彭可可，文方針

(1．佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與土木建筑學(xué)院，廣東佛山528000;2．廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東廣州510507)

隨著國(guó)家路網(wǎng)的發(fā)展和公路設(shè)計(jì)水平的提高，公路已延伸至潮汐河道和近海海港。《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］(JTG C30－2002)中給出了內(nèi)陸徑流河道中橋墩沖刷的計(jì)算方法。沿海潮汐河口地區(qū)橋墩受徑流和潮流的影響，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的橋墩沖刷計(jì)算公式［2］。近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外曾對(duì)多座橋梁在潮汐作用下的局部沖刷進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)，得出了2種不同傾向的結(jié)果和解釋。以鐵道科學(xué)研究院為代表的研究者認(rèn)為由于反向流提供了泥沙，因而潮流作用下小于單向流作用下的最大沖刷深度［2－3］;另一類成果以 Nakagawa 等［4－5］為代表，他們認(rèn)為，在漲落潮最大流速與單向流平均流速相一致的情況下，兩者的最大沖刷深度基本是一致的，但由于在一個(gè)潮周期內(nèi)有相當(dāng)長(zhǎng)的小流速和憩流時(shí)間，所以潮流作用下沖刷達(dá)到平衡需要更長(zhǎng)時(shí)間。本文采用潮汐河段常見(jiàn)的群樁為研究對(duì)象，以概化后的潮汐水文條件為試驗(yàn)控制邊界，結(jié)合不同粒徑的泥沙條件，對(duì)潮流作用下群樁基礎(chǔ)的局部沖刷情況進(jìn)行研究，觀測(cè)局部沖刷的發(fā)展過(guò)程和最終形態(tài)特征，分析潮流作用下橋墩局部沖刷機(jī)理。

1 動(dòng)床模型試驗(yàn)

1．1 模型布置

根據(jù)《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》［6］(SL155 －95)的規(guī)定，研究對(duì)象接近于二元水流時(shí)可采用斷面模型，故本次模型試驗(yàn)在長(zhǎng)34 m、寬2 m的水槽中進(jìn)行，其中動(dòng)床試驗(yàn)段長(zhǎng)10 m，橋墩布置在試驗(yàn)段的中部。整個(gè)模型由水槽、前池、尾池、回水渠組成閉合系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

1．2 相似條件

模型需滿足水流運(yùn)動(dòng)相似、泥沙運(yùn)動(dòng)相似。

1．2．1 水流運(yùn)動(dòng)相似

1．2．2 泥沙運(yùn)動(dòng)相似

泥沙起動(dòng)相似:λv0=λv

輸沙率相似:λp=λp*

式中:λL，λH，λv，λn，λt1，λv0，λp和 λp*分別代表模型平面比尺、垂直比尺、流速比尺、糙率比尺、水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺、泥沙起動(dòng)流速比尺、推移質(zhì)輸沙率比尺、推移質(zhì)泥沙的輸沙能力比尺。

1．3 模型比尺

在橋墩局部沖刷過(guò)程中，垂線的流速分布及水流結(jié)構(gòu)變化對(duì)沙粒的起動(dòng)、沉降有較大影響，為滿足水流、泥沙運(yùn)動(dòng)相似和橋墩局部沖刷相似，原則上應(yīng)采用大比尺的正態(tài)模型。根據(jù)場(chǎng)地、設(shè)備、供水流量、量測(cè)精度以及試驗(yàn)?zāi)M的橋墩尺寸，確定群樁模型平面比尺100，模型比尺見(jiàn)表1。

1．4 模型控制

本模型采用的HMMC水力物理模型計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)為先進(jìn)的多臺(tái)水泵變頻調(diào)速閉環(huán)水位控制系統(tǒng)，尤其適用于以潮流為主的潮汐生成與控制。地形測(cè)量采用直讀式地形測(cè)量?jī)x和測(cè)針結(jié)合進(jìn)行，為反映沖坑形態(tài)，每組試驗(yàn)采用數(shù)碼照相作為輔助手段。

沖刷試驗(yàn)時(shí)間控制:在調(diào)整好流量和水位以后到?jīng)_刷達(dá)到平衡時(shí)為止，單向流一般持續(xù)沖刷2 h，往復(fù)流沖刷間隔不等(模型沖刷最長(zhǎng)時(shí)間為23 h)，直至沖刷坑最大深度不發(fā)生變化、局部沖刷達(dá)到平衡、周邊形態(tài)基本定型為止。

表1 模型比尺Table 1 Scale effect of model

1．5 模型沙的選擇

泥沙起動(dòng)流速采用以下公式計(jì)算［7］。張瑞瑾的起動(dòng)流速公式為:

竇國(guó)仁泥沙起動(dòng)流速計(jì)算公式為:

式中:m為泥沙起動(dòng)的狀態(tài)(個(gè)別動(dòng)為0．265，少量動(dòng)為0．320，大量動(dòng)為0．408);ks為河床粗糙度，對(duì)于平整床面，當(dāng)D≤0．5 mm，ks=0．5 mm;當(dāng)D ＞0．5 mm時(shí)，ks=D50;根據(jù)交叉石英絲試驗(yàn)(δ=0．213 ×104cm;εk為黏結(jié)力系數(shù)，可取為 2．56 cm3/s2。)

圖1 試驗(yàn)裝置Fig．1 Model arrangement and control test device

塑料模型沙起動(dòng)流速公式為:

煤粉起動(dòng)流速公式:

珠江流域泥沙平均粒徑為0．5 mm，按照粒徑分組，珠江流域全河段砂(2～0．063 mm)含量的平均值為47．68%，粉砂(0．063～0．004 mm)含量的平均值為34．03%，黏土(＜0．004 mm)含量的平均值為0．73%。由竇國(guó)仁公式計(jì)算得到，在8～18 m水深下，中值粒徑為0．5 mm的床沙的起動(dòng)流速為0．47～0．63 m/s。

長(zhǎng)江口河口段床沙中值粒徑總體上自上游至下游逐漸變細(xì)，據(jù)吳淞口附近床沙分析，以0．10～0．25 mm粒徑的顆粒最為普遍。

杭州灣泥沙主要來(lái)源于長(zhǎng)江口，該河段河床質(zhì)較為均勻一致，其平均中值粒徑約0．049 mm，根據(jù)張瑞瑾公式計(jì)算，其起動(dòng)流速為0．96～1．54 m/s。

由于懸移質(zhì)對(duì)橋墩極限沖刷坑影響很小，動(dòng)床模型只考慮推移質(zhì)和床沙。動(dòng)床試驗(yàn)段長(zhǎng)10 m，鋪沙厚度0．30 m。試驗(yàn)選用3種規(guī)格的模型沙參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型沙參數(shù)Table 2 Model sand parameters

1．6 橋墩結(jié)構(gòu)型式

試驗(yàn)群樁以某大橋?yàn)槔?，墩型布置及尺寸?jiàn)圖2。

1．7 試驗(yàn)水流條件

根據(jù)珠江、長(zhǎng)江及杭州灣3個(gè)不同區(qū)域的水流特性，根據(jù)潮差、流速、歷時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)組次的限制，采用3種概化的潮位及流速過(guò)程，水流要素見(jiàn)表3。分別取各流速過(guò)程中的漲落急流速及對(duì)應(yīng)的水深作為單向恒定流試驗(yàn)的邊界控制條件。對(duì)于承臺(tái)加樁群的墩型，試驗(yàn)中使樁群上部的承臺(tái)始終處于水流的作用過(guò)程中。

圖2 承臺(tái)+樁群基礎(chǔ)布置圖(單位:cm)Fig．2 Pile cap and pile group foundation layout drawing

表3 潮汐水流參數(shù)Table 3 Tidal current parameters

2 局部沖刷發(fā)展過(guò)程及沖坑形態(tài)

對(duì)于群樁來(lái)說(shuō)，在潮汐水流的作用下，沖刷初期，上游面在有正對(duì)來(lái)流時(shí)沖刷，在反向流的作用下則會(huì)有不同程度的淤積，故極大沖刷深度在上、下游面交替出現(xiàn);隨著沖刷的發(fā)展，沖刷深度逐漸增加，而回淤的幅度逐漸減小，沖刷深度持續(xù)增加，直至極限狀態(tài)，群樁局部沖刷發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn):落潮歷時(shí)增加后，群樁局部沖刷發(fā)展過(guò)程趨近于單向流。

從沖坑剖面形態(tài)上看，由于承臺(tái)群樁的消能作用，漲、落潮水流流至承臺(tái)中部能量消散較快而產(chǎn)生泥沙堆積，導(dǎo)致承臺(tái)下群樁間形成首尾兩端深、中間淺的馬鞍形沖刷坑，見(jiàn)圖4，與恒定流形成的迎水面深、背水面淺的勺狀形態(tài)明顯不同;從沖坑平面形態(tài)上看，群樁上下游端均形成沖深明顯區(qū);群樁中部沖刷受阻有部分泥沙淤積;群樁兩側(cè)區(qū)域無(wú)論漲潮還是落潮都是處于沖刷的狀態(tài)，所以，該區(qū)域沖刷深度持續(xù)增大，順漲、落潮流方向形成沖刷坑;群樁上、下游均形成與群樁等寬的綿長(zhǎng)的淺淤(沖)區(qū)。潮流作用下群樁局部沖刷形態(tài)見(jiàn)圖5。

圖3 恒定流及潮流作用群樁局部沖刷發(fā)展過(guò)程(水流條件2，2號(hào)模型沙)Fig．3 Formation of local scouring under tidal flow and steady flow(flow condition2，2#model sand)

圖4 潮流作用群樁局部沖刷典型剖面形態(tài)(水流條件2，2號(hào)模型沙)Fig．4 Typical section of local scouring under tidal flow(flow condition2，2#model sand)

圖5a 水流條件1下1號(hào)模型沙局部沖刷形態(tài)Fig．5a Local scouring form(flow condition1，1#model sand)

圖5b 水流條件2下2號(hào)模型沙局部沖刷形態(tài)Fig．5b Local scouring form(flow condition2，2#model sand)

在不同試驗(yàn)條件下，群樁局部沖刷深度見(jiàn)表4，潮流作用下與徑流作用下最大沖刷深度的比值為0．97～1．00。

表4 群樁局部沖刷深度對(duì)比Table 4 Comparison of local scouring depth under different flow condition

3 潮流作用下橋墩局部沖刷發(fā)展過(guò)程及機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)單向流和潮流作用下群樁局部沖刷過(guò)程的試驗(yàn)結(jié)果，可以明確潮流作用下橋墩局部沖刷機(jī)理和沖刷過(guò)程的特點(diǎn)如下。

3．1 最大沖深

在潮流作用下橋墩局部沖刷最大深度取決于漲落急的最強(qiáng)動(dòng)力條件，在潮流最大流速與單向恒定流平均流速相等時(shí)，兩者取得基本一致的局部沖刷最大深度。

橋墩局部沖刷深度階段變化見(jiàn)表5，試驗(yàn)測(cè)得橋墩迎水端第1個(gè)落潮(漲潮)周期后沖深值與最終深度的比值，上游端為90．58%～92．81%，下游端為80．70%～90．53%，表明沖深速率在初始沖刷階段較大，沖坑深度主要在初始沖刷階段形成。

對(duì)于下游墩的沖刷坑，漲潮期間，流速漸急，但水深亦漸深，河底泥沙不易起動(dòng)，沖刷速率低，下游側(cè)沖刷坑發(fā)展較慢;漲急之后，流速逐漸減小，水深也持續(xù)增大，至高平潮沖刷深度都無(wú)明顯變化。故墩下游端局部沖刷坑發(fā)展較慢，第1個(gè)張潮流周期后，沖深較上游端小;上游沖坑基本穩(wěn)定時(shí)，下游沖刷深度較淺。

表5 橋墩局部沖刷深度階段變化(2號(hào)模型沙)Table 5 Local scouring depth’stage change of bridge piers(2#model sand)

3．2 沖刷過(guò)程

沖刷過(guò)程取決于有效輸沙量，潮汐水流僅在某一短暫時(shí)段流速達(dá)到極大值，大部分時(shí)間接近或小于該值，加上漲落潮若干時(shí)段內(nèi)水流相互頂托、憩、轉(zhuǎn)流等因素影響，使得床面泥沙處于起動(dòng)、輸移的有效時(shí)間大大短于恒定流試驗(yàn)時(shí)間。由于潮流過(guò)程中的有效沖刷流速和有效沖刷時(shí)間的減小，有效輸沙量就大幅度減小，沖刷達(dá)到平衡需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

3．3 沖坑形態(tài)特征

橋墩受漲、落潮雙向水流的作用，沖刷坑形態(tài)可概化為單向流造成的局部沖淤形態(tài)以橋軸線鏡像的結(jié)果，鏡像時(shí)地形變化輪廓取外包線，地形變化幅度取大值且沖深優(yōu)于淤積、淤積優(yōu)于不沖不淤。隨著潮汐水流條件的變化，沖刷最深點(diǎn)位置變化不大，兩側(cè)沖刷溝及長(zhǎng)條形的小丘形淤積隨著漲、落潮勢(shì)力的差異而有所不同。

4 結(jié)論

(1)潮流作用下橋墩周邊局部沖刷過(guò)程均取決于沖刷坑內(nèi)輸沙量的變化，由于潮流過(guò)程中有效作用流速和有效作用時(shí)間的減小，導(dǎo)致有效輸沙量大幅度減小，從而使潮流作用下總體沖刷過(guò)程延長(zhǎng)。

(2)在局部沖刷形態(tài)上沖刷坑形態(tài)是單向流造成的局部沖淤形態(tài)以橋軸線鏡像的結(jié)果。

(3)潮流作用下橋墩周邊局部沖刷最大深度取決于漲落潮最大流速，在潮流最大流速與恒定流平均流速相等時(shí)，兩者將取得基本一致的局部沖刷最大深度。

［1］JTG C30—2002，公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．JTG C30—2002，Hydrological specifications for survey and design of highway engineering［S］．

［2］Breucers H C，Nicollet G，Shen H W．Local sour around cylindrical pier［J］．J Hydr Res，1977，15(3):211 －252．

［3］Richardron E V，Richardron J R，Lagasse P F．Bridge scour evaluation in the united states，scour of foundations［C］//Proceedings of an international symposium organized by the international society of soil mechanics and geotechnical engineeriong technical committee Tc－33 on sour of foundations．Mellourne Australia，2000．

［4］Nakagqwa H，Suzuki K．Local scour around bridge pier in tidal current［J］．Coastal Engineering in Japan，1976(19)．

［5］HAN Yu-fang，CHEN Zhi-chang．Experimental study on local scour around bridge pipers in tidal current［J］．China Ocean Engineering，2004，18(4):669 －676．

［6］SL155—95，水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程［S］．SL155—95，Test regulation for normal hydraulic model［S］．

［7］陳俊杰，等．常用模型沙基本特性研究［M］．鄭州:黃河水利出版社，2009．CHEN Jun-jie，et al．Study on the basic properties of comm on moden sedinents［M］．Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press，2009．