韓海騫，熊紹隆

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

針對單向水流情況下的橋墩局部沖刷，科技工作者根據(jù)現(xiàn)場實測資料、調(diào)查資料、模型試驗等多種途徑開展研究，系統(tǒng)分析了橋墩局部沖刷規(guī)律，先后提出了能量轉化法［1-2］、墩周擠壓水流學說［3］、馬蹄形旋渦理論、墩周清水環(huán)流切線流速理論、墩周旋渦束紊流等多種理論，總結出了橋墩局部沖刷深度與相關因子的相關關系［4-6］。

近年來，在沿海潮汐河口修建了很多大型、特大型橋梁，橋墩受徑流和潮流兩方面不同周期變化的影響，水文和河床變形十分復雜，加之橋梁跨度大、橋墩結構類型繁多，為此，不少單位針對具體問題進行了相關試驗研究［7-8］，如鐵道部科學研究院進行了錢塘江二橋橋墩沖刷試驗，河海大學海岸及海洋工程研究所進行了福建下白石特大橋橋墩局部沖刷試驗，南京水利科學研究院進行了江蘇蘇通長江大橋的橋墩局部沖刷研究等。這些試驗表明：徑流和潮流交互作用產(chǎn)生的橋墩沖刷深度較徑流 （主要是洪水）產(chǎn)生的橋墩沖刷深度要小20%～30%；橋墩最大沖刷位置，洪水一般在上游端及其兩側，大約左右各60°范圍內(nèi)，而潮流作用下最大沖刷深度的位置隨機性很大，可能出現(xiàn)在上、下游端與兩側；潮汐作用對沖刷的減少，自下游向上游逐漸減小，潮區(qū)界以上的橋梁則不受潮汐影響；最大洪峰和最低潮相遇，對沖刷最為不利。

1 研究方法

為進一步研究潮流作用下橋墩局部沖刷規(guī)律，作者通過對錢塘江河口及杭州灣的嘉紹大橋、杭州灣大橋和金塘大橋在潮流作用下的橋墩局部沖刷開展水槽試驗，研究了橋墩在潮流作用下的沖刷坑形態(tài)與沖刷過程，并對潮流作用下橋墩局部沖刷深度的主要影響因子進行了分析。

1.1 模型設計

橋墩局部沖刷模型主要研究橋墩周圍沖刷坑的形態(tài)及深度，需模擬由橋墩引起的馬蹄形漩渦等三維水流現(xiàn)象，因此按正態(tài)模型設計。

為了較好地反映橋墩對水流的影響，模型幾何比尺λl=lP／lm（下標p、m分別表示原型與模型，λ表示下標代表的某一物理量的比尺關系，下同）不宜過大，受場地、供水設備等限制，模型平面比尺不宜太小，綜合其他各方面因素 （如橋墩尺寸、模型沙選擇、表面張力與紊流限制條件等）［9］，確定局部沖刷模型幾何比尺范圍為50～100。

根據(jù)橋跨布設資料分析，除主通航孔跨度較大，橋墩相互影響可以忽略外，其他橋墩一般均需考慮相鄰橋墩的影響，因此水槽應模擬的寬度應盡可能寬。綜合考慮各橋跨的布設，確定水槽寬度為4.30m；水槽長度35.00m；主要考慮橋墩局部沖刷坑范圍以及水流平穩(wěn)等因素，確定動床段長10.00m，模型平面布置見圖1。

圖1 水槽模型布置示意圖

為使模型能較好地模擬原型的水流運動，除幾何相似外，還需滿足必要的動態(tài)與動力相似條件。模型水流必須滿足慣性力重力比相似條件λu=λh1／2和水流連續(xù)相似條件λt=λl／λu。

水流為往復性潮流，為此，模型按非恒定往復流設計，主要研究橋墩在潮流條件下的沖刷情況。

為了研究橋墩的局部沖刷，首先必須對橋墩處河床泥沙物理特性進行分析研究。水槽模型主要研究橋墩的最大沖刷深度，因此模型選沙主要考慮起動相似條件λuc=λu，此外選擇模型選沙時還需考慮其水下休止角的相似［10］。

1.2 試驗條件

嘉紹大橋位于錢塘江河口尖山河段的彎頂附近，建在上虞九六丘和海寧05圍區(qū)之間，工程附近潮差大，其下游澉浦和上游鹽官站平均潮差分別為5.68m和3.27m，澉浦最大實測潮差達9.00m；涌潮強勁，最大潮頭高度可達3.00m以上，漲潮流速最大實測垂線平均為5.58m／s，根據(jù)分析，最大漲潮流速可達7.50m／s以上；該河段泥沙均為細粉沙，中值粒徑0.0200～0.0400mm，抗沖能力低，平均沉降速度0.14cm／s，起動流速為0.64～0.72m／s，易沖易淤。

杭州灣大橋位于杭州灣中部，海鹽縣鄭家埭和慈溪市豐收閘之間，工程附近潮差也較大，其下游乍浦平均潮差為4.65m，最大實測潮差達7.57m；潮流呈往復流特征，根據(jù)分析，最大漲潮流速可達3.50m／s以上；灣內(nèi)泥沙以細顆粒懸移質為主，中值粒徑0.0040～0.0160mm，河床主要由亞砂土層和淤泥質亞黏土層構成，平均中值粒徑約0.0490mm。

金塘大橋位于錢塘江河口口門附近的灰鱉洋，建在寧波新泓口和舟山金塘島之間，工程附近潮汐為非正規(guī)淺海半日潮，多年平均潮差為1.91m，歷年最大潮差3.67m；潮流呈往復流特征，潮差越大，潮流流速也越大，根據(jù)分析，最大漲潮流速可達3.30m／s以上；懸沙的中值粒徑在0.0037～0.0134mm，主要為粉砂、黏土，床沙中值粒徑約0.0270mm。

錢塘江河口大缺口以下的尖山河段，雖然其主流的擺動在很大程度上受制于上游徑流的豐、枯變化，但由于江道在此處放寬率很大，大洪水對該河段水流的最大流速的影響已不十分明顯，橋墩的最不利沖刷主要是由大潮引起的；澉浦以下的杭州灣，漲、落潮潮流受上游徑流的影響更小，橋墩的最不利沖刷也是在大潮期間形成?？紤]到橋墩局部沖刷坑深度受水流流速大小的影響較大，而錢塘江河口水域潮差與流速又有著較好的正相關關系，即潮差越大、流速越大，因此，比照相關規(guī)范，提出了 “設計潮差”的概念，即統(tǒng)計工程附近常設站每年的最大潮差，進行潮差的頻率分析，主要受潮流作用的河口橋墩局部沖刷，水流條件采用設計潮差條件下的潮流。上述設計潮差條件的潮流或未曾發(fā)生或發(fā)生時橋位斷面無相應的水文測驗資料，可以利用大范圍數(shù)學模型及實體模型按照設計潮差的邊界條件進行計算，試驗后提供橋軸線處潮位、流速流向過程。

嘉紹大橋全長11.50km，主通航孔橋跨布設為70m+200m+5×428m+200m+70m，北副通航孔橋跨布設為70m+120m+70m，其他均為70m跨布置。杭州灣大橋全長36km，北航道橋采用90m+150m+448m+150m+90m五跨連續(xù)鉆石型雙塔雙索面鋼箱梁半漂浮體系斜拉橋方案，南航道橋采用100m+100m+228m三跨連續(xù)A型獨塔單索面鋼箱梁半漂浮體系斜拉橋方案，南北通航孔兩側高墩區(qū)均采用80m跨連續(xù)梁組合體系方案，北岸灘涂區(qū)、南邊灘為50m跨預應力混凝土連續(xù)箱梁，引橋為60m跨預應力混凝土連續(xù)箱梁。金塘大橋全長18.50km，主通航孔跨徑布置為50m+70m+165m+620m+165m+70m+50m，東通航孔跨徑布置為50m+102m+186m+102m+50m，西通航孔跨徑布置為50m+87m+156m+87m+50m，其他為非通航孔，橋梁跨徑均為50m，分別選取主墩、過渡墩和引橋橋墩等開展沖刷試驗。

2 潮汐沖刷過程

水槽模型試驗可清楚地反映出橋墩局部沖刷坑在潮流作用下的形成與演變過程。建橋后，橋墩前方水流一般在垂線最大流速相應高度稍下位置形成分界面，分界面以上水流，受阻轉向水面，引起水面雍高；分界面以下水流，受阻轉向河底，形成下降水流，在近床底造就一橫軸反向漩流，與縱向水流結合為繞墩柱兩側流向背流側的馬蹄形漩渦，于是橋墩周圍的床沙被沖起帶向下游，尤其是橋墩迎流側附近，沖刷坑即由此形成，被沖起的泥沙，隨漩渦運行至橋墩尾部，在漩渦轉而向上時，泥沙下沉落淤成為縱向長條形小丘，而橋墩兩側也由于水流動能的增加引起沖刷。

圖2為杭州灣大橋北主墩與南深槽橋墩沖刷坑高程隨時間變化圖，可以看出，初期橋墩附近河床快速下切形成沖刷坑，隨后沖刷迅速減小并漸趨穩(wěn)定，一個潮后沖刷坑即接近最深點，2～3個潮后即趨于平衡。這里需要說明的是圖中橫坐標為由水流連續(xù)時間比尺λt1換算得到的原型歷時，考慮選輕質沙產(chǎn)生的時間變態(tài)，根據(jù)對木粉進行若干試驗的經(jīng)驗，一個潮約相當于2～3d，即5～7d沖刷坑即趨于平衡。

圖2 橋墩局部沖刷坑深度隨時間變化過程圖

從模型試驗中還可以看出橋墩沖刷坑在同一潮周期內(nèi)的演變情況，圖3為杭州灣大橋南通航孔主墩沖刷坑逐時高程變化過程圖。從圖3中可以看出，漲潮初期，隨著流速的增大，橋墩附近河床快速沖深，在漲急過后測點高程出現(xiàn)相對低點，然后隨著流速的減小略有回淤，至高平潮后期測點高程相對較高；轉流后隨著落潮流流速不斷加大，測點高程再次出現(xiàn)相對低點，至低平時又略有回淤。

圖3 杭州灣大橋南通航孔主墩沖刷坑逐時高程變化過程圖

上述規(guī)律亦可從1988年9月大潮期錢塘江彭埠大橋進行的橋墩局部沖刷坑定點逐時觀測資料中得到印證，沖刷坑觀測點布設在橋墩下游，實測資料表明，沖刷坑深度呈周期性變化，周期與潮周期一致，從涌潮到達始，沖刷坑急劇加深，至流急時，沖刷坑最深，15min，沖刷0.5m左右；漲急過后水深漸大，流速漸緩，沖刷轉為淤積，一直持續(xù)到高平潮，高平潮時沖刷坑底部最高，漲急至高平潮的2h多一點，淤高0.7～0.8m；落潮期水深漸淺，流速漸急，此時橋墩下游面為背水面，由繞流體尾渦影響，亦有沖刷，但是速率較小。

3 沖刷坑形態(tài)

在潮流作用下，橋墩迎流側水流受阻部分向上產(chǎn)生壅水，部分轉向河底形成下潛流，在近床底造就一橫軸反向漩流，與縱向水流結合造就馬蹄形漩渦，其余縱向水流則向橋墩兩側集中，在背流側形成尾渦。

本項研究橋墩均多為樁基承臺型 （嘉紹大橋為減小橋墩的影響，除主墩外，均取消了承臺，為高樁結構），在潮流作用下，漲潮時下游側水流向下形成漩流，河床刷深，在上游側尾部形成長條形小丘，兩側由于水流動能增加產(chǎn)生沖刷并向上游延伸；落潮時上游側水流向下形成漩流，河床刷深，而在下游側尾部形成長條形小丘，兩側亦由于水流動能增加產(chǎn)生沖刷并向下游延伸。隨著沖刷坑深度加大，水流挾帶泥沙的能力逐漸減弱直至達到?jīng)_淤相對平衡。各樁間由于樁的擠壓水流更趨集中，紊動強度亦有所增強，一般情況下沖刷最深，沖淤基本平衡時，沖刷坑形態(tài)見圖4、5，樁群間沖刷最深。橋墩兩側形成2條沖刷槽，上下游頭部則形成長條形小丘，共同構成了橋墩的沖刷坑。

圖4 北航道主墩沖刷坑形態(tài)圖

圖5 南航道主墩沖刷坑形態(tài)圖

杭州灣大橋北通航孔主墩由于該處漲潮流強于落潮流，最深點出現(xiàn)在靠下游側的樁群中，兩側的沖刷槽向上游延伸長度大于下游 （見圖4）。而南通航孔處漲、落潮流勢力相當，主墩沖刷坑最深點則有可能出現(xiàn)在任一側的樁群中，兩側的沖刷槽向上下游延伸長度也較為接近 （見圖5）。當落潮流較為強勁時，最大沖刷深度將在橋墩偏上游側，兩側的沖刷槽向下游延伸長度大于上游。

4 沖刷坑深度影響因子分析

根據(jù)潮流作用下橋墩局部沖刷試驗成果，可知橋墩在潮流作用下的局部沖刷深度按照影響程度分別與水流的流速、橋墩的阻水寬度、樁基的布置與樁型、河床泥沙的抗沖特性及水深等有關。

（1）沖刷坑深度隨流速的增加而增大。隨著水流流速的增大，水流的挾沙能力不斷增強，同時，橋墩周圍形成的各種漩流相應增強，泥沙起動概率增大，橋墩局部沖刷坑深度相應增大 （見圖6），從2組變流速 （橋墩、水深及泥沙粒徑等不變）的試驗中均可以看出這一現(xiàn)象。

圖6 橋墩局部沖刷坑深度與流速的關系圖

（2）沖刷坑深度一般隨橋墩阻水寬度的增加而增大。隨著橋墩阻水寬度的增加，橋墩兩側的水流得到加強，橋墩局部沖刷坑深度相應增大 （見圖7）。從3組變墩寬 （水流的水深、流速及泥沙粒徑等不變）試驗中均可以看出這一現(xiàn)象。

（3）橋墩的局部沖刷坑深度還與墩臺下樁群布置及樁型有關。圖8為啞鈴型橋墩樁群布置的2種常見型式圖，左圖順水流方向為 “梅花型”，右圖順水方向成排布設，稱之為 “條帶型”，從對比試驗中可以看出，“梅花型”布設橋墩阻水寬度較 “條帶型”大，但最大局部沖刷深度反而小，分析其原因，主要是由于 “梅花型”橋墩在來水方向上布置相對散亂，制約了橋墩周圍渦流的發(fā)展，進而沖刷少一些，而 “條帶型”因水流在條帶間相對集中，致沖刷坑深度明顯增大，但由于其阻水寬度小，沖刷坑的范圍也要較 “梅花型”小一些。

此外，在杭州灣大橋及金塘大橋的設計中廣泛采用了鋼管樁，根據(jù)受力要求，鋼管樁多按照不同角度設置為斜樁。試驗表明，采用斜樁后的橋墩局部沖刷坑較灌注樁（直樁）深，主要是由于斜樁阻水后，部分本來向上的水流由于斜樁的導水作用轉而向下，使得下降流強度加大，沖刷坑深度加深。

圖7 橋墩局部沖刷坑深度與墩寬的關系圖

圖8 不同橋墩樁基布置型式圖

（4）橋墩的局部沖刷坑深度隨河床泥沙起動流速的增大而減小，橋墩的局部沖刷除與水動力強弱密切相關外，河床的抗沖能力也直接影響沖刷坑的深度，河床泥沙抗沖能力強，則橋墩局部沖刷深度小，反之則大。

（5）橋墩的局部沖刷坑深度隨水深的變化規(guī)律上下游有所不同。在上游的袁浦大橋、復興大橋和下沙大橋等的試驗中橋墩的局部沖刷坑隨水深的增大而減小，而在下游段潮流作用下局部沖刷試驗中，橋墩的局部沖刷坑深度隨水深的增加略有增大。圖9為一組變水深 （橋墩、水流的流速及泥沙粒徑等不變）的試驗圖，可以看出，在河口潮流段，隨著水深的增大，沖刷坑深度略有增加。分析其原因，主要是隨著水深的增加，河床泥沙的起動流速有所增加，抗沖能力增強，會使沖刷坑偏小，而相同流速條件下，水深的增加會增加橋墩附近的單寬流量，隨著單寬流量的增加，水流對河床的沖刷強度要大一些。

圖9 橋墩局部沖刷坑深度與水深的關系圖

5 結 語

（1）本文利用水槽模型對錢塘江河口及杭州灣的幾座橋梁進行橋墩局部沖刷試驗，研究了潮流作用下橋墩局部沖刷坑的形成、沖刷坑形態(tài)等。

（2）對于過渡段及潮流段，潮流是河床沖刷的主要動力，可以雙向的潮流進行控制?？紤]到橋墩局部沖刷坑深度受水流流速大小的影響較大，而錢塘江河口水域潮差與流速又有著較好的正相關關系，即潮差越大、流速越大，因此，比照相關規(guī)范，提出了 “設計潮差”的概念。

（3）研究表明，沖淤基本平衡時樁群間由于樁的擠壓水流更趨集中，紊動強度有所增強，沖刷最深，橋墩兩側形成2條沖刷槽，上下游頭部則形成長條形小丘，共同構成了橋墩的沖刷坑。

（4）橋墩沖刷坑在同一潮周期內(nèi)呈現(xiàn)如下演變規(guī)律：在漲急過后測點高程出現(xiàn)相對低點，然后由于流速的減小略有回淤，至高平潮后期測點高程相對較高；隨著落潮流流速不斷加大，測點高程再次出現(xiàn)相對低點，至低平時又略有回淤。

（5）根據(jù)潮流作用下橋墩的局部沖刷試驗成果，可知橋墩沖刷坑深度隨流速的增加、橋墩阻水寬度的增加、河床泥沙抗沖能力的減弱以及水深的增大而增大。

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