潮流作用下群樁局部沖刷試驗研究*

彭可可，文方針

(1．佛山科學技術學院環境與土木建筑學院，廣東佛山528000;2．廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司，廣東廣州510507)

隨著國家路網的發展和公路設計水平的提高，公路已延伸至潮汐河道和近海海港。《公路工程水文勘測設計規范》［1］(JTG C30－2002)中給出了內陸徑流河道中橋墩沖刷的計算方法。沿海潮汐河口地區橋墩受徑流和潮流的影響，目前還沒有統一的橋墩沖刷計算公式［2］。近20年來，國內外曾對多座橋梁在潮汐作用下的局部沖刷進行專項試驗，得出了2種不同傾向的結果和解釋。以鐵道科學研究院為代表的研究者認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，但由于在一個潮周期內有相當長的小流速和憩流時間，所以潮流作用下沖刷達到平衡需要更長時間。本文采用潮汐河段常見的群樁為研究對象，以概化后的潮汐水文條件為試驗控制邊界，結合不同粒徑的泥沙條件，對潮流作用下群樁基礎的局部沖刷情況進行研究，觀測局部沖刷的發展過程和最終形態特征，分析潮流作用下橋墩局部沖刷機理。

1 動床模型試驗

1．1 模型布置

根據《水工(常規)模型試驗規程》［6］(SL155 －95)的規定，研究對象接近于二元水流時可采用斷面模型，故本次模型試驗在長34 m、寬2 m的水槽中進行，其中動床試驗段長10 m，橋墩布置在試驗段的中部。整個模型由水槽、前池、尾池、回水渠組成閉合系統。試驗裝置見圖1。

1．2 相似條件

模型需滿足水流運動相似、泥沙運動相似。

1．2．1 水流運動相似

1．2．2 泥沙運動相似

泥沙起動相似: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、水流運動時間比尺、泥沙起動流速比尺、推移質輸沙率比尺、推移質泥沙的輸沙能力比尺。

1．3 模型比尺

在橋墩局部沖刷過程中，垂線的流速分布及水流結構變化對沙粒的起動、沉降有較大影響，為滿足水流、泥沙運動相似和橋墩局部沖刷相似，原則上應采用大比尺的正態模型。根據場地、設備、供水流量、量測精度以及試驗模擬的橋墩尺寸，確定群樁模型平面比尺100，模型比尺見表1。

1．4 模型控制

本模型采用的HMMC水力物理模型計算機測控系統為先進的多臺水泵變頻調速閉環水位控制系統，尤其適用于以潮流為主的潮汐生成與控制。地形測量采用直讀式地形測量儀和測針結合進行，為反映沖坑形態，每組試驗采用數碼照相作為輔助手段。

沖刷試驗時間控制:在調整好流量和水位以后到沖刷達到平衡時為止，單向流一般持續沖刷2 h，往復流沖刷間隔不等(模型沖刷最長時間為23 h)，直至沖刷坑最大深度不發生變化、局部沖刷達到平衡、周邊形態基本定型為止。

表1 模型比尺Table 1 Scale effect of model

1．5 模型沙的選擇

泥沙起動流速采用以下公式計算［7］。張瑞瑾的起動流速公式為:

竇國仁泥沙起動流速計算公式為:

式中:m為泥沙起動的狀態(個別動為0．265，少量動為0．320，大量動為0．408);ks為河床粗糙度，對于平整床面，當D≤0．5 mm，ks=0．5 mm;當D ＞0．5 mm時，ks=D50;根據交叉石英絲試驗(δ=0．213 ×104cm;εk為黏結力系數，可取為 2．56 cm3/s2。)

圖1 試驗裝置Fig．1 Model arrangement and control test device

塑料模型沙起動流速公式為:

煤粉起動流速公式:

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%。由竇國仁公式計算得到，在8～18 m水深下，中值粒徑為0．5 mm的床沙的起動流速為0．47～0．63 m/s。

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

杭州灣泥沙主要來源于長江口，該河段河床質較為均勻一致，其平均中值粒徑約0．049 mm，根據張瑞瑾公式計算，其起動流速為0．96～1．54 m/s。

由于懸移質對橋墩極限沖刷坑影響很小，動床模型只考慮推移質和床沙。動床試驗段長10 m，鋪沙厚度0．30 m。試驗選用3種規格的模型沙參數見表2。

表2 模型沙參數Table 2 Model sand parameters

1．6 橋墩結構型式

試驗群樁以某大橋為例，墩型布置及尺寸見圖2。

1．7 試驗水流條件

根據珠江、長江及杭州灣3個不同區域的水流特性，根據潮差、流速、歷時，結合試驗組次的限制，采用3種概化的潮位及流速過程，水流要素見表3。分別取各流速過程中的漲落急流速及對應的水深作為單向恒定流試驗的邊界控制條件。對于承臺加樁群的墩型，試驗中使樁群上部的承臺始終處于水流的作用過程中。

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

表3 潮汐水流參數Table 3 Tidal current parameters

2 局部沖刷發展過程及沖坑形態

對于群樁來說，在潮汐水流的作用下，沖刷初期，上游面在有正對來流時沖刷，在反向流的作用下則會有不同程度的淤積，故極大沖刷深度在上、下游面交替出現;隨著沖刷的發展，沖刷深度逐漸增加，而回淤的幅度逐漸減小，沖刷深度持續增加，直至極限狀態，群樁局部沖刷發展過程見圖3。由圖3可見:落潮歷時增加后，群樁局部沖刷發展過程趨近于單向流。

從沖坑剖面形態上看，由于承臺群樁的消能作用，漲、落潮水流流至承臺中部能量消散較快而產生泥沙堆積，導致承臺下群樁間形成首尾兩端深、中間淺的馬鞍形沖刷坑，見圖4，與恒定流形成的迎水面深、背水面淺的勺狀形態明顯不同;從沖坑平面形態上看，群樁上下游端均形成沖深明顯區;群樁中部沖刷受阻有部分泥沙淤積;群樁兩側區域無論漲潮還是落潮都是處于沖刷的狀態，所以，該區域沖刷深度持續增大，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的淺淤(沖)區。潮流作用下群樁局部沖刷形態見圖5。

圖3 恒定流及潮流作用群樁局部沖刷發展過程(水流條件2，2號模型沙)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(水流條件2，2號模型沙)Fig．4 Typical section of local scouring under tidal flow(flow condition2，2#model sand)

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

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

在不同試驗條件下，群樁局部沖刷深度見表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展過程及機理分析

通過對單向流和潮流作用下群樁局部沖刷過程的試驗結果，可以明確潮流作用下橋墩局部沖刷機理和沖刷過程的特點如下。

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動力條件，在潮流最大流速與單向恒定流平均流速相等時，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表5，試驗測得橋墩迎水端第1個落潮(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，沖刷速率低，下游側沖刷坑發展較慢;漲急之后，流速逐漸減小，水深也持續增大，至高平潮沖刷深度都無明顯變化。故墩下游端局部沖刷坑發展較慢，第1個張潮流周期后，沖深較上游端小;上游沖坑基本穩定時，下游沖刷深度較淺。

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

3．2 沖刷過程

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

3．3 沖坑形態特征

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

4 結論

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

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

(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，兩者將取得基本一致的局部沖刷最大深度。

［1］JTG C30—2002，公路工程水文勘測設計規范［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)模型試驗規程［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．