河口地區(qū)大型沉井基礎(chǔ)的橋墩局部沖刷研究

文/李亮亮、馬碧波、葉雨清、王曉陽(yáng)

1 試驗(yàn)方法和內(nèi)容

1.1 工程概況

甌江北口大橋中塔采用沉井基礎(chǔ)，沉井標(biāo)準(zhǔn)斷面縱向長(zhǎng)度55m，橫向?qū)挾?6m，沉井頂標(biāo)高5.5m，沉井基礎(chǔ)主要尺寸如下圖1 所示[1]。

圖1 中塔矩形沉井方案結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗(yàn)水文條件

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分別選取300年一遇潮水、取300年一遇洪水進(jìn)行橋墩最大局部沖刷試驗(yàn)，甌江北口潮與徑流組合計(jì)算橋址處的設(shè)計(jì)潮流速，具體見(jiàn)表1、圖2。

表1 橋址處監(jiān)測(cè)點(diǎn)特征流速(單位：m/s)

圖2 甌江北口橋址處設(shè)計(jì)潮型

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沉井入床后局部流態(tài)的變化

為了深入分析洪水的作用給沉井基礎(chǔ)帶來(lái)的影響，了解流態(tài)變化狀況，需要在定床模型中設(shè)置14 條斷面，上游4 條，其他部位設(shè)置10 條，布設(shè)斷面見(jiàn)圖3[2]。

圖3 沉井周邊流態(tài)變化斷面監(jiān)測(cè)布設(shè)圖

2.1.1 沿著水流向上行進(jìn)運(yùn)行，因?yàn)槌辆丈懋a(chǎn)生阻擋影響，水流接近墩前200m 左右的位置上，在上游水面就開(kāi)始出現(xiàn)抬升的情況，流動(dòng)速度也會(huì)快速下降，在到達(dá)沉井前部位置上水面會(huì)推升到最高的位置上，同時(shí)沉井迎水面的流速也會(huì)下降到最低。在墩后的流態(tài)分析中，沉井流速有著比較高的復(fù)雜性，首先是肉眼觀察到水面是不穩(wěn)定運(yùn)行的，同時(shí)還存在渦旋，渦旋橫向尺寸稍微大于沉井寬度尺寸；分析流速后發(fā)現(xiàn)，從近到遠(yuǎn)逐步增大，在遠(yuǎn)離沉井墩約800～1000m 時(shí)，流速基本上可以達(dá)到正常的狀態(tài)，且沒(méi)有渦旋存在，具體流速變化可見(jiàn)圖4。

圖4 沉井縱向流速變化（順?biāo)鞣较颍?/p>

2.1.2 垂直水流方向的變化也非常明顯，在經(jīng)過(guò)沉井墩身位置時(shí)，兩側(cè)水流就會(huì)出現(xiàn)明顯收縮加強(qiáng)的情況，水面也會(huì)有所降低，且沉井入水導(dǎo)致斷面發(fā)生變化，且流速會(huì)逐步增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在沉井左右兩側(cè)水面上，流速增加非常明顯，在流速最大的位置上會(huì)形成嚴(yán)重沖刷力，橫向流速變化可見(jiàn)圖5。

圖5 沉井橫向流速變化（垂直水流方向）

2.1.3 綜合分析，在近水流的沉井迎水面上豎向?qū)ΨQ(chēng)軸流速為零，是驅(qū)點(diǎn)壓力，并且壓力沿著垂線逐步減小，壓力會(huì)以梯度的方式發(fā)生變化，導(dǎo)致水流逐步向下運(yùn)動(dòng)，形成漩渦狀。此時(shí)，形成的順時(shí)針?shù)鰷u與河床底部水流匯集后，就會(huì)形成馬蹄形漩渦。水流經(jīng)過(guò)橋墩兩側(cè)會(huì)發(fā)生分離的反應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)漩渦，并且和馬蹄性漩渦同時(shí)作用，將漩渦運(yùn)行到橋墩尾部，沉井迎水面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)較大的睡眠變化，具體變化可見(jiàn)圖6。

圖6 沉井周邊流態(tài)變化示意圖

2.1.4 通過(guò)使用ADV 流速儀需要分析確定沉井迎水面兩側(cè)水流變化的狀況，可以從縱向、橫向、垂向進(jìn)行分析，具體流速動(dòng)態(tài)變化如圖7。從圖分析發(fā)現(xiàn)，沉井迎水面兩側(cè)水流變化嚴(yán)重，分布是不均勻的，且三個(gè)方向還會(huì)出現(xiàn)從表面向下變化劇烈的情況，最大速度處于底部，這就是導(dǎo)致局部沖刷嚴(yán)重的主要原因，極大程度影響了沉井運(yùn)行的質(zhì)量。

圖7 沉井迎水端兩側(cè)角附近測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)流速圖（y 向?yàn)樗餍薪较颍?/p>

2.2 沉井局部沖刷深度的預(yù)測(cè)

沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式在運(yùn)行中，水流會(huì)因?yàn)槌辆盏淖璧K影響，導(dǎo)致周邊區(qū)域內(nèi)水流速度產(chǎn)生明顯變化，橋墩位置上下游流動(dòng)速度較小，而兩側(cè)會(huì)因?yàn)槌辆兆璧K而產(chǎn)生流速變大的情況，另外河床也會(huì)因?yàn)閮蓚?cè)沖刷嚴(yán)重而損壞，呈現(xiàn)出上下游高、兩側(cè)低的狀態(tài)。由于墩身的阻水作用存在，沒(méi)有受到阻力作用的部分直接轉(zhuǎn)入河底，會(huì)形成潛水流，下潛流在床面出現(xiàn)漩渦的情況，可見(jiàn)圖8。因?yàn)閲?yán)重沖刷作用導(dǎo)致床面與泥沙被直接沖刷，存在局部沖刷坑的情況，且隨著沖刷深度的增大，底部流速會(huì)下降明顯，水流挾沙能力也會(huì)降低，所以在底部泥沙和水流沖刷泥沙基本達(dá)到平衡的要求，最終沖刷停止，造成沖刷深度增大。

圖8 沉井基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)(試驗(yàn)過(guò)程)

0.33%洪水恒流的作用下，局部沖刷深度可以達(dá)到39.5m。該深度位于沉井墩兩側(cè)位置上，經(jīng)過(guò)洪水沖刷影響，沉井墩兩側(cè)會(huì)向下游延伸作用，墩身迎水端上游和兩側(cè)有較大的深度，并且從上游延伸到下游，此時(shí)兩側(cè)出現(xiàn)抬升的提升，且下部會(huì)有明顯的泥沙淤積，形成淤積丘的結(jié)構(gòu)形式。沉井兩側(cè)沖刷抗聲響范圍基本上可以達(dá)到沉井寬度的3～4 倍，縱向抗沖刷的影響范圍會(huì)比較大，基本上可以達(dá)到橋墩長(zhǎng)度的4～6 倍，0.33%洪水沖刷坑形態(tài)見(jiàn)圖9。

圖9（a） 洪水沖刷后三橋合建中塔周邊沖刷坑形態(tài)

圖9（b） 洪水沖刷后中塔沖刷坑試驗(yàn)照片

0.33%洪水持續(xù)的影響作用下，因?yàn)闈q潮流頂托持續(xù)影響，洪水最大流速的持續(xù)時(shí)間比較少，但是還是以單項(xiàng)流的形式存在，試驗(yàn)之后確定局部位置上的最大沖刷深度可以達(dá)到33.7m，深度小于恒流作用，沖刷最深點(diǎn)位置與恒定流條件下的結(jié)果一致，依舊出現(xiàn)在沉井墩身上游兩側(cè)角附近；沖刷坑形態(tài)方面，與恒定流條件下的大致相當(dāng)。

0.33%潮流沖刷后，由于落潮流流速大于漲潮流流速，落潮流明顯占優(yōu)，沉井局部沖刷坑最大沖刷深度為30.9m，最深點(diǎn)依然出現(xiàn)在沉井墩身上游兩側(cè)角附近，沖刷深度約為洪水恒定流的0.78 倍。

3 試驗(yàn)結(jié)果可靠性分析

長(zhǎng)江泰州大橋中塔采用沉井作為基礎(chǔ)，蘇通長(zhǎng)江公路大橋在初步設(shè)計(jì)階段提出了鋼沉井橋墩設(shè)計(jì)方案，兩座大橋均運(yùn)用了物理模型試驗(yàn)的研究手段，并預(yù)測(cè)了大橋施工期和設(shè)計(jì)條件下的橋墩局部沖刷，如表2?，F(xiàn)將兩座大橋的橋墩局部沖刷試驗(yàn)情況與甌江北口大橋進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 相關(guān)工程的沉井基礎(chǔ)局部沖刷情況

對(duì)比分析各橋沉井基礎(chǔ)沖刷實(shí)測(cè)資料與試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

試驗(yàn)對(duì)比：蘇通大橋南主墩設(shè)計(jì)流速3.29m/s，甌江北口大橋中塔3.3m/s，兩者一致；河床組成方面，蘇通大橋位置河床底質(zhì)為細(xì)沙，相對(duì)容易沖刷；阻水寬度方面，甌江北口大橋中塔較寬，易造成較大沖刷深度；蘇通大橋南主墩沖刷32.1m，甌江北口大橋中塔沖刷深度33.7～39.5m。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：泰州大橋河床底質(zhì)為細(xì)沙，相對(duì)容易沖刷；阻水寬度方面，較甌江北口大橋中塔稍小；2008年夏季施工期，流速1.2～1.7m/s，實(shí)測(cè)最大局部沖刷13.9m，考慮到當(dāng)時(shí)沉井還在施工過(guò)程中，河床沖刷還遠(yuǎn)未達(dá)到平衡狀態(tài)，2009年11月，經(jīng)過(guò)1年多時(shí)間，最大沖刷深度加大到17.4m；甌江北口大橋中塔基礎(chǔ)，潮水試驗(yàn)流速2.9m/s，最大沖刷深度為30.9m。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)沉井局部沖刷研究，得到以下結(jié)論：

沉井入床后，對(duì)于周邊局部流態(tài)產(chǎn)生影響；在水流近方向上，因?yàn)槌辆盏挠绊?，水流速度在距離橋墩前部200m 左右位置上，橋墩上游水平開(kāi)始抬升，流速減小，在沉井墩距離在800～1000m 時(shí)，流速基本達(dá)到正常狀態(tài)；垂直水流方向上，當(dāng)水流量達(dá)到沉井墩身位置時(shí)，就會(huì)使得水流集中，導(dǎo)致流速增加的情況出現(xiàn)，此時(shí)沉井兩側(cè)的流動(dòng)隧道會(huì)擴(kuò)大在1.6～2 倍，導(dǎo)致整體沖刷能力增加。

沉井基礎(chǔ)的局部沖刷，河床沖淤變化表現(xiàn)為墩身兩側(cè)區(qū)域沖刷后高程較低，上、下游區(qū)域高程略高的形態(tài)。洪水恒定流條件下，局部沖刷深度最大，洪水過(guò)程及潮流形成的局部沖刷深度約為前者的0.85～0.78 倍，沉井迎水面兩側(cè)角附近沖刷尤為劇烈。