跨杭州灣鐵路橋河工試驗模型橋墩設計關鍵問題研究

林一楠 ，何 昆 ，錢 凱

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省海洋規劃設計研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

在河工模型試驗中，涉水構筑物需在原型設計基礎上經比尺縮放再進行試驗研究，工程建設的影響與構筑物阻水作用息息相關。對于大橋、碼頭工程中支撐荷載平臺的圓柱鉆孔樁而言，流體繞其流動所引起的壓強差和摩擦切應力將造成繞流阻力，繞流阻力與樁群的阻力系數直接相關。根據Catalano P[1]獲取的單樁水流阻力系數與雷諾數的關系（見圖1）可知，圓柱體所受阻力系數隨雷諾數不同而發生變化。在實際河流中橋墩承臺鉆孔樁雷諾數介于1×105～ 1×106，而在整體河工模型中由于比尺效應，雷諾數為100 ～ 3 000，因此模型與原型的阻力系數相去甚遠。

圖1 單樁雷諾數和阻力系數關系圖

2 橋墩樁群阻力水槽試驗

根據河工模型試驗經驗，模型樁群用直徑5 mm的鐵絲制作具有較好的耐用性，且制作工序簡單，能有效降低模型制作成本，因此本次試驗對5 mm鐵絲制作的常用模型樁群設計方案（樁群按矩形陣列排布，樁距和樁徑比值為2）進行試驗研究。試驗在長50.0 m，寬1.2 m的循環水槽中進行，水槽兩端均裝有變頻器和水泵，通過調整變頻器頻率使試驗段水深和流速達到試驗要求，試驗裝置布置見圖2。據以往研究經驗[2-4]，試驗裝置按如下方式布置:模型橋墩與測力傳感器連接后固定于水槽中，模型樁與水槽底部盡量貼近但不接觸，測力傳感器所得的力即為模型樁群的繞流阻力，試驗測力裝置實際安裝情況見圖3。

圖2 試驗裝置布置圖

圖3 測力裝置安裝圖

由于樁群的阻水效果在漲急和落急流速較大的時刻更為明顯，工程區域漲、落急最大流速可達2.0 m/s，漲、落急時刻水深10 m左右，經比尺換算選擇水深10 cm，流速為20 cm/s的恒定流作為水槽試驗條件，在此條件下測量模型樁群繞流阻力。分別對垂直水流方向樁數m = 2 ～ 5根，沿水流方向樁數3 ～ 8根的矩形排布樁群進行試驗，各方案水流阻力成果見表1，繞流阻力隨m，n變化趨勢見圖4。

表1 樁群阻力試驗值表

圖4 繞流阻力變化趨勢圖

根據試驗數據可知，樁群繞流阻力隨m和n的增大而增大，但由于沿水流方向上樁數增加不影響樁群阻水面積，樁柱之間的隱蔽效應使樁群總阻力隨n的增加變化不明顯，而垂直水流方向的樁數直接影響到樁群阻水面積，因此樁群的總阻力隨m的增加變化更明顯。

3 橋墩樁基概化實例

以杭州灣鐵路橋整體物理模型為例，模型平面比尺1 000，垂直比尺100，主墩原型樁臺長70.2 m，寬49.4 m，共布有10排76根樁，鉆孔樁樁徑d均為2.5 m，橫向縱向樁距s均為6.4 m，鉆孔樁具體布置見圖5。原型航道通航孔附近漲、落急時刻水深約10 m，流速約2.0 m/s，據此可計算。

圖5 主墩鉆孔樁平面布置圖

根據相關試驗研究成果[5]由s/d = 2.56查表得樁遮蔽系數k2= -0.05，樁群阻力橫向影響系數近似取為k2= 1。根據趙萌[6]等人對高雷諾數下有限長圓柱樁的阻力特性研究可知原型橋墩單樁阻力系數Cdp= 0.45，沿水流方向樁數n =10，垂直水流方向樁數m = 8，橋墩樁群總阻力系數:

計算得原型樁群總繞流阻力:

根據水槽試驗成果可知，4根×4根，4根×5根和5根×3根布置的模型樁群阻力與計算值較為接近，由于4根×5根布置的樁群布置形態與原型樁群更為接近，同時采用影響偏大的布置形式對工程來說是偏安全的，因此以4根×5 根共20根5 mm直徑的鐵絲組成模型碼頭樁群，可基本達到繞流阻力相似標準，橋墩樁群概化后形式見圖6。

圖6 杭州灣鐵路橋主墩模型概化圖

4 結 論

（1）本文通過水槽模型試驗測量幾種常用模型橋墩樁基排列形式在水深10 cm，流速20 cm/s條件下所受的繞流阻力。由試驗結果可知，樁群在垂直水流方向上樁數的增加直接影響阻水面積，因此樁群繞流阻力受垂直水流方向的樁數影響更明顯，而在沿水流方向上的樁數增加由于隱蔽效應繞流阻力增大相對較小。

（2）以杭州灣跨海鐵路橋主橋墩為例，對模型橋墩鉆孔樁群進行概化，選擇繞流阻力、阻水面積和樁群形態和原型較為接近的4根×5根樁群作為模型樁群。樁群的概化一方面便于采購模型材料，增強模型制作的可操作性，另一方面使模型橋墩基本達到阻力相似條件，提高模型試驗的準確性。