計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知：三公式與試驗(yàn)成果平均誤差百分比為21%、17%、15%。由于在計(jì)算過程中使用漲、落急流速代替平均流速作為輸入條件帶入單向流局部沖刷公式進(jìn)行計(jì)算，因此計(jì)算結(jié)果要折減10%左右［17］，因此計(jì)算誤差均保持在10%的范圍內(nèi)。

綜上，在假定橋墩承臺(tái)全部入土，且橋墩迎流面與流向基本垂直的情況下，周玉利公式（公式4）計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果相差最小，其次是Liu.H.K公式（公式3），兩者反應(yīng)橋墩局部沖刷趨勢具有一致性。由此可見，在河床質(zhì)中含有大量粉沙和粘土，底沙中值粒徑很小的海區(qū)，河床質(zhì)對(duì)計(jì)算局部沖刷深度影響不大。

基于以上結(jié)論，本文將采用公式（3）、（4）分別針對(duì)往復(fù)流不同入射角條件下港珠澳跨海大橋特征橋墩的局部沖刷進(jìn)行計(jì)算分析。

3 入射角與橋墩局部沖刷深度關(guān)系研究

3.1 輸入條件

根據(jù)文獻(xiàn)可知，橋墩的阻水作用主要體現(xiàn)在橋墩周圍平面水流變化和立面動(dòng)力環(huán)境的改變兩方面。橋墩建筑物使來流的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能從而抬高水位；另一部分水流受迎流面阻礙后向下運(yùn)動(dòng)，觸底后翻起，在墩前角區(qū)形成馬蹄渦，該部分水流動(dòng)力即為墩前沖刷的主要作用力；與此同時(shí)，部分來流隨水流偏向橋墩兩側(cè)，進(jìn)而增大繞流產(chǎn)生的擠壓流速，隨后前進(jìn)至墩后形成紊流。

通常條件下，橋墩的布置基本會(huì)選擇中軸線與水流平行的方向，迎水面墩寬不會(huì)很大，以緩解紊流帶來的影響。實(shí)際工程中，跨海大橋跨度大，距離長，復(fù)雜度高，受局部地區(qū)地形突變、地質(zhì)松散等天然原因的影響，水流與橋墩迎流面的垂線存在一個(gè)夾角，即來流入射角。

根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》［18］可知，來流入射角α直接影響墩型系數(shù)Kξ的選取和迎水面寬度的計(jì)算。若實(shí)際墩寬為B，墩長為L，來流入射角為α（α為來流方向與橋墩中軸線的夾角），則橋墩有效阻水寬度為

根據(jù)文獻(xiàn)［15］，矩形橋墩Kξ隨α變化的關(guān)系曲線如圖5所示，其中來流入射角α變化范圍為0～90°。同樣，選擇本工程實(shí)例中數(shù)量最多的110 m、75 m跨橋墩作為研究對(duì)象，上下游來流速度大小、墩前水深等值均與上節(jié)相同。特征橋墩在不同來流入射角下迎水面有效阻水寬度計(jì)算值見表3。

圖5 α-Kξ關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationship graph ofα-Kξ

表3 有效阻水寬度（B′）計(jì)算表Tab.3 Effective width of water blocking（B′）m

表4 不同入射角下沖刷深度計(jì)算表Tab.4 Scouring depth under different incident angles m

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

表4為兩比選公式在不同入射角條件下橋墩局部沖刷深度計(jì)算值。為了更直觀地研究入射角度與局部沖深的關(guān)系，由計(jì)算結(jié)果畫出二者關(guān)系曲線圖（圖6）。

上述計(jì)算結(jié)果表明：在往復(fù)流入射角不同的條件下，橋墩局部沖刷深度的總體增長趨勢相同，其中公式（4）計(jì)算值較大。伶仃洋海區(qū)落潮流大于漲潮流的潮流特性導(dǎo)致上游沖刷深度始終大于下游。從圖6可以直觀地看出，在橋墩尺度L遠(yuǎn)大于B的情況下：α＜40°時(shí)，沖刷深度增長迅速；α＞40°時(shí)，沖刷深度增長緩慢，并且α＞80°后，沖刷深度接近穩(wěn)定，此時(shí)來流入射角的變化不會(huì)再對(duì)沖刷深度產(chǎn)生影響。期間，無論α如何變化，落潮流下橋墩迎流面墩前沖刷深度大于漲潮流下迎流面墩前沖刷深度的規(guī)律都不會(huì)改變，這是由海區(qū)潮流特性決定的。

4 結(jié)論

本文以港珠澳跨海大橋工程為依托，針對(duì)所選特征橋墩，通過橋墩局部沖刷的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證公式計(jì)算結(jié)果，利用得到驗(yàn)證的比選公式，研究了往復(fù)流下不同來流入射角與橋墩局部沖刷深度的關(guān)系。結(jié)論如下：

（1）不同于單向流，潮汐往復(fù)流條件下，跨海大橋橋墩上下游均出現(xiàn)局部沖刷，且落潮時(shí)橋墩迎流面沖刷深度大于漲潮時(shí)橋墩迎流面沖刷深度。

（2）當(dāng)往復(fù)流漲、落潮方向與橋墩迎流面基本垂直時(shí)，橋墩局部沖刷深度公式計(jì)算值略大于模型試驗(yàn)值，誤差均在10%以內(nèi)，證明三公式對(duì)于往復(fù)流環(huán)境下的依托工程具有不同程度的適用性。另外，在河床質(zhì)由大量粉沙和粘土組成，且底沙中值粒徑很小的海區(qū)，河床質(zhì)對(duì)計(jì)算局部沖刷深度影響不大。

（3）由比選公式計(jì)算結(jié)果可知：橋墩墩型條件一定時(shí)，橋墩局部沖刷深度隨來流入射角的增大以增長速率趨緩的規(guī)律而增大，但當(dāng)來流入射角大于80°時(shí)，橋墩沖刷深度值趨于穩(wěn)定。

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Local scour research of cross?sea bridge piers under reciprocating flow with different angles of incidence

WANG Chen?yang,ZHANG Hua?qing
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China）

Based on the Qingzhou waterway main bridge piers of Hong Kong?Zhuhai?Macao Bridge,theoretical calculation and model tests were studied for the reciprocating flow with different incident angles between piers local scour depth on the basis of verified formulas.The results indicate that：local scour occurs at both upstream and downstream piers under reciprocating tidal flow,and scouring depth at downstream is greater.When the incident flow surface is perpendicular to the flow direction of reciprocating flow,the pier local scour depth from the theoreti?cal values is slightly greater than model test values,and errors are no more than 10%.When the rectangle pier?type condition is fixed from which the length of downstream face is greater than the width of incident flow surface,piers local scour depth under reciprocating flow increases with variable rate while the angle of incidence increases.Once the angle of incidence is bigger than a fixed value,the local scour depth generally tends to be stable.

cross?sea bridge;local scour;reciprocating flow;angle of incidence

TV 143；TV 131.6

A

1005-8443（2014）02-0112-06

2013-10-23；

2013-12-04

王晨陽（1985-）,女,河南省商丘市人,助理研究員,主要從海岸河流數(shù)值模擬研究。