倪志輝，王明會，張緒進

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074;2.重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016)

建造在水域中的橋墩會對其附近的水流造成顯著影響，橋墩會引起附近水流狀態(tài)和泥沙情勢發(fā)生改變，這些改變會引起附近水流攜帶泥沙的能力增強而導致局部沖刷.隨著時間的發(fā)展，橋墩周圍的河床由于沖刷而發(fā)生變形，當局部沖刷達到一定深度時會威脅到橋梁結(jié)構(gòu)的安全［1］.

目前河流上的橋墩局部沖刷研究成果較多，而河口、海灣及海洋里橋墩的局部沖刷研究較少.在受潮流影響的河口海灣地區(qū)，橋墩局部沖刷系繞過橋墩的馬蹄形漩渦所致［2］.為避免由橋墩局部沖刷造成的橋梁水毀，已對橋墩局部沖刷進行了大量的研究.B.W.Melville［3］在《橋墩沖刷》一書首先回顧了前人的研究成果，B.M.Summer［4］等人已對這些研究進行了系統(tǒng)回顧和總結(jié).S.E.Coleman［5］首先對復合橋墩周圍局部沖刷的研究進行了回顧，并對復合橋墩的局部沖刷進行了試驗和理論研究，得到更接近實際的結(jié)果.

數(shù)值模擬廣泛應(yīng)用于潮流對橋墩影響的研究，并取得了一定的成果.其中，唐士芳等［6］利用物模與數(shù)模相結(jié)合的方法，得出的樁基碼頭前沿區(qū)流速、流向真實，符合實際，對計算橋墩局部沖刷有重要的參考價值.為了研究二維潮流數(shù)值模擬中樁基的影響，導出了二維潮流樁基數(shù)?？刂品匠探M，對潮流進行數(shù)值模擬并取得較好效果［7］.王曉姝等［8］以上海近海風電場工程為例，在長江口、杭州灣大范圍二維潮流數(shù)學模型中直接模擬小尺度風機墩柱，研究風機樁群對工程海域的影響，但由于樁墩局部網(wǎng)格劃分不夠細致，導致得到的局部流態(tài)結(jié)果不太精確.陳倩等［9］用三維陸架海模式對浙江近海的潮汐、潮流進行了數(shù)值模擬，并采用網(wǎng)格嵌套技術(shù)對原模式作了改進，得到了較高精度的結(jié)果.龔政等 基于平面二維潮流數(shù)學模型，采用網(wǎng)格嵌套技術(shù)，模擬了渤海、曹妃甸海域潮流場，取得較好效果.

圖1 跨海大橋橋位Fig.1 Position of sea-crossing bridges

以甌江口的洞頭峽大橋、深門大橋和淺門大橋為例(見圖1)，考慮大橋橋位處甌江口與溫州灣相連接的河口區(qū)域，灘槽相間、水下地形復雜多變、受外海潮汐過程及溫州下泄流量的共同作用，同時，研究區(qū)域中橋墩的尺寸很小，需采用細網(wǎng)格才能較為真實地反映橋墩附近的流場，因此考慮采用大、小模型嵌套的方法來展開研究.由于大模型的計算范圍較大，陸邊界較為復雜，且河道狹窄、彎曲多變，因此主要采用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)擬合計算區(qū)域的邊界.而小模型整個計算域為大橋橋墩附近的潮流動力，因此能夠較好地模擬橋墩附近的細部流場.

1 大、小嵌套潮流模型

本文采用可以模擬復雜地形下多重動力因子耦合影響的潮流計算模型MIKE21來計算流場，以充分反映實際水域的復雜水動力條件.

1.1 數(shù)學模型的建立

為精確獲得工程海域的水文動力環(huán)境特征，采用大小模型嵌套的方法對研究海域潮流進行模擬計算.先利用數(shù)學模型對甌江口大范圍平面二維潮流狀況進行模擬計算，研究現(xiàn)狀條件下海域潮流動力分布特征;然后利用數(shù)學模型對工程區(qū)附近局部平面二維潮流狀況進行模擬，研究大橋橋墩附近的潮流場變化.

甌江口大范圍(亦稱“大區(qū)域”)平面二維潮流計算區(qū)域的范圍為120.6E－121.6E，27.4N－28.4N(見圖2(a)).陸邊界采用法向零通量的邊界條件，工程海域上游邊界采用溫州站水位控制，外海開邊界條件由東海潮波運動數(shù)學模型提供.模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，可較好地貼合自然邊界，提高計算精度和效率，并便于各種工程方案的準確布置.工程海域網(wǎng)格剖分見圖2(b).

工程區(qū)附近局部(亦稱“小區(qū)域”)平面二維潮流計算區(qū)域如圖3(a)所示.外海開邊界條件由甌江口大范圍計算區(qū)域潮流模型給出.工程海域網(wǎng)格剖分如圖3(b)所示.3座橋梁橋位處細部網(wǎng)格剖分如圖4所示.

圖2 大區(qū)域計算范圍和計算網(wǎng)格Fig.2 Large area calculation range and calculation mesh

圖3 小區(qū)域計算范圍和計算網(wǎng)格Fig.3 Small area calculation range and calculation mesh

圖4 深門大橋、淺門大橋和洞頭峽大橋網(wǎng)格布置Fig.4 Shenmen bridge，Qianmen bridge and Dongtouxia bridge meshes

1.2 模型的求解方法及邊界條件

計算中的陸邊界，采用法向通量為零的邊界條件，并使用切向的滑動邊界條件，允許水流平行地沿著這些邊界流動.在開邊界上采用強迫邊界條件，由水位、流量、水位流量關(guān)系來控制.岸灘邊界采用干濕法模擬岸灘上的露灘和淹沒過程.大、小模型均利用有限結(jié)點法對方程進行離散求解，采用SIMPLEC法進行求解.

計算中，紊動擴散系數(shù)取200 m2/s;取糙率為0.015～0.035.

2 模型驗證

模型驗證采用2010－01－15 09:00—2010－01－16 11:00大潮期水文實測資料.圖5為洞頭站潮位過程計算值與實測值的比較.圖中黑點為實測值，實線為計算值，時間零點為2010－01－15 09:00.

從圖5(a)可見，計算的潮位與實測值吻合程度較好.

圖5 測點潮位、流速和流向驗證Fig.5 Tidal level verication of Dongtou station，velocity and flow verication of wp1(wp7)points

數(shù)學模型驗證有多個站位.為節(jié)省篇幅，本文僅列出部分站點的計算結(jié)果.圖5(b)～(d)分別為wp1和wp7站點的流速流向驗證.流向以東方向為起始方向，逆時針為正.圖中實測值用黑點表示，計算值則采用實線表示.由圖可見，各驗證點計算流速和實測資料吻合較好，最大誤差小于5%.表明二維數(shù)學模型可以真實復演工程海區(qū)的潮流傳播過程和運動規(guī)律，同時證明采用的數(shù)學模型及其相關(guān)技術(shù)的實用性，模擬精度滿足工程研究需要.

3 水流特征及流場分析

3.1 數(shù)學模型計算條件

大、小平面二維潮流數(shù)學模型計算采用的水文條件主要為大橋工程建設(shè)前后漲、落急4種情況，即一般的大、中、小潮和天文大潮，研究大橋工程修建前后橋墩附近的潮流場變化情況.計算時間為2010－01－10 00:00—2010－01－25 23:00時，包括了大、中、小潮過程，共384 h，時間步長為15 min.大潮過程中有水文及流速實測數(shù)據(jù)(2010－01－15 09:00—2010－01－16 11:00);天文大潮計算時間為2010－01－30 00:00—2010－01－31 23:00.

3.2 工程海域局部潮流動力分布特征

根據(jù)大范圍潮流動力分布計算結(jié)果，大橋工程實施后，遠離大橋的海區(qū)潮流動力分布不受影響.圖6為小范圍海域大潮漲急和落急時刻流場圖.由圖可見:大橋工程的建成，大橋橋墩使該水道過水斷面有一定的減小;該水道兩側(cè)通海，橋墩斷面對水流流速影響不大，但由于橋梁壓縮水流，致使橋下流速增大，水流挾沙能力增強，在橋下產(chǎn)生沖刷;此外，漲落潮水流受到橋墩阻擋，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，水流流線急劇彎曲，易導致橋墩局部沖刷，形成局部沖刷坑，橋墩間和橋墩四周將會被刷深.

圖6 小范圍大潮漲急和落急時刻流場Fig.6 High and low spring tidal currents of a small area

3.3 橋墩附近流場及潮位變化情況

由于橋區(qū)附近水域一般以落潮流為主流，且大潮期間漲落潮流速要強于小潮漲落潮流速.數(shù)學模型計算結(jié)果表明，大橋建成后，在一般大潮時，各大橋橋墩處平均流速變化0.008 m/s以下，流向變化在12.8°以下，最大潮位變化在0.136 m以下;在天文大潮時，各大橋橋墩處平均流速變化在0.01 m/s以下，流向變化在16.4°以下，最大潮位變化在0.151 m以下.由此可見，在一般大潮和天文大潮時，工程對橋區(qū)附近水域水流流速和潮位影響不大.

4 橋墩局部沖刷的計算

4.1 計算方法

1964年我國公路、鐵路部門根據(jù)我國各類河段52座橋梁99個站年的實測洪水資料和一般沖刷深度觀測資料，制定了65－2，65－1局部沖刷計算公式，而后《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30－2002)又對65－1公式進行了修正［11］.生產(chǎn)實踐表明:這2種公式結(jié)構(gòu)較為合理，反映了沖刷深度隨行近流速的變化關(guān)系，并考慮了床沙運動對沖刷深度的影響，計算數(shù)值較為穩(wěn)定可靠.2000年美國行業(yè)標準中提出了“潮汐河道沖刷”的行業(yè)規(guī)范，是在世界范圍內(nèi)首次提出了潮汐水流下橋墩局部沖刷HEC－18式的工業(yè)應(yīng)用規(guī)范［12］.梁森棟等［13］結(jié)合某跨海大橋，使用HEC－18公式對其在潮流作用下復合橋墩的局部沖刷深度進行過研究.故本文采用HEC－18式進行橋墩局部沖刷深度計算，并與65－2，65－1修正公式計算結(jié)果作比較.

4.2 計算結(jié)果

根據(jù)數(shù)學模型的計算成果，洞頭峽漲、落潮時，潮波通過各島礁間的路線較為復雜，呈現(xiàn)出不同的流向，兩漲兩落的流向具有非對稱性的特征.大小潮漲潮平均流速為0.36 m/s，大小潮落潮平均流速為0.47 m/s，大潮漲落急時的垂線平均流速分別為0.77和0.87 m/s，小潮漲落急垂線平均流速分別為0.37和0.61 m/s.橋區(qū)附近主流向與大橋軸線法向基本平行，大小潮漲潮垂線平均流向在225°～252°之間，大小潮落潮平均流向在43°～70°之間(不包括平潮流向角度)，大潮漲急垂線平均流向為243°，小潮漲急垂線平均流向為237°，大潮落急垂線平均流向為50°，小潮落急垂線平均流向為43°.由以上資料，利用前面所述的橋墩局部沖刷計算方法，對橋墩沖刷進行計算和分析.圖7為3種計算方法的橋墩局部沖刷的結(jié)果.

圖7 洞頭峽大橋、淺門大橋和深門大橋橋墩局部沖刷計算結(jié)果Fig.7 Local scour of Dongtouxia bridge，Qianmen bridge and Shenmen bridge

4.3 可能最大局部沖刷深度位置

根據(jù)65－2式計算結(jié)果統(tǒng)計，洞頭峽大橋各墩的局部沖刷深度為0.56～4.59 m，深門大橋各墩的局部沖刷深度為0.54～6.32 m;淺門大橋各墩的局部沖刷深度為3.00～3.18 m.其中，洞頭峽大橋可能最大局部沖刷深度為4.59 m，29#～31#主墩附近的沖刷最為嚴重.深門大橋可能最大局部沖刷深度在13#主墩附近，為6.32 m，14#主墩附近沖刷也非常嚴重.淺門大橋最大沖刷深度在2#主墩附近，為3.18 m.發(fā)生可能最大局部沖刷深度的橋墩均位于主墩深槽附近，這個結(jié)論與梁森棟［13］等人的研究成果一致.

4.4 結(jié)果分析

從圖7可見，局部沖刷的3種公式中，65－1修正式計算結(jié)果偏小，HEC－18式和65－2式計算結(jié)果比較接近，均比65－1修正式計算結(jié)果大，其中65－2式稍大.統(tǒng)計的最大可能沖刷深度是采用65－2式，計算結(jié)果最為不利.分析其原因:美國規(guī)范HEC－18式未考慮底質(zhì)粒徑，65－2式是根據(jù)實測資料制定的，其適用的泥沙粒徑范圍為0.1～78.0 mm.因此，出于工程偏安全考慮，65－2式更適合預(yù)測河口海岸水域等潮流作用下的復合橋墩的局部沖刷深度，可為工程設(shè)計提供參考.

需要指出的是:實際情況下各橋墩達到最大沖刷深度所需要的時間不同，同時工程海域由于潮位存在周期性漲落，出現(xiàn)最大流速的時間并不能持續(xù)較長時間，且橋墩處出現(xiàn)最大流速的時刻與最高潮位的時刻不一定同步，從而難以形成最不利的水文條件.因此，在綜合考慮上述因素的影響下，實際潮流作用下橋墩局部沖刷深度一般還是難以達到計算所得的理論最大沖刷深度.

5 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場實測資料，采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格對甌江口海域洞頭峽大橋、深門大橋和淺門大橋工程海區(qū)進行二維潮流數(shù)值模擬，分析了大橋建成后工程海區(qū)的動力分布特征、流場及潮位變化，并基于數(shù)值模擬結(jié)果計算了橋墩局部沖刷深度.

(1)甌江口洞頭峽大橋、深門大橋和淺門大橋工程實施后，工程對橋區(qū)附近水流流速和潮位影響不大.

(2)采用65－2式計算最大可能沖刷深度，所得的結(jié)果最為不利;65－2式更適合預(yù)測河口海岸水域等潮流作用下的復合橋墩的局部沖刷深度.

(3)橋墩發(fā)生可能最大局部沖刷深度的位置均位于主墩深槽附近，與前人結(jié)論一致.

(4)大橋工程的建成，其橋墩使該水道過水斷面有一定的減小.由于橋梁壓縮水流，致使橋下流速增大，水流挾沙能力增強，在橋下產(chǎn)生局部沖刷.但在實際潮流作用下，橋墩最大沖刷深度一般難以達到計算所得的理論最大沖刷深度.

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