大型沉井施工期局部沖刷模型試驗及工程驗證

陳 策

(江蘇省長江公路大橋建設指揮部,江蘇泰州 225321)

1 概述

沉井是橋梁廣泛采用的基礎形式之一。沉井基礎埋置深度大、整體性強、穩定性好,能承受較大的垂直荷載和水平荷載。在水中施工時,沉井既是基礎,又是施工時的擋土和擋水圍堰結構物。江河的水中沉井與海洋上的不同,它必須考慮施工中的局部沖刷問題,正確地預測橋墩局部沖刷深度是橋梁設計和施工的重要依據之一,1873年Durand Claye發表“關于橋墩局部沖刷”論文,至今已有130多年的時間,國內外不同學者研究了針對橋墩局部沖刷深度的計算公式。目前國內沉井基礎的最大局部沖刷深度一般按《公路工程水文勘測設計規范》(JTGC30—2002)[1]所推薦的65-2公式和65-1修正式進行計算,該式具有一定的理論基礎,收集的資料范圍也較廣,在解決我國很多河流橋墩沖刷問題時具有一定的可靠性,經觀測驗證該公式的精度比較好,但公式的推導、建立和驗算的基礎基本立足于中、小型橋墩,缺乏對大型、特大型橋墩最大局部沖刷深度預測的驗證。

泰州大橋為三塔懸索橋,其中塔采用了平面尺寸為58.2 m×44.1 m的矩形沉井,由于沉井下沉深度較深,周邊井孔設置成圓端形,形成連拱以抵抗水土壓力,沉井高76 m,該沉井為世界上入土較深的水中沉井,體量也是在國內的水中沉井中首屈一指,沉井的局部沖刷情況,對沉井的合理高度設計以及施工預案影響極大,因此,江蘇省長江公路大橋指揮部和南京水利科學研究院聯合開展了“大型沉井施工期局部沖刷研究”,結合當地的水文地質資料,開展了河工模型試驗研究。在沉井的施工過程中,進行了數據觀測,對試驗結論進行了驗證。實測數據表明,模型試驗的數據基本符合實際的沖刷情況。

2 試驗方法和內容

本試驗用系列模型延伸法確定沖刷深度。動床模型試驗受到選沙困難的約束,一般通過系列模型研究(通過一系列不同比尺的正態模型),將試驗結果延伸來消除模型和原型泥沙運動不完全相似而帶來的偏差。試驗水槽總長34 m,凈寬4.8 m,水槽動床段長10 m,寬4.8 m,鋪沙厚度為0.6 m,橋墩基礎布置在試驗段的中央。在模型設計時,系列模型比尺的確定考慮了流速、雷諾數、水深、休止角、橋墩壓縮比等。

經比選,試驗采用經過防腐處理的木屑作為模型沙,中值粒徑d50=0.8 mm,顆粒容重rsm=11.5 kN/m3,干容重rom=6 kN/m3,現場采樣泥沙資料顯示,原型沙d50=0.1～0.19 mm,rs=26.5 kN/m3。

對于水深較大的細沙河流,在沒有系統的推移質實測資料時,通常選用相對成熟的公式進行計算,試驗選用沙玉清公式計算原型沙起動流速

VC=vc1R0.2

(1)

(2)

木屑起動流速采用武漢水院公式計算

(3)

式中VC——起動流速；

h——模型水深；

D——模型沙粒徑；

rs——模型沙的密度；

r——水的密度。

原型沙水下休止角按文獻[2]公式[2](d=0.061～9 mm)計算

φ=35.3d0.04

(4)

模型沙按天津大學室內試驗得出的粒徑與休止角關系式(d=0.2～4.37 mm)計算

φ=32.5+1.27d

(5)

經計算，原型沙φ=33.0°,模型沙φ=33.5°。

泰州大橋中塔墩所處床面水深在15～20 m,通過試算得出模型采用木屑滿足相似條件的幾何比尺為20。泰州通道中塔墩基礎幾何尺度大,用符合相似條件的正態模型幾何比尺進行試驗,無論是場地或設備都難以達到,因此根據系列模型試驗方法原理,借助λh>20的模型來做局部沖刷試驗,將所得的試驗結果進行延伸,求得指數n,建立外插方程式,得到原型的沖刷深度。為保證試驗達到足夠精度,兼顧場地、設備等試驗條件,本次試驗選擇兩種幾何比尺

λh1=100，λh2=200

針對橋墩施工期特點,本次依據南京站與施工時段同期的月最大和月最小的長期實測水位資料(1950年～2004年),建立南京水位站～橋位上游三江營、三江營～下游界河口水位站同期月最大和月最小水位相關關系,以大通多年月平均流量為基準,采用頻率分析方法推求橋區施工期不同流量所對應的水位、流速。泰州中塔墩基礎施工期局部沖刷試驗水文條件見表1。

表1 泰州中塔墩基礎施工期局部沖刷試驗水文條件

注：沖刷前河床高程按15.4 m計；施工期設計洪水按20%保證率(流量Q=91 000 m3/s)。

3 試驗結果

流向沉井的水流受到墩身的阻擋,沉井周圍的水流結構發生急劇變化,水流的繞流使流線急劇彎曲,床面附近形成旋渦,劇烈淘刷沉井迎水端床面和周圍的泥沙,隨之形成局部沖刷坑。隨著沖刷坑的不斷加深和擴大,坑底流速逐漸降低,水流挾沙能力隨之減弱,上游進入沖刷坑的泥沙與水流沖走的泥沙趨向平衡,同時,沖刷坑底的泥沙逐漸粗化,留下較粗顆粒鋪蓋在沖刷坑表面上,使坑底粗糙程度增大,抗沖能力增強[3]。當水流的沖刷作用與床沙的抗沖作用趨向平衡時,沖深隨之停止,此時局部沖刷坑達到最深。沉井基礎的最大沖深區域位于沉井迎水面底部兩側角附近。沖刷坑外緣與沉井前端坑底的最大高差,就是最大局部沖刷深度。

針對沉井施工期可能面臨的水情,對矩形沉井基礎進行了從枯水、中水、汛期和特大洪水不同流量所對應流速情況下的沖刷試驗,分別得出鋼沉井面臨不同流速時的最大局部沖刷深度[4]。泰州大橋沉井與水流方向存在10°水流夾角,因此做了有水流偏角和無水流偏角的局部沖刷試驗,部分試驗情況見圖1。在10°水流偏角的情況下,比無偏角時的沖刷增大8.8%～13.7%,試驗結果見圖2。

圖1 矩形沉井基礎局部沖刷形態照片(V=1.50 m/s)

圖2 局部最大沖深與行近流速關系曲線

4 試驗結果驗證

沉井與水流方向成10°夾角時,根據模型試驗的結果,推導出矩形沉井基礎最大沖刷深度與墩前行近流速的對應關系,可推導計算式如下

y=4.244 1x2+5.524 2x-2.482 (R2=0.999 9)

(6)

式中y——最大沖刷深度，m；

x——行近流速，m/s。

在施工過程中,測量了沉井周邊及內部的局部沖刷深度,并將其與模型試驗測得的成果以及按65-1修正式及65-2公式計算所得的結果進行了比選(表2)。

由表2可知,泰州大橋沉井實測的局部沖刷深度基本與模型試驗的值相符,小于按65-1修正式及65-2式的計算值。

于2007年11月10日、2007年12月1日、2008年3月4日開展了多波束水下地形測量,采用全覆蓋測量。多波束測深系統測量數據采用SIS軟件進行了聲速校正、水位插加等數據處理,并按5 m×5 m的網格進行了數據抽稀,提取出成圖所需的必要數據。將處理出的地形散點文件采用CFLOOR軟件進行了河床三維地形圖的繪制[5]，見圖3。

沉井施工過程中的局部沖刷情況如下：沉井于2007年11月11日浮運,在沉井18 d的懸空狀態,因為水流速度比較小,引起的沖刷深度是0.7 m。11月29日注水著床,由于前沖后淤,沉井預設了18 cm向上游的預偏量,在沉井刃腳著床的過程中,下游的淤泥將沉井向上游推進了18 cm左右。12月1日對沉井周圍測量時,在迎水流方向的矩形的對角沖刷較大,沖刷深度達到1.5～3 m,在同一邊沉井后側的淤積達到1 m左右。2008年3月4日對沉井周圍進行水下地形測量時,發現沉井上方與2007年12月份相比較沖刷最深有4 m左右,在沉井下方淤積最深也有5 m左右。在沉井下沉期間,局部沖刷表現為前沖后淤,隨著水流速度的增加,沉井前后的高差逐漸增大,在6月份沉井下沉至-44 m,水流速度為1～1.3 m/s時,前后的高差達到了8 m以上,為防止沉井過大偏位,對沉井下游的堆積沙進行了清理。在8月份,沉井下沉至-61 m,水流速度為1.2～1.7 m/s時,前后的高差又達到了10 m左右,因此再次對沉井下游的堆積沙進行了清理。于2009年11月22日對沉井周圍進行了水下地形測量,經過1年多的時間,沉井迎水流方向的矩形對角的最大局部沖刷深度為17.4 m。

表2 墩位處各施工工況測得的流速及沉井最大局部沖刷深度

圖3 2008年3月4日水下地形測圖

5 結語

本文通過沉井局部沖刷模型試驗及工程驗證,得出如下結論：

(1)對于大型沉井,實測的最大局部沖刷值要較65-1修正式和65-2公式計算出的值小,通過河工模型試驗可以得出較為合理的數據,從而指導施工；

(2)模型試驗得出的公式對推算長江中下游地區的沉井施工期的局部沖刷情況有一定的借鑒作用,由相應的工程對其進行進一步驗證后,有一定的推廣意義；

(3)如采用矩形沉井,矩形迎水的對角沖刷深度最大,需要重點防范；

(4)在沉井施工過程中,前沖后淤,有可能會造成沉井的受力不平衡,應采取相應的技術措施,以保障工程的安全。

[1]JTG C30—20，公路工程水文勘測設計規范[S].

[2]張紅武，呂 昕.彎道水力學[M].北京：水利電力出版社，1993.

[3]陳 策,馮兆祥.深水沉井基礎碎石防護粒徑起動特性試驗研究[J].鐵道標準設計,2007(8):32-34．

[4]江蘇省長江公路大橋建設指揮部,南京水利科學研究院.泰州大橋施工期局部沖刷試驗報告(送審稿)[R].南京：2007.

[5]長江委水文局長江下游水文水資源勘測局.泰州長江公路大橋沉井基礎施工期監測技術總結[R].南京：2007.