趙東梁,韓鵬鵬,張 磊

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040;3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430040)

0 引言

橋梁下部結(jié)構(gòu)作為重要的支承部位,在復(fù)雜水流環(huán)境和地質(zhì)條件下為保持橋梁的正常運(yùn)行發(fā)揮著重要作用[1]。在長(zhǎng)期水流沖刷作用下,橋墩基礎(chǔ)周圍開始產(chǎn)生局部沖刷坑,降低橋墩基礎(chǔ)支承能力[2]。橋墩沖刷的理論本質(zhì)為橋墩結(jié)構(gòu)與周圍水沙的相互作用[3],橋墩沖刷過程除了自然演變沖刷外,一般分為一般沖刷和局部沖刷[4]。自然條件下,一般沖刷和局部沖刷交織在一起同時(shí)進(jìn)行,過程十分復(fù)雜,現(xiàn)有大多數(shù)大型橋梁都通過物理模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)沖刷深度。物理模型試驗(yàn)有助于認(rèn)識(shí)沖刷過程中各種流動(dòng)現(xiàn)象和沖刷機(jī)理[5],也有助于歸納總結(jié)出各因素對(duì)最大局部沖刷深度的影響規(guī)律和指導(dǎo)工程應(yīng)用,但試驗(yàn)設(shè)備的擾動(dòng)及縮尺模型所帶來的尺度效應(yīng)、特殊流動(dòng)條件下的沖刷研究等仍然是模型試驗(yàn)難以解決的問題。

目前確定淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土起動(dòng)流速最有效的方法是進(jìn)行原狀土抗沖試驗(yàn),由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的起動(dòng)與沖刷往往呈片狀駁蝕[6],因此,無論物理模型試驗(yàn)還是數(shù)值計(jì)算,在研究黏性土的沖刷問題時(shí)精度均難以保證。并且目前樁墩基礎(chǔ)局部沖刷問題的研究主要集中在細(xì)長(zhǎng)樁[7],針對(duì)平面尺度較大的類似沉井基礎(chǔ)的沖刷研究相對(duì)較少。本文針對(duì)常泰長(zhǎng)江大橋中塔5號(hào)沉井的沖刷問題,開展物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的對(duì)比分析研究,結(jié)果可為水中大型橋墩基礎(chǔ)的沖刷研究提供參考。

1 工程概況

常泰長(zhǎng)江大橋連接常州和泰州,為主跨1 176m的雙層斜拉橋。5號(hào)主塔基礎(chǔ)為目前世界上最大的水中圓端形沉井基礎(chǔ),5號(hào)沉井基礎(chǔ)位于長(zhǎng)江主航道北側(cè)靠泰州一側(cè);沉井底面尺寸95.0m×57.8m,圓端半徑28.9m;沉井頂高程7.000m,底高程-65.000m, 總高72.0m;沉井外井壁厚1.8m,內(nèi)井壁厚2.0m,隔墻厚1.4m。5號(hào)墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5號(hào)墩沉井結(jié)構(gòu)

沉井橋位處20年一遇斷面垂線平均最大流速為1.93～2.1m/s,枯水期垂線平均最大流速<1.05m/s?？菁敬蟪焙椭谐毕嗖畈淮?平均落潮流速為0.5～0.8m/s,平均漲潮流速<0.57m/s。地質(zhì)條件是影響局部沖刷的重要因素,5號(hào)墩沉井位于主航道北側(cè),地形平穩(wěn)。河床平均標(biāo)高-14.500m,-14.500～-16.990m為表層松散粉砂層,厚度為2.49m,粒徑為0.075mm;-16.990～-22.310m為硬塑粉質(zhì)黏土層,厚度為5.32m,黏聚力為35.8kPa;-22.310～-24.020m 為中密粉砂層,厚度為1.72m,粒徑為0.075mm;-24.020～-25.960m 為軟塑粉質(zhì)黏土層,厚度為1.94m,黏聚力為18.4kPa;-25.960～-34.510m為中密細(xì)砂層,厚度為8.55m,粒徑為0.075mm;-34.510～-39.890m為中密粉砂層;-39.890～-50.330m為密實(shí)細(xì)砂層;-50.330～-56.830m 為密實(shí)中砂層;-56.830～-65.000m為密實(shí)粗砂層,持力層為密實(shí)粗砂層。

2 模型試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)方案

模型試驗(yàn)在長(zhǎng)34m、凈寬4.8m的水槽中進(jìn)行,泥沙動(dòng)床段長(zhǎng)5m、寬4.8m,鋪沙厚度0.6m,橋墩基礎(chǔ)布置在試驗(yàn)段中央。模型設(shè)計(jì)時(shí),綜合考慮了流速、雷諾數(shù)、水深、水下休止角、橋墩壓縮比等基本條件,確定模型幾何比例尺為1∶100,水流連續(xù)相似,流速比例尺為1∶10。模型沙經(jīng)過竇國(guó)仁公式[8]換算后,采用中值粒徑為0.68mm的木屑代替。在初始流速作用下,沖刷坑不斷加深和擴(kuò)大,坑底流速逐漸降低,水流挾沙能力隨之減弱,水流的沖刷作用與床沙的抗沖作用趨向平衡,沖深隨之停止,此時(shí)局部沖刷坑達(dá)到最深,床面趨于穩(wěn)定。不分層和分層沖刷試驗(yàn)均是模擬沉井入土穩(wěn)定后原始河床面的最大沖刷深度和沖刷形態(tài)。

不分層沖刷試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕碁閱我唤橘|(zhì),不考慮實(shí)際地質(zhì)條件的泥沙分層和黏土層的影響。沉井著床入土后,采用1.0,1.5,2.0,2.5m/s 4組原型流速對(duì)應(yīng)的模型流速?zèng)_刷2.5h至床面穩(wěn)定。

分層沖刷試驗(yàn)根據(jù)實(shí)測(cè)地質(zhì)分布和原狀土沖刷試驗(yàn)資料,動(dòng)床模型上層采用2.5cm厚的模型沙模擬實(shí)際地層表層2.5m厚的松散粉砂層,中層采用厚5.3cm、中值粒徑為1.0mm的天然砂模擬實(shí)際地層中5.3m厚的硬塑粉質(zhì)黏土層,下層采用模型沙模擬實(shí)際地層中其他土層。分層沖刷試驗(yàn)同樣是在沉井入土穩(wěn)定后,模擬原型流速1.5,2.5m/s沖刷2.5h后的床面穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 不分層沖刷試驗(yàn)

沉井著床后,在1.0m/s流速作用下最大沖刷深度為14.3m,沖深后的高程為-28.800m;在1.5m/s流速作用下最大沖刷深度為21.5m,沖深后的高程為-36.000m;在2.0m/s流速作用下最大沖刷深度為27.3m,沖深后的高程為-41.800m;在2.5m/s流速作用下最大沖刷深度為30.2m,沖深后的高程為-44.700m。沉井在1.0,1.5m/s流速下模型試驗(yàn)沖刷等深線變化結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同流速作用下模型試驗(yàn)沖刷等深線變化

2.3 分層沖刷試驗(yàn)

分層沖刷試驗(yàn)主要模擬沉井著床時(shí)河床的沖刷狀態(tài),沉井入土后,周邊原狀土被破壞,土層的起動(dòng)流速明顯減小,入土后的沖刷基本與不分層試驗(yàn)沖刷相似。在1.5m/s流速作用下最大沖刷深度為2.5m,沖深后的高程為-17.000m,在該流速條件下硬塑粉質(zhì)黏土層基本不沖刷;在2.5m/s流速作用下最大沖刷深度為7.1m,沖深后的高程為-21.600m, 在該流速條件下硬塑粉質(zhì)黏土層被沖刷4.6m。沉井在2.5m/s流速作用下的模型試驗(yàn)沖刷狀態(tài)如圖3所示。

圖3 2.5m/s流速作用下分層模型試驗(yàn)沖刷狀態(tài)

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 計(jì)算條件與計(jì)算工況

CFD數(shù)值模擬采用RNGk-ω紊流模型,模型幾何比例尺與物理模型試驗(yàn)保持一致為1∶100,原型沙采用粗細(xì)顆粒起動(dòng)流速公式[9],泥沙起動(dòng)流速為0.52～0.69m/s,數(shù)值計(jì)算中采用中值粒徑為0.68mm、水下休止角為32.7°的泥沙,泥沙起動(dòng)流速約為0.06m/s,滿足沖刷模型的幾何相似與運(yùn)動(dòng)相似,泥沙數(shù)值運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算采用水動(dòng)力模塊計(jì)算出沉井周圍的流場(chǎng)分布,根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算出河床表面的剪應(yīng)力,確定泥沙顆粒起動(dòng)、上舉、漂移運(yùn)動(dòng)狀態(tài),結(jié)合泥沙動(dòng)力模型得到水流與泥沙耦合運(yùn)動(dòng)。數(shù)值模型進(jìn)口采用速度邊界,出口采用壓力邊界,模型兩邊采用對(duì)稱邊界,下部采用墻邊界,上部采用壓力邊界。采用自適應(yīng)步長(zhǎng),初始步長(zhǎng)為0.001s,網(wǎng)格計(jì)算時(shí)間為3h,如圖4所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算邊界條件

為研究不同流速下沉井周圍河床地形變化,當(dāng)水深14.5m時(shí),觀察流速分別為1.0,1.5,2.0m/s條件下沉井周圍局部沖刷歷時(shí)演變。

在沉井施工區(qū)域,河床面以下2.5m為粉砂層,粉砂層下面為黏性土層,為解決土體間黏性問題,引入等價(jià)粒徑的概念,本文采用等價(jià)粒徑經(jīng)驗(yàn)公式[10],根據(jù)硬塑粉質(zhì)黏土的黏聚力換算其等價(jià)粒徑為26mm,進(jìn)行多土層下河床局部沖刷數(shù)值模擬。在原型水深14.5m及行進(jìn)流速分別為1.5,2.0,2.5m/s的條件下,模擬計(jì)算沉井基礎(chǔ)的水流形態(tài),分析流場(chǎng)分布及河床沖刷間的關(guān)系。

3.2 不分層數(shù)值計(jì)算

水流流經(jīng)沉井時(shí),造成局部繞流的水流形態(tài),流速有所增加,水流對(duì)河床的臨界剪切力增加,泥沙逐漸起動(dòng)形成沖刷坑。沉井正前方,由于沉井對(duì)水流形成阻礙作用,導(dǎo)致水流流速減小,因此并未對(duì)河床形成沖刷;在沉井前側(cè)部,由于繞流作用流速增加,形成馬蹄形沖刷坑;流速沿水流方向逐漸降低,沖刷深度隨之有所降低,在沉井后部形成渦流區(qū),因此泥沙在此沉積。在1.0m/s流速作用下沉井前端兩側(cè)最大沖刷深度為7.8m,沖深后的高程為-22.300m; 在1.5m/s流速作用下沉井前端兩側(cè)最大沖刷深度為13.2m,沖深后的高程為 -27.700m; 在2.0m/s流速作用下最大沖刷深度為19.9m,沖深后的高程為-34.400m?？傮w來說,隨著流速增加,沖刷深度隨之增大,沖刷坑的范圍也隨之?dāng)U大。沉井在2.0m/s流速作用下的流場(chǎng)分布和沖刷地形如圖5,6所示。

圖5 2.0m/s流速作用下流場(chǎng)分布

圖6 2.0m/s流速作用下沖刷地形側(cè)視圖

3.3 分層數(shù)值計(jì)算

由圖7可知,水流流速2.5m/s的數(shù)值模擬結(jié)果與圖4中流速2.0m/s的結(jié)果類似,由于沉井阻水效應(yīng),流速在正前方下降明顯,水流在沉井前端兩側(cè)受到壓縮流速急劇上升至3.86m/s,流速增加區(qū)域主要在圓角附近。沉井尾部由于水流逆壓梯度的存在,水流在沉井后部形成漩渦,造成流速降低。

圖7 2.5m/s流速作用下流場(chǎng)分布

由圖8所示數(shù)值模擬結(jié)果可看出,受到流速的影響,河床最上層粉砂層整體發(fā)生一般沖刷,在實(shí)際狀態(tài)下沖刷5h后,除沉井正前端少部分外,粉砂層整體移動(dòng)至下游。粉質(zhì)黏土層由于黏聚力較大,沉井最大沖刷深度發(fā)生在前端圓角處,在2m/s流速作用下,實(shí)際狀態(tài)下沖刷20h達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),最大沖刷深度為2.8m,除去2.49m的粉砂層,在此狀態(tài)下粉質(zhì)黏土層僅沖了0.31m。1.5m/s流速作用下的沖刷狀態(tài)與2m/s流速的沖刷狀態(tài)類似,1.5m/s流速作用下的大部分粉砂層發(fā)生一般沖刷,粉質(zhì)黏土層基本沒有發(fā)生沖刷。

圖8 2.0m/s流速作用下5h和20h沖刷地形云圖

由CFD數(shù)值模擬沖刷歷時(shí)過程可知,在流速2.5m/s作用下,表層2.49m粉砂層在水流作用下完全被挾帶至下游,隨著時(shí)間推移,在沉井圓角上游迎水面處淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)l(fā)生起動(dòng),黏土起動(dòng)具有一定隨機(jī)性,且呈片狀剝離狀態(tài)離開原始河床面,目前尚無規(guī)范描述,因此,本文中數(shù)值模擬采取等效沙顆粒進(jìn)行模擬。由圖7所示流場(chǎng)分布可看出,流速在沉井前端圓角附近達(dá)到最大,因此沖刷坑最先在此形成,在20h后沖刷深度達(dá)到穩(wěn)定,最大沖刷深度約為4.5m,其中粉砂層2.49m,粉質(zhì)黏土層2.01m。隨著沿水流方向流速逐漸降低,水流的挾沙能力下降,在沉井中部開始沉積,淤積高度約為0.75m,即沉井前端圓角大部分泥沙顆粒由床沙轉(zhuǎn)換為推移質(zhì),并未進(jìn)一步隨水流紊動(dòng)形成懸疑質(zhì),在沉井后部受到沉井遮蔽效應(yīng)影響,流速降低,水流中懸疑質(zhì)在此沉積。2.5m/s流速作用下20h沖刷地形如圖9所示。

圖9 2.5m/s流速作用下20h沖刷地形

由圖9所示數(shù)值計(jì)算沖刷結(jié)果可看出,沉井兩側(cè)約60m、沉井前端10m、后端20m范圍內(nèi)厚度2.49m的粉砂層,在水流作用下完全被挾帶至下游,發(fā)生床面整體沖刷;表層松散粉砂被沖走之后,下層粉質(zhì)黏土在水流作用下,在沉井前面圓端形井壁兩側(cè)出現(xiàn)直徑約10m的半圓形沖刷坑,沖刷的泥土在沉井中部和尾部?jī)蓚?cè)淤積,中部?jī)蓚?cè)淤積范圍形成約直徑20m的半圓。沉井的前沖后淤若發(fā)生在定位著床階段,極易造成沉井偏位或傾斜;若發(fā)生在沉井取土下沉初期,沉井刃腳處于粉質(zhì)黏土層中,則沉井底部支撐受力不均,存在結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)。

4 模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析

物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的原型水深均為14.5m,即假定原型河床面標(biāo)高為-14.500m。物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算在地質(zhì)不分層條件下不同流速的最大沖刷底標(biāo)高如圖10a所示,由圖10a可知,無論模型試驗(yàn)還是數(shù)值計(jì)算,最大沖刷深度均隨流速的增大而增大,且在同一原型流速下物理模型試驗(yàn)的最大沖刷深度大于數(shù)值計(jì)算的最大沖刷深度,主要原因?yàn)?①物理模型試驗(yàn)時(shí)采用竇國(guó)仁公式[8]計(jì)算出的起動(dòng)流速偏小,選取的模型沙質(zhì)量偏小;②物理模型試驗(yàn)中采用的木屑沙為長(zhǎng)條狀,而數(shù)值計(jì)算中的模型沙為圓顆粒狀,木屑沙相比于圓顆粒狀沙更加蓬松,在水流作用下更易被沖刷。

圖10 不同流速下沖刷最大深度

在地質(zhì)分層條件下不同流速的最大沖刷底標(biāo)高如圖10b所示,由圖10b可知,無論模型試驗(yàn)還是數(shù)值計(jì)算,在原型流速1.5m/s時(shí),發(fā)生最大沖刷區(qū)域均可將表層粉砂層沖掉,此外,與不分層沖刷規(guī)律相同,最大沖刷深度同樣隨流速的增大而增大;且在2.5m/s原型流速作用下,物理模型試驗(yàn)的最大沖刷深度遠(yuǎn)大于數(shù)值計(jì)算的最大沖刷深度,但比不分層物理模型試驗(yàn)的最大沖刷深度要小。模型試驗(yàn)的最大沖深大于數(shù)值計(jì)算的最大沖深與不分層的原因類似,另外,2.5m/s原型流速作用下的最大沖刷深度均沒有到粉質(zhì)黏土層的底標(biāo)高,說明粉質(zhì)黏土層阻沖刷效果明顯。

結(jié)合前面模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的沖刷結(jié)果可知,在地質(zhì)不分層條件下,物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的沖刷形態(tài)相似,最大沖刷深度位置基本一致。在地質(zhì)分層2.5m/s原型流速作用下,物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的沖刷形態(tài)有所不同,最大沖刷深度位置仍在沉井前端兩側(cè)圓角處,但物理模型試驗(yàn)中沉井兩側(cè)沒有形成明顯淤積,而數(shù)值計(jì)算中沉井中部和尾部?jī)蓚?cè)淤積明顯,造成這種差異的主要原因應(yīng)該是物理模型試驗(yàn)中采用天然沙模擬硬塑粉質(zhì)黏土,數(shù)值計(jì)算中是根據(jù)黏聚力換算等價(jià)粒徑的模型沙模擬硬塑粉質(zhì)黏土,數(shù)值計(jì)算中換算得到的模型沙粒徑遠(yuǎn)大于物理模型試驗(yàn)中天然沙粒徑。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沖刷的實(shí)際情況,數(shù)值計(jì)算的沖刷結(jié)果更貼合實(shí)際,而物理模型試驗(yàn)的沖刷結(jié)果相對(duì)保守。

5 結(jié)語

1)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得出,最大沖刷深度均隨流速的增大而增大,且在同一原型流速下,物理模型試驗(yàn)的最大沖刷深度大于數(shù)值計(jì)算的最大沖刷深度。

2)原型流速1.5m/s作用下,基本可將表層粉砂層沖掉,粉質(zhì)黏土層基本未沖刷;原型流速 2.5m/s 作用下,最大沖刷深度未到粉質(zhì)黏土層底標(biāo)高,粉質(zhì)黏土層阻沖刷效果明顯。

3)地質(zhì)不分層條件下,物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的沖刷形態(tài)相似;在地質(zhì)分層較大流速作用下,物理模型試驗(yàn)中沉井兩側(cè)未形成明顯淤積,而數(shù)值計(jì)算中沉井中部和尾部?jī)蓚?cè)淤積明顯。

4)數(shù)值計(jì)算的沖刷結(jié)果更加貼合實(shí)際,而物理模型試驗(yàn)的沖刷結(jié)果相對(duì)保守。