平行鋼絲索股與主鞍座抗滑移試驗(yàn)研究與分析
——以溫州甌江北口大橋?yàn)槔?/h1>
2019-07-18 02:46:38張?zhí)餃?/span>
城市建設(shè)理論研究(電子版) 2019年3期
張?zhí)餃?潘 濟(jì)
溫州甌江口大橋有限公司 浙江 溫州 325000
1.工程概況
溫州甌江北口大橋是甬臺溫高速公路復(fù)線和溫州市南金公路跨越甌江的控制性工程，跨江主橋?yàn)閲鴥?nèi)首座三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋，主纜橫向間距為41.8m，主纜跨度（230+800+800+358）m，矢高80m，矢跨比1/10.0。其布置見圖1。
該項(xiàng)目位于浙江省溫州市甌江出?？?，其中塔采用圓角矩形鋼沉井基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)斷面縱向長度55m，橫向?qū)挾?6m，高度68m，下部59m為填充混凝土鋼殼結(jié)構(gòu)，上部9m為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。共設(shè)置25個11.36m×9.16m井孔。中塔鋼沉井基礎(chǔ)主要尺寸如圖2所示。
圖1 溫州甌江北口大橋跨江主橋布置圖
圖2 中塔沉井結(jié)構(gòu)示意圖
2.自然條件概況
甌江口海況復(fù)雜，水域?qū)拸V，甌江河口附近海區(qū)潮汐屬于正規(guī)半日潮，是我國顯著的強(qiáng)潮海區(qū)之一。其地質(zhì)組成自上而下依次為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粉砂、粉質(zhì)粘土、卵石、粉砂、卵石、強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r、中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。根據(jù)溫州甌江口水文測驗(yàn)報告，橋位懸沙中值粒徑約0.006mm。另外，由地質(zhì)資料可知，工程區(qū)域河床上部全為沖海積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、海積淤泥，厚度可達(dá)30～40m，性質(zhì)差，底質(zhì)粒徑顆分表明甌江北汊河床可沖刷層物質(zhì)中值粒徑約為0.008mm。
3.試驗(yàn)概況
3.1 水槽模型設(shè)計
水槽模型主要模擬橋墩局部沖刷坑深度及形態(tài)，模型須按正態(tài)設(shè)計，即平面比尺和垂直比尺一致。試驗(yàn)在長40m，寬4.0m水槽中進(jìn)行。模型布置見圖3。
圖3 水槽布置圖
3.2 模型選沙
水槽模型動床試驗(yàn)主要任務(wù)是研究橋墩局部沖刷坑深度及大致形態(tài)，因此模型選沙主要考慮模型沙的起動相似和水下休止角的相似，適當(dāng)兼顧沉降相似。根據(jù)2008年11月工程區(qū)域附近的泥沙、水文測驗(yàn)，分析實(shí)測含沙量過程線，含沙量突然增大的拐點(diǎn)處相應(yīng)的垂線平均流速可以視為泥沙起動流速，綜合比較選定原型泥沙起動流速為1.0～1.8m/s。
模型按正態(tài)、雙向非恒定流設(shè)計，幾何比尺為100，模型水流滿足慣性力重力比相似和水流連續(xù)相似條件。根據(jù)起動流速與水下休止角的相似準(zhǔn)則，選取經(jīng)防腐處理的木粉作為模型沙，其中值粒徑=0.05mm，充分浸泡瀝干后比重為1.17t/m3，模型沙起動流速在10～ 16cm/s（水深10cm～25cm），按模型相似率模型沙起動流速需在10～18cm/s左右，因此模型沙起動流速基本滿足相似要求。
3.3 試驗(yàn)條件選取
根據(jù)上述橋位斷面水流及地形及變化情況，各墩起沖高程及沖刷試驗(yàn)水流條件見表1。試驗(yàn)時模型上、下游邊界采用水位控制。洪水試驗(yàn)分別采用恒定流和洪水過程兩種工況，恒定流取設(shè)計流速及其出現(xiàn)時對應(yīng)的水深；調(diào)試時調(diào)整上、下游水位，使試驗(yàn)斷面水深和流速與所需模型值一致即可，洪水作用下的水位流速過程見圖4。潮水試驗(yàn)采用非恒定流，設(shè)計潮型由數(shù)學(xué)模型提供，橋址處設(shè)計潮型及對應(yīng)的流速過程同見圖4。
表1 沖刷試驗(yàn)條件選取
圖4 溫州甌江北口大橋橋址處設(shè)計潮型
4.試驗(yàn)結(jié)果
4.1 沉井附近流速及流態(tài)變化情況
沉井入水后，流向沉井的水流受到墩身的阻擋，沉井四周水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，于沉井前產(chǎn)生側(cè)向收縮的繞流和下潛流，沉井后形成強(qiáng)烈旋渦。急劇改變的水流，強(qiáng)烈淘刷沉井附近床面和周圍的泥沙,隨之形成局部沖刷坑。為研究分析洪水動力條件下，沉井基礎(chǔ)入水后附近流態(tài)變化情況，在定床模型上布設(shè)了14條斷面，其中上游4條，下游及橋墩中心線共10條。布設(shè)斷面見圖5，模型施放的行近流速為3.0m/s。試驗(yàn)結(jié)果表明：
圖5 沉井周邊流態(tài)變化斷面監(jiān)測布設(shè)圖
（1）沿水流行近方向上，受沉井墩身阻礙，水流行近至墩前約200m時，橋墩上游水面開始壅高，流速開始減小,到達(dá)沉井前緣時水面壅高達(dá)到最高，與此同時沉井迎水面上流速也降至最低；墩后流態(tài)較為復(fù)雜，首先肉眼即可觀測到水面很不穩(wěn)定，伴有強(qiáng)烈的渦旋，渦旋的橫向范圍略大于沉井寬度，其次從流速上來看，由近及遠(yuǎn)，流速逐漸增大，當(dāng)遠(yuǎn)離沉井墩身至800～1000m時，流速逐漸恢復(fù)正常，同時觀測到的渦旋也漸漸消失。
（2）垂直水流方向上，水流在經(jīng)過沉井墩身時，兩側(cè)水流開始收縮集中加強(qiáng)，水面有所下降，另外，沉井入水使過水?dāng)嗝嬗兴s窄導(dǎo)致流速亦有所加強(qiáng)，試驗(yàn)測得，在沉井左、右兩側(cè)迎水面近區(qū)角上，流速急劇增大，沉井兩側(cè)流速增大20%的范圍即可達(dá)沉井自身寬度的1.6～2.0倍，流速增幅最大的區(qū)域位于沉井迎水端兩側(cè)角，此處也將是沉井局部沖刷最大的區(qū)域。
（3）綜合來看，行近水流在沉井迎水面前緣處的豎直對稱軸上流速減小為零，轉(zhuǎn)化為駐點(diǎn)壓力，隨著流速垂線向下逐漸減小，從而形成了向下的壓力梯度，迫使水流向下運(yùn)動，形成順時針旋渦。順時針漩渦與河床底部的縱向水流匯合后，形成圍繞沉井的馬蹄形旋渦。此外，水流在橋墩兩側(cè)發(fā)生分離并不斷隨機(jī)產(chǎn)生旋渦，與馬蹄形旋渦相互作用，隨即漩渦運(yùn)行至橋墩尾部。水流變化最劇烈的地方位于沉井迎水面左右兩側(cè)角上，沉井周邊流態(tài)變化見圖6。
圖6 沉井周邊流態(tài)變化示意圖（行近流速3.0m/s）
（4）運(yùn)用ADV流速儀進(jìn)一步分析沉井迎水面左右兩側(cè)角的紊流特性，主要包括縱向、橫向和垂向上三個方向流速分量（y、x和z）的紊流特性，測點(diǎn)的瞬時流速變化見圖6-6。由圖可見，沉井迎水面兩側(cè)角附近水體紊動強(qiáng)烈，分布極不均勻，三個方向的紊動強(qiáng)度自表層向下均呈現(xiàn)出增大的趨勢，最大值出現(xiàn)在近底區(qū)，這一紊動分布特征也是沉井產(chǎn)生局部沖刷的主要原因之一。
湍流紊動中定義的脈動流速為，其中為瞬時流速，為某時段內(nèi)流速的時均值，紊動強(qiáng)度的定義為脈動流速的均方根：
水平面上的相對紊動強(qiáng)度數(shù)值平均值介于0.56～0.81，平均值0.68，垂向紊動強(qiáng)度數(shù)值介于0.17～0.23，平均值0.21，因此，湍流紊動在水平面上的大小量級相當(dāng)，而垂向上的紊動強(qiáng)度約為水平紊動強(qiáng)度的1/3，表明該區(qū)域紊動具有一定的各向異性。試驗(yàn)測得縱向、橫向、垂向紊動強(qiáng)度最大可分別達(dá)到3.34m/s，2.07m/s，0.7m/s。
4.2 沉井沖刷情況
0.33 %洪水恒定流條件下，沉井局部沖刷坑最大沖刷深度為39.5m，出現(xiàn)在沉井墩身上游兩側(cè)角附近。洪水沖刷作用下，沉井墩身兩側(cè)的沖刷槽向下游延伸，墩身迎水端上游及兩側(cè)區(qū)域明顯較周邊深，其中從上游至下游，墩身兩側(cè)沖刷坑逐漸抬升，沉井下游側(cè)則出現(xiàn)帶狀淤積丘，沉井兩側(cè)沖刷坑橫向影響范圍約是沉井寬度的3～4倍，縱向沖刷坑影響范圍稍長，約是橋墩長度的4～6倍。
0.33 %洪水過程條件下，受漲潮流頂托作用，洪水大流速持續(xù)時間變短，但水流依然呈單向流狀態(tài)，試驗(yàn)測得沉井局部沖刷坑最大沖刷深度為33.7m，沖刷深度相比恒定流稍小，約為后者的0.85倍，沖刷最深點(diǎn)位置與恒定流條件下的結(jié)果一致，依舊出現(xiàn)在沉井墩身上游兩側(cè)角附近；沖刷坑形態(tài)方面，與恒定流條件下的大致相當(dāng)。
0.33 %潮流沖刷后，由于落潮流流速大于漲潮流流速，落潮流明顯占優(yōu)，沉井局部沖刷坑最大沖刷深度為30.9m，最深點(diǎn)依然出現(xiàn)在沉井墩身上游兩側(cè)角附近。
5.結(jié)論與建議
橋墩沖刷水槽模型試驗(yàn)研究得到的是建橋引起的橋位附近河床一般沖刷及局部沖刷。綜合考慮各沖刷深度影響因素，最終確定0.33%洪水作用下甌江北口大橋中塔基礎(chǔ)局部沖刷深度為33.7m，對應(yīng)最低沖刷高程中塔為-49.7m。
（1）鑒于橋墩局部沖刷深度合理科學(xué)的確定是大橋安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此，設(shè)計單位應(yīng)結(jié)合專題研究成果并充分考慮各方面因素綜合確定沖刷深度。
（2）橋墩施工完畢撤場時應(yīng)清除輔助施工設(shè)施，使橋墩處于設(shè)計狀態(tài)，以免施工輔助設(shè)施引起或與橋墩聯(lián)合引起不必要的沖刷。
（3）鑒于長江口入海泥沙減少、周邊圍墾及其它大規(guī)模人類活動等仍在持續(xù)，而且其影響往往滯后于工程建設(shè)，必將導(dǎo)致工程海域床面的進(jìn)一步?jīng)_淤變化，建議密切關(guān)注附近的涉水工程建設(shè)項(xiàng)目，并及時監(jiān)測海域的灘槽穩(wěn)定性，綜合評估橋墩局部沖刷的安全狀況。
（4）甌江北口大橋位于強(qiáng)潮河口水域，潮汐動力強(qiáng)勁，施工期沉井下沉過程造成的河床沖刷亦值得重點(diǎn)關(guān)注，此外運(yùn)行期各橋墩基礎(chǔ)沖刷幅度較大，建議考慮在橋墩的周邊床面采取必要的防沖、減沖措施。
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張?zhí)餃?潘 濟(jì)
溫州甌江口大橋有限公司 浙江 溫州 325000
1.工程概況
溫州甌江北口大橋是甬臺溫高速公路復(fù)線和溫州市南金公路跨越甌江的控制性工程，跨江主橋?yàn)閲鴥?nèi)首座三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋，主纜橫向間距為41.8m，主纜跨度（230+800+800+358）m，矢高80m，矢跨比1/10.0。其布置見圖1。
該項(xiàng)目位于浙江省溫州市甌江出?？?，其中塔采用圓角矩形鋼沉井基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)斷面縱向長度55m，橫向?qū)挾?6m，高度68m，下部59m為填充混凝土鋼殼結(jié)構(gòu)，上部9m為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。共設(shè)置25個11.36m×9.16m井孔。中塔鋼沉井基礎(chǔ)主要尺寸如圖2所示。
圖1 溫州甌江北口大橋跨江主橋布置圖
圖2 中塔沉井結(jié)構(gòu)示意圖
2.自然條件概況
甌江口海況復(fù)雜，水域?qū)拸V，甌江河口附近海區(qū)潮汐屬于正規(guī)半日潮，是我國顯著的強(qiáng)潮海區(qū)之一。其地質(zhì)組成自上而下依次為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粉砂、粉質(zhì)粘土、卵石、粉砂、卵石、強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r、中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。根據(jù)溫州甌江口水文測驗(yàn)報告，橋位懸沙中值粒徑約0.006mm。另外，由地質(zhì)資料可知，工程區(qū)域河床上部全為沖海積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、海積淤泥，厚度可達(dá)30～40m，性質(zhì)差，底質(zhì)粒徑顆分表明甌江北汊河床可沖刷層物質(zhì)中值粒徑約為0.008mm。
3.試驗(yàn)概況
3.1 水槽模型設(shè)計
水槽模型主要模擬橋墩局部沖刷坑深度及形態(tài)，模型須按正態(tài)設(shè)計，即平面比尺和垂直比尺一致。試驗(yàn)在長40m，寬4.0m水槽中進(jìn)行。模型布置見圖3。
圖3 水槽布置圖
3.2 模型選沙
水槽模型動床試驗(yàn)主要任務(wù)是研究橋墩局部沖刷坑深度及大致形態(tài)，因此模型選沙主要考慮模型沙的起動相似和水下休止角的相似，適當(dāng)兼顧沉降相似。根據(jù)2008年11月工程區(qū)域附近的泥沙、水文測驗(yàn)，分析實(shí)測含沙量過程線，含沙量突然增大的拐點(diǎn)處相應(yīng)的垂線平均流速可以視為泥沙起動流速，綜合比較選定原型泥沙起動流速為1.0～1.8m/s。
模型按正態(tài)、雙向非恒定流設(shè)計，幾何比尺為100，模型水流滿足慣性力重力比相似和水流連續(xù)相似條件。根據(jù)起動流速與水下休止角的相似準(zhǔn)則，選取經(jīng)防腐處理的木粉作為模型沙，其中值粒徑=0.05mm，充分浸泡瀝干后比重為1.17t/m3，模型沙起動流速在10～ 16cm/s（水深10cm～25cm），按模型相似率模型沙起動流速需在10～18cm/s左右，因此模型沙起動流速基本滿足相似要求。
3.3 試驗(yàn)條件選取
根據(jù)上述橋位斷面水流及地形及變化情況，各墩起沖高程及沖刷試驗(yàn)水流條件見表1。試驗(yàn)時模型上、下游邊界采用水位控制。洪水試驗(yàn)分別采用恒定流和洪水過程兩種工況，恒定流取設(shè)計流速及其出現(xiàn)時對應(yīng)的水深；調(diào)試時調(diào)整上、下游水位，使試驗(yàn)斷面水深和流速與所需模型值一致即可，洪水作用下的水位流速過程見圖4。潮水試驗(yàn)采用非恒定流，設(shè)計潮型由數(shù)學(xué)模型提供，橋址處設(shè)計潮型及對應(yīng)的流速過程同見圖4。
表1 沖刷試驗(yàn)條件選取
圖4 溫州甌江北口大橋橋址處設(shè)計潮型
4.試驗(yàn)結(jié)果
4.1 沉井附近流速及流態(tài)變化情況
沉井入水后，流向沉井的水流受到墩身的阻擋，沉井四周水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，于沉井前產(chǎn)生側(cè)向收縮的繞流和下潛流，沉井后形成強(qiáng)烈旋渦。急劇改變的水流，強(qiáng)烈淘刷沉井附近床面和周圍的泥沙,隨之形成局部沖刷坑。為研究分析洪水動力條件下，沉井基礎(chǔ)入水后附近流態(tài)變化情況，在定床模型上布設(shè)了14條斷面，其中上游4條，下游及橋墩中心線共10條。布設(shè)斷面見圖5，模型施放的行近流速為3.0m/s。試驗(yàn)結(jié)果表明：
圖5 沉井周邊流態(tài)變化斷面監(jiān)測布設(shè)圖
（1）沿水流行近方向上，受沉井墩身阻礙，水流行近至墩前約200m時，橋墩上游水面開始壅高，流速開始減小,到達(dá)沉井前緣時水面壅高達(dá)到最高，與此同時沉井迎水面上流速也降至最低；墩后流態(tài)較為復(fù)雜，首先肉眼即可觀測到水面很不穩(wěn)定，伴有強(qiáng)烈的渦旋，渦旋的橫向范圍略大于沉井寬度，其次從流速上來看，由近及遠(yuǎn)，流速逐漸增大，當(dāng)遠(yuǎn)離沉井墩身至800～1000m時，流速逐漸恢復(fù)正常，同時觀測到的渦旋也漸漸消失。
（2）垂直水流方向上，水流在經(jīng)過沉井墩身時，兩側(cè)水流開始收縮集中加強(qiáng)，水面有所下降，另外，沉井入水使過水?dāng)嗝嬗兴s窄導(dǎo)致流速亦有所加強(qiáng)，試驗(yàn)測得，在沉井左、右兩側(cè)迎水面近區(qū)角上，流速急劇增大，沉井兩側(cè)流速增大20%的范圍即可達(dá)沉井自身寬度的1.6～2.0倍，流速增幅最大的區(qū)域位于沉井迎水端兩側(cè)角，此處也將是沉井局部沖刷最大的區(qū)域。
（3）綜合來看，行近水流在沉井迎水面前緣處的豎直對稱軸上流速減小為零，轉(zhuǎn)化為駐點(diǎn)壓力，隨著流速垂線向下逐漸減小，從而形成了向下的壓力梯度，迫使水流向下運(yùn)動，形成順時針旋渦。順時針漩渦與河床底部的縱向水流匯合后，形成圍繞沉井的馬蹄形旋渦。此外，水流在橋墩兩側(cè)發(fā)生分離并不斷隨機(jī)產(chǎn)生旋渦，與馬蹄形旋渦相互作用，隨即漩渦運(yùn)行至橋墩尾部。水流變化最劇烈的地方位于沉井迎水面左右兩側(cè)角上，沉井周邊流態(tài)變化見圖6。
圖6 沉井周邊流態(tài)變化示意圖（行近流速3.0m/s）
（4）運(yùn)用ADV流速儀進(jìn)一步分析沉井迎水面左右兩側(cè)角的紊流特性，主要包括縱向、橫向和垂向上三個方向流速分量（y、x和z）的紊流特性，測點(diǎn)的瞬時流速變化見圖6-6。由圖可見，沉井迎水面兩側(cè)角附近水體紊動強(qiáng)烈，分布極不均勻，三個方向的紊動強(qiáng)度自表層向下均呈現(xiàn)出增大的趨勢，最大值出現(xiàn)在近底區(qū)，這一紊動分布特征也是沉井產(chǎn)生局部沖刷的主要原因之一。
湍流紊動中定義的脈動流速為，其中為瞬時流速，為某時段內(nèi)流速的時均值，紊動強(qiáng)度的定義為脈動流速的均方根：
水平面上的相對紊動強(qiáng)度數(shù)值平均值介于0.56～0.81，平均值0.68，垂向紊動強(qiáng)度數(shù)值介于0.17～0.23，平均值0.21，因此，湍流紊動在水平面上的大小量級相當(dāng)，而垂向上的紊動強(qiáng)度約為水平紊動強(qiáng)度的1/3，表明該區(qū)域紊動具有一定的各向異性。試驗(yàn)測得縱向、橫向、垂向紊動強(qiáng)度最大可分別達(dá)到3.34m/s，2.07m/s，0.7m/s。
4.2 沉井沖刷情況
0.33 %洪水恒定流條件下，沉井局部沖刷坑最大沖刷深度為39.5m，出現(xiàn)在沉井墩身上游兩側(cè)角附近。洪水沖刷作用下，沉井墩身兩側(cè)的沖刷槽向下游延伸，墩身迎水端上游及兩側(cè)區(qū)域明顯較周邊深，其中從上游至下游，墩身兩側(cè)沖刷坑逐漸抬升，沉井下游側(cè)則出現(xiàn)帶狀淤積丘，沉井兩側(cè)沖刷坑橫向影響范圍約是沉井寬度的3～4倍，縱向沖刷坑影響范圍稍長，約是橋墩長度的4～6倍。
0.33 %洪水過程條件下，受漲潮流頂托作用，洪水大流速持續(xù)時間變短，但水流依然呈單向流狀態(tài)，試驗(yàn)測得沉井局部沖刷坑最大沖刷深度為33.7m，沖刷深度相比恒定流稍小，約為后者的0.85倍，沖刷最深點(diǎn)位置與恒定流條件下的結(jié)果一致，依舊出現(xiàn)在沉井墩身上游兩側(cè)角附近；沖刷坑形態(tài)方面，與恒定流條件下的大致相當(dāng)。
0.33 %潮流沖刷后，由于落潮流流速大于漲潮流流速，落潮流明顯占優(yōu)，沉井局部沖刷坑最大沖刷深度為30.9m，最深點(diǎn)依然出現(xiàn)在沉井墩身上游兩側(cè)角附近。
5.結(jié)論與建議
橋墩沖刷水槽模型試驗(yàn)研究得到的是建橋引起的橋位附近河床一般沖刷及局部沖刷。綜合考慮各沖刷深度影響因素，最終確定0.33%洪水作用下甌江北口大橋中塔基礎(chǔ)局部沖刷深度為33.7m，對應(yīng)最低沖刷高程中塔為-49.7m。
（1）鑒于橋墩局部沖刷深度合理科學(xué)的確定是大橋安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此，設(shè)計單位應(yīng)結(jié)合專題研究成果并充分考慮各方面因素綜合確定沖刷深度。
（2）橋墩施工完畢撤場時應(yīng)清除輔助施工設(shè)施，使橋墩處于設(shè)計狀態(tài)，以免施工輔助設(shè)施引起或與橋墩聯(lián)合引起不必要的沖刷。
（3）鑒于長江口入海泥沙減少、周邊圍墾及其它大規(guī)模人類活動等仍在持續(xù)，而且其影響往往滯后于工程建設(shè)，必將導(dǎo)致工程海域床面的進(jìn)一步?jīng)_淤變化，建議密切關(guān)注附近的涉水工程建設(shè)項(xiàng)目，并及時監(jiān)測海域的灘槽穩(wěn)定性，綜合評估橋墩局部沖刷的安全狀況。
（4）甌江北口大橋位于強(qiáng)潮河口水域，潮汐動力強(qiáng)勁，施工期沉井下沉過程造成的河床沖刷亦值得重點(diǎn)關(guān)注，此外運(yùn)行期各橋墩基礎(chǔ)沖刷幅度較大，建議考慮在橋墩的周邊床面采取必要的防沖、減沖措施。
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