跨海鐵路橋梁深水基礎沖刷數值模擬

陳經偉

中鐵上海設計院集團有限公司， 上海 200070

1 工程概況

新建頭門港鐵路支線二期工程位于浙江省臺州市臨海市，起自頭門港站，向東延伸進入臺州灣，經大竹山島，止于頭門島。起止里程為DK44 + 526.66—DK56 + 685.59。鐵路正線為Ⅲ級單線，鋪設有砟軌道，設計采用ZKH活載。設計行車速度為80 km/h。跨海鐵路頭門港大橋全長12 158.93 m。

根據2008年全年觀測數據，設計高水位取高潮累積頻率10%的潮位，設計低水位取低潮累積頻率90%的潮位，計算得出設計高水位為2.83 m，設計低水位為-2.37 m。橋址區百年一遇水位為5.63 m，五十年一遇水位為5.31 m。

橋址區頭門島海域漲落潮時差達2 h以上。最高潮差達4 m［1］。大潮漲潮、落潮最大垂線上水流平均流速分別為0.54、0.63 m/s；小潮漲潮、落潮最大垂線上水流平均流速均為0.35 m/s［2］。該海域波高較大，由岸向島波浪總體上呈逐漸增大趨勢。按五十年一遇風速和百年一遇水位進行計算，橋址區有效波高在2.2 ～ 3.9 m。

頭門港鐵路支線二期工程位于漲落潮潮差明顯海域，地層以黏土和夾砂粉質黏土為主。其中跨海鐵路橋梁深水基礎尺寸較大，受水深、流向、流速、橋墩或基礎的形狀、泥沙特性等諸多因素影響，沖刷機理復雜。設計時須要考慮風、浪及其聯合作用對基礎的沖刷問題。沖刷深度會直接影響橋墩基礎的剛度，進一步影響鐵路運營的安全性和舒適性。

2 局部沖刷計算

2.1 測點布置及橋墩選擇

在工程所在海域選取6個代表性測點，測點位置見圖1。百年一遇水位和五十年一遇水位下各代表性測點處水深見表1。

表1 各測點水深

圖1 代表性測點位置

根據跨海鐵路頭門港大橋300個橋墩的尺寸及排列方式，選取測點W1—測點W6附近的7個典型橋墩，進行沖刷分析。

①W1附近的38#橋墩承臺尺寸為6 m（順橋向） ×6 m（橫橋向），樁基礎為5根直徑1.25 m樁。

②W2附近的110#橋墩、W3附近的159#橋墩承臺尺寸均為6.3 m（順橋向） × 9.3 m（橫橋向），樁基礎均為5根直徑1.25 m樁。

③W4附近的190#橋墩、W5附近的210#橋墩承臺尺寸均為8.0 m（順橋向） × 13.0 m（橫橋向），樁基礎均為6根直徑2.20 m樁。

④W5附近的214#橋墩（主橋）承臺尺寸為23.5 m（順橋向） × 23.5 m（橫橋向），樁基礎均為25根直徑2.20 m樁。

⑤W6附近的245#橋墩承臺尺寸為11.0 m（順橋向） × 15.0 m（橫橋向），樁基礎為8根直徑2.2 m樁。

2.2 沖刷深度和沖刷面積計算

韓海騫收集了潮流作用下杭州灣大橋、金塘大橋和沽渚大橋的實測沖刷數據，結合60多組水槽試驗結果計算了橋墩的最大沖刷深度，并采用因次分析法，推導出潮流作用下橋墩局部沖刷深度公式［3］。即

式中：dse為橋墩局部沖刷深度；kx、ky為基礎樁順橋向、橫橋向布置系數；D為最大水深條件下按水深加權的阻水寬度；u為最大流速；h為最大行進水深；d50為河床泥沙的平均中值粒徑。

根據馬蹄形渦流能量與沖刷坑內泥沙外移所需能量的平衡關系，孫志林推導了橋墩周圍局部沖刷深度公式［4］［式（2）］，并采用杭州灣跨海大橋的實測橋墩局部沖刷深度數據和文獻［5］的室內試驗結果，對公式的準確性進行了驗證。

式中：H為水深；ks為墩形系數；f(B0/D)為受橋墩影響的阻水寬度；ρs、ρw分別為泥沙、水流的密度；?為泥沙水下休止角；P為泥沙孔隙度；Fr為水流的弗勞德數。

采用美國HEC-18公式［6］計算沖刷深度時，綜合考慮樁基、承臺、墩身對橋墩局部沖刷深度的貢獻值，最后進行疊加，即

式中：K1為橋墩形狀系數；K2為橋墩水流夾角系數；K3為河床床面系數。

JTG C30—2015《公路工程水文勘測設計規范》中黏性土河床橋墩局部沖刷深度計算公式為

式中：B為橋墩或承臺的寬度；IL為沖刷坑范圍內黏性土液性指數；v為一般沖刷后墩前行進流速；hP為橋下一般沖刷后最大水深。

為研究不同沖刷深度計算公式的差異，采用孫志林公式、韓海騫公式、美國HEC-18公式和JTG C30—2015中推薦的橋墩局部沖刷深度計算公式，考慮工程所在海域水流速度、泥沙粒徑和橋墩寬度對于局部沖刷的影響，結合橋墩周圍最大流速和對應水深對橋墩局部沖刷深度進行計算。結果見表2。

表2 百年一遇水位下橋墩周圍局部沖刷深度

由表2可知：不管承臺順橋向尺寸如何變化，總體上孫志林公式和HEC-18公式計算的局部沖刷深度偏大，韓海騫公式計算值最小。因此，橋梁設計時宜采用規范公式計算局部沖刷深度。

Das等［7］進行了局部沖刷試驗，根據試驗數據推導出沖刷坑范圍計算公式，即

式中：A為沖刷坑面積。

采用Das沖刷坑范圍公式計算百年一遇水位時各橋墩處沖刷坑面積，結果見表3。可知：總體上順橋向承臺尺寸越大沖刷坑面積越大，214#橋墩處沖刷坑面積比其他測點處都大。

表3 百年一遇水位時各橋墩處沖刷坑面積

3 潮汐水流沖淤計算

工程所在海域的潮汐水流主要為正規半日潮，總體為往復流。由于泥沙運動的復雜性，其運移機理尚不清楚，本文采用半經驗半理論的沖淤計算公式［8］，計算沖淤平衡后水深變化量（ΔH最終）。計算式為

式中：h1、h2分別為橋梁建成前后水深；V2、V2分別為橋梁建成前后垂線上水流平均流速。

橋梁建成后橋址區北洋涂向南彎折區水深下降了0.5 ～ 0.7 m，疏港公路北側水深下降了0.3 ～ 0.4 m，大竹山附近水深下降了0.4 ～ 0.5 m，頭門島附近水深下降了0.6 ～ 0.8 m。

4 局部沖刷數值模擬

跨海鐵路頭門港大橋橋墩之間的沖刷為一般沖刷。根據JTG C30—2015中8.3節一般沖刷公式計算可得，頭門港跨海大橋一般沖刷深度為3 ～ 5 cm。

4.1 建立模型

為了研究數值模擬方法用于局部沖刷分析的可行性，建立二維流場數值模型。因一般沖刷深度僅3 ～ 5 cm，分析局部沖刷時可不考慮一般沖刷的影響。

選取測點W3—測點W6附近四類橋墩（159#、190#、214#和245#）進行計算。水流入口設定流速邊界，水流出口設定水位邊界，兩側為固定邊界，泥沙運移邊界條件設置為0，即泥沙不運移。

初始水位設置為0，水中含沙量設置為0。時間步長取0.001 s，結果輸出時間間隔為30 s。

4.2 計算結果分析

1）橋墩處水流速度

各測點附近橋墩處水流速度（v′）對比見圖2。可知： 159#、190#、214#（主橋）、245#橋墩墩前水流速度分別為2.88、2.75、2.69、2.46 m/s，橋墩承臺兩側最大繞流速度分別達到4.20、3.45、4.35、3.79 m/s。由于橋墩和承臺阻水作用，水流達到承臺正前方時流速減小；與墩前水流速度相比，承臺兩側繞流的流速明顯增大，并在承臺后方形成一對漩渦。

圖2 各測點附近橋墩處水流速度對比

2）橋墩處沖刷深度

159#、190#、214#（主橋）、245#橋墩處最大沖刷深度分別為5.90、7.19、8.67、7.07 m。

將數值分析所得局部沖刷深度與前文理論公式計算的沖刷深度進行對比，見表4。可知：承臺順橋向尺寸在8 ～ 11 m時，與孫志林公式計算值相比，數值模擬值和規范公式計算值更接近。這說明數值模擬結果具有一定的參考性，可用于局部沖刷分析。

表4 局部沖刷深度對比

5 結論

對跨海鐵路頭門港大橋7個典型橋墩局部沖刷深度、沖刷坑面積及建橋前后水深變化量進行了理論計算和數值模擬。主要結論如下：

1）不管承臺順橋向尺寸如何變化，孫志林公式和HEC-18公式計算值偏大，韓海騫公式計算的沖刷深度最小。橋梁設計時宜采用規范公式計算沖刷深度。

2）總體上承臺順橋向尺寸越大，沖刷坑面積越大。

3）跨海鐵路頭門港大橋橋墩間為一般沖刷，沖刷深度在3 ～ 5 cm，故分析該橋址處局部沖刷時可不考慮一般沖刷的影響。

4）承臺順橋向尺寸在8 ～ 11 m時，與孫志林公式計算值相比，數值模擬的橋墩局部沖刷深度與規范計算值更相近，可采用數值模擬方法進行橋墩局部沖刷分析。