水中巨型沉井沖刷試驗與數(shù)值計算對比分析*

趙東梁,韓鵬鵬,張 磊

(1.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室,湖北 武漢 430040;3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心,湖北 武漢 430040)

0 引言

橋梁下部結構作為重要的支承部位,在復雜水流環(huán)境和地質(zhì)條件下為保持橋梁的正常運行發(fā)揮著重要作用[1]。在長期水流沖刷作用下,橋墩基礎周圍開始產(chǎn)生局部沖刷坑,降低橋墩基礎支承能力[2]。橋墩沖刷的理論本質(zhì)為橋墩結構與周圍水沙的相互作用[3],橋墩沖刷過程除了自然演變沖刷外,一般分為一般沖刷和局部沖刷[4]。自然條件下,一般沖刷和局部沖刷交織在一起同時進行,過程十分復雜,現(xiàn)有大多數(shù)大型橋梁都通過物理模型試驗預測沖刷深度。物理模型試驗有助于認識沖刷過程中各種流動現(xiàn)象和沖刷機理[5],也有助于歸納總結出各因素對最大局部沖刷深度的影響規(guī)律和指導工程應用,但試驗設備的擾動及縮尺模型所帶來的尺度效應、特殊流動條件下的沖刷研究等仍然是模型試驗難以解決的問題。

目前確定淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土起動流速最有效的方法是進行原狀土抗沖試驗,由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的起動與沖刷往往呈片狀駁蝕[6],因此,無論物理模型試驗還是數(shù)值計算,在研究黏性土的沖刷問題時精度均難以保證。并且目前樁墩基礎局部沖刷問題的研究主要集中在細長樁[7],針對平面尺度較大的類似沉井基礎的沖刷研究相對較少。本文針對常泰長江大橋中塔5號沉井的沖刷問題,開展物理模型試驗和數(shù)值計算的對比分析研究,結果可為水中大型橋墩基礎的沖刷研究提供參考。

1 工程概況

常泰長江大橋連接常州和泰州,為主跨1 176m的雙層斜拉橋。5號主塔基礎為目前世界上最大的水中圓端形沉井基礎,5號沉井基礎位于長江主航道北側靠泰州一側;沉井底面尺寸95.0m×57.8m,圓端半徑28.9m;沉井頂高程7.000m,底高程-65.000m, 總高72.0m;沉井外井壁厚1.8m,內(nèi)井壁厚2.0m,隔墻厚1.4m。5號墩沉井基礎結構如圖1所示。

圖1 5號墩沉井結構

沉井橋位處20年一遇斷面垂線平均最大流速為1.93～2.1m/s,枯水期垂線平均最大流速<1.05m/s。枯季大潮和中潮相差不大,平均落潮流速為0.5～0.8m/s,平均漲潮流速<0.57m/s。地質(zhì)條件是影響局部沖刷的重要因素,5號墩沉井位于主航道北側,地形平穩(wěn)。河床平均標高-14.500m,-14.500～-16.990m為表層松散粉砂層,厚度為2.49m,粒徑為0.075mm;-16.990～-22.310m為硬塑粉質(zhì)黏土層,厚度為5.32m,黏聚力為35.8kPa;-22.310～-24.020m 為中密粉砂層,厚度為1.72m,粒徑為0.075mm;-24.020～-25.960m 為軟塑粉質(zhì)黏土層,厚度為1.94m,黏聚力為18.4kPa;-25.960～-34.510m為中密細砂層,厚度為8.55m,粒徑為0.075mm;-34.510～-39.890m為中密粉砂層;-39.890～-50.330m為密實細砂層;-50.330～-56.830m 為密實中砂層;-56.830～-65.000m為密實粗砂層,持力層為密實粗砂層。

2 模型試驗分析

2.1 試驗方案

模型試驗在長34m、凈寬4.8m的水槽中進行,泥沙動床段長5m、寬4.8m,鋪沙厚度0.6m,橋墩基礎布置在試驗段中央。模型設計時,綜合考慮了流速、雷諾數(shù)、水深、水下休止角、橋墩壓縮比等基本條件,確定模型幾何比例尺為1∶100,水流連續(xù)相似,流速比例尺為1∶10。模型沙經(jīng)過竇國仁公式[8]換算后,采用中值粒徑為0.68mm的木屑代替。在初始流速作用下,沖刷坑不斷加深和擴大,坑底流速逐漸降低,水流挾沙能力隨之減弱,水流的沖刷作用與床沙的抗沖作用趨向平衡,沖深隨之停止,此時局部沖刷坑達到最深,床面趨于穩(wěn)定。不分層和分層沖刷試驗均是模擬沉井入土穩(wěn)定后原始河床面的最大沖刷深度和沖刷形態(tài)。

不分層沖刷試驗模型沙為單一介質(zhì),不考慮實際地質(zhì)條件的泥沙分層和黏土層的影響。沉井著床入土后,采用1.0,1.5,2.0,2.5m/s 4組原型流速對應的模型流速沖刷2.5h至床面穩(wěn)定。

分層沖刷試驗根據(jù)實測地質(zhì)分布和原狀土沖刷試驗資料,動床模型上層采用2.5cm厚的模型沙模擬實際地層表層2.5m厚的松散粉砂層,中層采用厚5.3cm、中值粒徑為1.0mm的天然砂模擬實際地層中5.3m厚的硬塑粉質(zhì)黏土層,下層采用模型沙模擬實際地層中其他土層。分層沖刷試驗同樣是在沉井入土穩(wěn)定后,模擬原型流速1.5,2.5m/s沖刷2.5h后的床面穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 不分層沖刷試驗

沉井著床后,在1.0m/s流速作用下最大沖刷深度為14.3m,沖深后的高程為-28.800m;在1.5m/s流速作用下最大沖刷深度為21.5m,沖深后的高程為-36.000m;在2.0m/s流速作用下最大沖刷深度為27.3m,沖深后的高程為-41.800m;在2.5m/s流速作用下最大沖刷深度為30.2m,沖深后的高程為-44.700m。沉井在1.0,1.5m/s流速下模型試驗沖刷等深線變化結果如圖2所示。

圖2 不同流速作用下模型試驗沖刷等深線變化

2.3 分層沖刷試驗

分層沖刷試驗主要模擬沉井著床時河床的沖刷狀態(tài),沉井入土后,周邊原狀土被破壞,土層的起動流速明顯減小,入土后的沖刷基本與不分層試驗沖刷相似。在1.5m/s流速作用下最大沖刷深度為2.5m,沖深后的高程為-17.000m,在該流速條件下硬塑粉質(zhì)黏土層基本不沖刷;在2.5m/s流速作用下最大沖刷深度為7.1m,沖深后的高程為-21.600m, 在該流速條件下硬塑粉質(zhì)黏土層被沖刷4.6m。沉井在2.5m/s流速作用下的模型試驗沖刷狀態(tài)如圖3所示。

圖3 2.5m/s流速作用下分層模型試驗沖刷狀態(tài)

3 數(shù)值計算分析

3.1 計算條件與計算工況

CFD數(shù)值模擬采用RNGk-ω紊流模型,模型幾何比例尺與物理模型試驗保持一致為1∶100,原型沙采用粗細顆粒起動流速公式[9],泥沙起動流速為0.52～0.69m/s,數(shù)值計算中采用中值粒徑為0.68mm、水下休止角為32.7°的泥沙,泥沙起動流速約為0.06m/s,滿足沖刷模型的幾何相似與運動相似,泥沙數(shù)值運動仿真計算采用水動力模塊計算出沉井周圍的流場分布,根據(jù)流場計算出河床表面的剪應力,確定泥沙顆粒起動、上舉、漂移運動狀態(tài),結合泥沙動力模型得到水流與泥沙耦合運動。數(shù)值模型進口采用速度邊界,出口采用壓力邊界,模型兩邊采用對稱邊界,下部采用墻邊界,上部采用壓力邊界。采用自適應步長,初始步長為0.001s,網(wǎng)格計算時間為3h,如圖4所示。

圖4 數(shù)值計算邊界條件

為研究不同流速下沉井周圍河床地形變化,當水深14.5m時,觀察流速分別為1.0,1.5,2.0m/s條件下沉井周圍局部沖刷歷時演變。

在沉井施工區(qū)域,河床面以下2.5m為粉砂層,粉砂層下面為黏性土層,為解決土體間黏性問題,引入等價粒徑的概念,本文采用等價粒徑經(jīng)驗公式[10],根據(jù)硬塑粉質(zhì)黏土的黏聚力換算其等價粒徑為26mm,進行多土層下河床局部沖刷數(shù)值模擬。在原型水深14.5m及行進流速分別為1.5,2.0,2.5m/s的條件下,模擬計算沉井基礎的水流形態(tài),分析流場分布及河床沖刷間的關系。

3.2 不分層數(shù)值計算

水流流經(jīng)沉井時,造成局部繞流的水流形態(tài),流速有所增加,水流對河床的臨界剪切力增加,泥沙逐漸起動形成沖刷坑。沉井正前方,由于沉井對水流形成阻礙作用,導致水流流速減小,因此并未對河床形成沖刷;在沉井前側部,由于繞流作用流速增加,形成馬蹄形沖刷坑;流速沿水流方向逐漸降低,沖刷深度隨之有所降低,在沉井后部形成渦流區(qū),因此泥沙在此沉積。在1.0m/s流速作用下沉井前端兩側最大沖刷深度為7.8m,沖深后的高程為-22.300m; 在1.5m/s流速作用下沉井前端兩側最大沖刷深度為13.2m,沖深后的高程為 -27.700m; 在2.0m/s流速作用下最大沖刷深度為19.9m,沖深后的高程為-34.400m?？傮w來說,隨著流速增加,沖刷深度隨之增大,沖刷坑的范圍也隨之擴大。沉井在2.0m/s流速作用下的流場分布和沖刷地形如圖5,6所示。

圖5 2.0m/s流速作用下流場分布

圖6 2.0m/s流速作用下沖刷地形側視圖

3.3 分層數(shù)值計算

由圖7可知,水流流速2.5m/s的數(shù)值模擬結果與圖4中流速2.0m/s的結果類似,由于沉井阻水效應,流速在正前方下降明顯,水流在沉井前端兩側受到壓縮流速急劇上升至3.86m/s,流速增加區(qū)域主要在圓角附近。沉井尾部由于水流逆壓梯度的存在,水流在沉井后部形成漩渦,造成流速降低。

圖7 2.5m/s流速作用下流場分布

由圖8所示數(shù)值模擬結果可看出,受到流速的影響,河床最上層粉砂層整體發(fā)生一般沖刷,在實際狀態(tài)下沖刷5h后,除沉井正前端少部分外,粉砂層整體移動至下游。粉質(zhì)黏土層由于黏聚力較大,沉井最大沖刷深度發(fā)生在前端圓角處,在2m/s流速作用下,實際狀態(tài)下沖刷20h達到穩(wěn)定狀態(tài),最大沖刷深度為2.8m,除去2.49m的粉砂層,在此狀態(tài)下粉質(zhì)黏土層僅沖了0.31m。1.5m/s流速作用下的沖刷狀態(tài)與2m/s流速的沖刷狀態(tài)類似,1.5m/s流速作用下的大部分粉砂層發(fā)生一般沖刷,粉質(zhì)黏土層基本沒有發(fā)生沖刷。

圖8 2.0m/s流速作用下5h和20h沖刷地形云圖

由CFD數(shù)值模擬沖刷歷時過程可知,在流速2.5m/s作用下,表層2.49m粉砂層在水流作用下完全被挾帶至下游,隨著時間推移,在沉井圓角上游迎水面處淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土會發(fā)生起動,黏土起動具有一定隨機性,且呈片狀剝離狀態(tài)離開原始河床面,目前尚無規(guī)范描述,因此,本文中數(shù)值模擬采取等效沙顆粒進行模擬。由圖7所示流場分布可看出,流速在沉井前端圓角附近達到最大,因此沖刷坑最先在此形成,在20h后沖刷深度達到穩(wěn)定,最大沖刷深度約為4.5m,其中粉砂層2.49m,粉質(zhì)黏土層2.01m。隨著沿水流方向流速逐漸降低,水流的挾沙能力下降,在沉井中部開始沉積,淤積高度約為0.75m,即沉井前端圓角大部分泥沙顆粒由床沙轉換為推移質(zhì),并未進一步隨水流紊動形成懸疑質(zhì),在沉井后部受到沉井遮蔽效應影響,流速降低,水流中懸疑質(zhì)在此沉積。2.5m/s流速作用下20h沖刷地形如圖9所示。

圖9 2.5m/s流速作用下20h沖刷地形

由圖9所示數(shù)值計算沖刷結果可看出,沉井兩側約60m、沉井前端10m、后端20m范圍內(nèi)厚度2.49m的粉砂層,在水流作用下完全被挾帶至下游,發(fā)生床面整體沖刷;表層松散粉砂被沖走之后,下層粉質(zhì)黏土在水流作用下,在沉井前面圓端形井壁兩側出現(xiàn)直徑約10m的半圓形沖刷坑,沖刷的泥土在沉井中部和尾部兩側淤積,中部兩側淤積范圍形成約直徑20m的半圓。沉井的前沖后淤若發(fā)生在定位著床階段,極易造成沉井偏位或傾斜;若發(fā)生在沉井取土下沉初期,沉井刃腳處于粉質(zhì)黏土層中,則沉井底部支撐受力不均,存在結構開裂風險。

4 模型試驗與數(shù)值計算對比分析

物理模型試驗和數(shù)值計算的原型水深均為14.5m,即假定原型河床面標高為-14.500m。物理模型試驗和數(shù)值計算在地質(zhì)不分層條件下不同流速的最大沖刷底標高如圖10a所示,由圖10a可知,無論模型試驗還是數(shù)值計算,最大沖刷深度均隨流速的增大而增大,且在同一原型流速下物理模型試驗的最大沖刷深度大于數(shù)值計算的最大沖刷深度,主要原因為:①物理模型試驗時采用竇國仁公式[8]計算出的起動流速偏小,選取的模型沙質(zhì)量偏小;②物理模型試驗中采用的木屑沙為長條狀,而數(shù)值計算中的模型沙為圓顆粒狀,木屑沙相比于圓顆粒狀沙更加蓬松,在水流作用下更易被沖刷。

圖10 不同流速下沖刷最大深度

在地質(zhì)分層條件下不同流速的最大沖刷底標高如圖10b所示,由圖10b可知,無論模型試驗還是數(shù)值計算,在原型流速1.5m/s時,發(fā)生最大沖刷區(qū)域均可將表層粉砂層沖掉,此外,與不分層沖刷規(guī)律相同,最大沖刷深度同樣隨流速的增大而增大;且在2.5m/s原型流速作用下,物理模型試驗的最大沖刷深度遠大于數(shù)值計算的最大沖刷深度,但比不分層物理模型試驗的最大沖刷深度要小。模型試驗的最大沖深大于數(shù)值計算的最大沖深與不分層的原因類似,另外,2.5m/s原型流速作用下的最大沖刷深度均沒有到粉質(zhì)黏土層的底標高,說明粉質(zhì)黏土層阻沖刷效果明顯。

結合前面模型試驗和數(shù)值計算的沖刷結果可知,在地質(zhì)不分層條件下,物理模型試驗和數(shù)值計算的沖刷形態(tài)相似,最大沖刷深度位置基本一致。在地質(zhì)分層2.5m/s原型流速作用下,物理模型試驗和數(shù)值計算的沖刷形態(tài)有所不同,最大沖刷深度位置仍在沉井前端兩側圓角處,但物理模型試驗中沉井兩側沒有形成明顯淤積,而數(shù)值計算中沉井中部和尾部兩側淤積明顯,造成這種差異的主要原因應該是物理模型試驗中采用天然沙模擬硬塑粉質(zhì)黏土,數(shù)值計算中是根據(jù)黏聚力換算等價粒徑的模型沙模擬硬塑粉質(zhì)黏土,數(shù)值計算中換算得到的模型沙粒徑遠大于物理模型試驗中天然沙粒徑。根據(jù)現(xiàn)場沖刷的實際情況,數(shù)值計算的沖刷結果更貼合實際,而物理模型試驗的沖刷結果相對保守。

5 結語

1)物理模型試驗和數(shù)值計算得出,最大沖刷深度均隨流速的增大而增大,且在同一原型流速下,物理模型試驗的最大沖刷深度大于數(shù)值計算的最大沖刷深度。

2)原型流速1.5m/s作用下,基本可將表層粉砂層沖掉,粉質(zhì)黏土層基本未沖刷;原型流速 2.5m/s 作用下,最大沖刷深度未到粉質(zhì)黏土層底標高,粉質(zhì)黏土層阻沖刷效果明顯。

3)地質(zhì)不分層條件下,物理模型試驗和數(shù)值計算的沖刷形態(tài)相似;在地質(zhì)分層較大流速作用下,物理模型試驗中沉井兩側未形成明顯淤積,而數(shù)值計算中沉井中部和尾部兩側淤積明顯。

4)數(shù)值計算的沖刷結果更加貼合實際,而物理模型試驗的沖刷結果相對保守。