跨海橋梁基礎(chǔ)沖刷特征研究

楊元平 ，張芝永 ，李最森 ，曾 劍，韓佳楠，陳 剛

(1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；3.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近些年來我國(guó)沿海規(guī)劃、建設(shè)了眾多跨海橋梁，跨海橋梁基礎(chǔ)束窄過水?dāng)嗝?，水流流速加大引起橋梁近區(qū)海床一般沖刷，橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)局部繞流產(chǎn)生局部沖刷，橋梁基礎(chǔ)沖刷是影響大橋安全主要因素之一。一般沖刷深度通常小于局部沖刷深度，Melville 等[1]認(rèn)為一般沖刷深度僅約局部沖刷深度的10%，我國(guó)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了橋梁基礎(chǔ)的一般沖刷計(jì)算式，陳述等[2]對(duì)長(zhǎng)江下游河段水沙變化后橋梁一般沖刷進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果和實(shí)測(cè)較為接近。

橋墩局部沖刷采用的研究手段有物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬方法及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析等。Chiew 等[3]通過物理模型試驗(yàn)建立了沖刷平衡深度與流速、泥沙粒徑及水深相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，Sheppard[4]和Ettmer 等[5]又進(jìn)一步對(duì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式進(jìn)行了完善，美國(guó)交通部則建議采用HEC-18 公式作為橋梁局部沖刷計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)常用的橋墩局部沖刷公式有65-1 和65-2 公式，倪志輝等[6]采用數(shù)模計(jì)算橋梁海域動(dòng)力條件，并采用3 種公式對(duì)比計(jì)算多座跨海大橋橋墩的局部沖刷。以上研究所用公式主要基于單向流的試驗(yàn)成果或?qū)崪y(cè)資料，且使用條件限定于非黏性沙河床，均有一定的經(jīng)驗(yàn)性和局限性[7]。數(shù)值模擬橋墩局部沖刷目前尚處在探索階段。往復(fù)潮流作用下的橋墩沖刷問題，常用比尺物理模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，現(xiàn)有研究大多集中在沖刷深度方面[8-9]，對(duì)沖刷坑形態(tài)研究較少。比尺物理模型為了滿足泥沙起動(dòng)相似而采用非黏性輕質(zhì)沙，與海域的黏性沙性質(zhì)[10]差異較大。橋梁沖刷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析是認(rèn)識(shí)實(shí)際橋梁基礎(chǔ)沖刷可靠的研究方法，但現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)難度大、成本高，目前基于實(shí)測(cè)資料的跨海橋梁沖刷研究成果較少。

本文擬基于金塘大橋6 座引橋墩2014 年、2015 年和2017 年3 次橋墩局部沖刷實(shí)測(cè)資料，對(duì)往復(fù)潮流作用下典型跨海橋梁基礎(chǔ)的一般沖刷和局部沖刷坑尺度、沖刷形態(tài)進(jìn)行分析，研究成果有助于加深往復(fù)潮流作用下跨海大橋基礎(chǔ)局部沖刷問題的認(rèn)識(shí)，為大橋的沖刷預(yù)測(cè)、評(píng)估提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

金塘大橋位于杭州灣口南部，連接舟山金塘島與寧波市鎮(zhèn)海區(qū)，橋長(zhǎng)約18.5 km，大橋于2005 年開工建設(shè)，2009 年12 月通車運(yùn)營(yíng)。金塘大橋從西向東依次為西引橋、西通航孔、中引橋、主通航孔、東引橋、東通航孔，其中西通航孔距鎮(zhèn)海側(cè)現(xiàn)狀海塘約3.6 km，主通航孔距金塘島約3.8 km，東通航孔橫跨金塘島與大鵬山之間的瀝港水道，觀測(cè)研究的6 座引橋墩位于主通航孔與西通航孔之間，距主通航孔約1.6 km，位置見圖1。

圖1 金塘大橋及研究橋墩地理位置示意Fig.1 Location of Jintang Bridge and studied bridge piers

1.1 潮流動(dòng)力特征

大橋位于灰鱉洋海域，漲潮流由金塘水道流向灰鱉洋、杭州灣；落潮流則經(jīng)灰鱉洋納入金塘水道。海域潮流屬淺海半日潮流，呈明顯的往復(fù)流特征。圖2 為大橋?qū)崪y(cè)典型的潮流、潮位過程，漲落急流速出現(xiàn)在中潮位附近，為前進(jìn)波向駐波轉(zhuǎn)化階段，實(shí)測(cè)潮流N3 點(diǎn)位于研究橋墩北側(cè)約300 m（見圖1）。

圖2 潮位、潮流流速過程Fig.2 Time process of tidal elevation and velocity

橋墩局部地形測(cè)量期間，在研究橋墩附近的N3 點(diǎn)位進(jìn)行潮流測(cè)量，漲落急流速特征值統(tǒng)計(jì)見表1。大潮漲潮垂線平均最大流速為1.36～1.50 m/s，落潮垂線平均最大流速為1.45～1.81 m/s，落潮流速略大于漲潮流速，中引橋區(qū)漲落急流向與橋位軸線夾角為80°～90°。

表1 N3 點(diǎn)各測(cè)次潮流特征Tab.1 Tidal flow velocity characteristics

采用2014、2015 及2017 年研究橋墩附近N3點(diǎn)實(shí)測(cè)最大漲、落潮流速與鎮(zhèn)海潮位站漲、落潮潮差進(jìn)行相關(guān)性分析，漲、落潮流速與漲、落潮潮差相關(guān)性較好[11]。2014、2015 及2017 年最大潮差分別為4.05、3.90 和3.92 m，年最大潮差較為穩(wěn)定，推算對(duì)應(yīng)流速分別為1.90、1.84 和1.85 m/s。該海區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響較多，根據(jù)風(fēng)海流計(jì)算式[12]，10 級(jí)風(fēng)條件下的風(fēng)海流為0.59～0.68 m/s（K值取下限0.024），則年最大潮流流速約2.5 m/s，地形測(cè)量時(shí)間為每年9 月中下旬，臺(tái)風(fēng)期一般出現(xiàn)在6—9 月，即年最大流速出現(xiàn)在測(cè)量前約3 個(gè)月內(nèi)。

1.2 泥沙特征

該區(qū)域海床主要是流塑狀淤泥質(zhì)黏土，懸沙粒徑約0.009 0～0.015 3 mm，底沙中值粒徑0.027 mm，泥沙休止角約30°，大潮漲潮垂線平均最大含沙量可達(dá)8.47 kg/m3，平均為1.25～4.75 kg/m3，落潮垂線平均最大含沙量可達(dá)10.2 kg/m3，平均為1.22～5.73 kg/m3，一般落潮期含沙量大于漲潮期，泥沙由北向南輸運(yùn)。研究橋墩所在海域土層表層為亞砂土，下為淤泥質(zhì)黏土，沖刷坑最低高程在淤泥質(zhì)黏土層，該層密度約1.8 g/cm3。

1.3 大橋結(jié)構(gòu)型式

本文主要針對(duì)位于金塘大橋主通航孔西側(cè)中引橋區(qū)的6 個(gè)典型橋墩沖刷形態(tài)進(jìn)行分析，中引橋各橋墩跨距60 m，各橋墩結(jié)構(gòu)型式如圖3 所示。橋墩采用分離式基礎(chǔ)，上部?jī)蓚€(gè)圓形承臺(tái)，承臺(tái)直徑8.9 m、厚3 m，承臺(tái)間距4.6 m。底高程為1.2 m，承臺(tái)下為6 根1.5 m 直徑的鋼管斜樁，最大斜度5∶1。通過順?biāo)鞣较蛲队坝?jì)算，平均高潮位以下橋墩的綜合阻水寬度為6.4 m。

圖3 橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平面和立面圖（單位：m）Fig.3 Plan and vertical layout of bridge pier（unit:m）

2 沖刷分析

橋墩局部地形的測(cè)量采用多波束水下地形測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)橋軸線上游100 m 至下游100 m 范圍內(nèi)的地形情況進(jìn)行全覆蓋精密測(cè)量，3 次橋墩地形測(cè)量的時(shí)間均在秋季大潮期的9 月份。多波束水下地形測(cè)量系統(tǒng)采用Hypack 海洋測(cè)量軟件進(jìn)行導(dǎo)航，采集系統(tǒng)使用QINSy 軟件記錄POS MV 提供的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和多波束測(cè)深系統(tǒng)提供的水下地形地貌數(shù)據(jù)，使用1PPS 進(jìn)行定位測(cè)姿、多波束測(cè)深和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)間同步。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS潮位計(jì)算、數(shù)據(jù)合并及總傳播誤差精度計(jì)算。

2.1 總體沖刷坑形態(tài)

圖4 為2014、2015 及2017 年中引橋6 個(gè)橋墩局部河床地形形態(tài)。從圖4 中可以明顯看出各墩近區(qū)河床高程明顯要低于周邊河床高程，受雙向往復(fù)潮流影響，局部沖刷坑在潮流方向上向兩側(cè)延伸，形狀近橢圓形。

圖4 各橋墩不同年份局部海床地形Fig.4 Seabed bathymetry near bridge piers in different years

從2014—2017 年的3 次測(cè)量結(jié)果來看，沖刷坑外海床地形變化較小，各墩不同年份的沖刷坑形態(tài)也基本一致。但受到河床底質(zhì)泥沙不均勻性的影響，不同墩之間的局部沖刷坑形態(tài)有所差別，如2 號(hào)、3 號(hào)墩沖刷坑平面范圍及深度均要明顯小于其他墩。1、4、5 和6 號(hào)墩的沖刷坑形態(tài)基本一致，但在尺度上略有差別，這應(yīng)為海床土質(zhì)不均勻所致。

2.2 一般沖刷深度特征

一般沖刷是指建橋后，由于橋墩壓縮水流導(dǎo)致橋跨區(qū)流速增大，在橋下河床斷面內(nèi)發(fā)生的沖刷，橋梁引起的一般沖刷與橋梁的阻水率及潮流泥沙動(dòng)力特征密切有關(guān)。阻水率越大，橋梁阻水效果越強(qiáng)，束窄水流流速增加越多，進(jìn)而導(dǎo)致整體沖刷幅度較大，一般沖刷尺度可通過比較建橋前的海床沖刷及建橋后橋墩沖刷坑外海床高程得到。陳述等[2,13]通過對(duì)長(zhǎng)江下游橋梁一般沖刷的研究，認(rèn)為一般沖刷幅度為2～10 m。對(duì)金塘大橋建橋前（2002 年）與建橋后（2014、2015 和2017 年）橋墩附近地形測(cè)量的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可知建橋前橋軸線位置地形比較平坦，海床高程普遍在?9 m 左右，建橋后相鄰橋墩之間河床整體沖刷，橋墩局部引起的局部河床地形明顯下切，地形呈現(xiàn)波動(dòng)曲線形態(tài)（圖5）。數(shù)學(xué)模型、物理模型及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成果表明，橋墩局部沖刷坑垂直水流影響范圍在橋墩寬度的1～2 倍[13-15]，研究橋墩承臺(tái)寬8.9 m，2 倍橋墩寬度為17.8 m，橋跨60 m，橋跨中間約24.4 m范圍河床沖刷主要為自然演變沖刷和一般沖刷。建橋前各橋墩位置床面高程約在?9 m，建橋后橋墩之間橋跨中間地形高程平均分別為?12.3、?12.4 和?12.6 m，建橋后2014—2017 年橋跨間河床高程基本穩(wěn)定，說明基本達(dá)到常年潮流動(dòng)力條件下的一般沖刷平衡，可認(rèn)為建橋前河床高程與橋跨間實(shí)測(cè)高程的高差即為一般沖刷深度，即2014、2015 和2017 年一般沖刷深度分別為3.3、3.4 和3.6 m，隨著遠(yuǎn)離橋軸線，一般沖刷幅度逐漸減小，影響范圍約1.5 km。沖刷坑底部到橋跨間河床距離為局部沖刷深度hb，深度為4.4～8.7 m。

圖5 橋軸線斷面不同年份沖刷Fig.5 Scour profile along latitude bridge axis in different years

對(duì)于黏性土河槽的一般沖刷，多采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)公式，考慮到金塘大橋所在海域海床多為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，利用實(shí)測(cè)資料對(duì)該規(guī)范計(jì)算公式在往復(fù)潮流海域的適用性進(jìn)行了探討。規(guī)范中黏性土河槽一般沖刷公式為：

式中：hp為一般沖刷后水深；Ad為單寬流量集中系數(shù)，Ad=1.0～1.2；Q2為橋下河槽部分通過的流量，Q2=uBh，其中u為最大潮流流速，B為建橋前河槽寬，h為初始平均水深；Bcj為橋下河槽部分橋孔過水凈寬，當(dāng)橋下河槽可拓寬至全橋時(shí)，即為全橋橋孔過水凈寬；hcm為橋下河槽最大水深；hcq為橋下河槽平均水深；IL為沖刷坑范圍內(nèi)黏性土液性指數(shù)，IL范圍為0.16～1.19；hg為一般沖刷深度。

據(jù)前述分析，金塘大橋海域最大流速約2.5 m/s，最大流速出現(xiàn)在中潮位附近，則建橋前平均水深取9.0 m。研究橋段地形平坦，可認(rèn)為hcm=hcq。6 個(gè)橋墩范圍內(nèi)建橋前總寬度Bc為360 m，建橋后將斜樁從水面到河床進(jìn)行平均化處理，其阻水總寬度約38.4 m，則建橋后橋下凈寬321.6 m。地質(zhì)資料表明該海域表層土的液性指數(shù)IL=0.8，將以上參數(shù)代入公式后計(jì)算得到一般沖刷深度為4.2 m，略大于實(shí)測(cè)值3.6 m，原因是一般沖刷尚未達(dá)到最終平衡，另一方面該公式是建立在單向流條件下的沖刷，而金塘大橋處于開敞海域，受往復(fù)潮流作用，一般沖刷可能小于恒定流沖刷。

2.3 最大局部沖刷深度特征

由于海床的不均勻性，各墩的沖刷坑范圍及尺度略有差別，提取各墩2014、2015 和2017 年測(cè)次的局部沖刷深度hb進(jìn)行分析，其變化過程見圖6。可以看出6 個(gè)墩的局部沖刷深度為4.4～8.7 m，1 號(hào)墩最大，2 號(hào)墩最小，2 號(hào)墩至6 號(hào)墩逐漸增大。從不同測(cè)次比較來看，1、5、6 號(hào)橋墩沖刷深度較為穩(wěn)定，沖刷深度較小的2、3、4 號(hào)橋墩沖刷深度有逐年增大的趨勢(shì)，如3 號(hào)墩變化幅度達(dá)1.5 m。

圖6 最大局部沖刷深度統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of maximum local scour depth

各墩沖刷深度因海床底質(zhì)條件的不均勻性而有所差異，但從總體上來看，1、4、5 和6 號(hào)墩的沖刷深度比較接近，局部沖刷深度在7.2～8.7 m，沖刷形態(tài)也較為相似，可認(rèn)為這4 個(gè)墩的平均沖刷深度8.3 m 是該類墩型在普遍海床條件下，經(jīng)常年往復(fù)潮流作用下的局部沖刷深度。地勘資料表明2 號(hào)墩位置上層存在局部透鏡狀細(xì)砂層，層厚10.5 m，2 號(hào)墩最大沖刷深度僅為4.9 m。

采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》的黏性土橋墩局部沖刷公式和在東海海域廣泛應(yīng)用的韓海騫公式進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比分析?！豆饭こ趟目睖y(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》黏性土橋墩沖刷公式為：

式中：hb為最大局部沖刷深度；Kξ為墩群系數(shù)；B1為橋墩群樁阻水寬度；hp為一般沖刷后最大水深；IL為液性指數(shù)；u為來流流速。地勘表明，該段橋墩局部沖刷達(dá)到淤泥質(zhì)亞黏土層，土層液性指數(shù)約1.30，采用規(guī)范公式計(jì)算得到的局部沖刷深度為9.9 m，大于實(shí)測(cè)沖刷深度。盧中一等[16-17]的研究表明潮流作用下的沖刷深度為同等流速單向流作用下沖刷深度的70%～90%，考慮規(guī)范公式為單向流條件下的沖刷結(jié)果，折減系數(shù)取平均值0.8，則折減后的沖刷深度為7.9 m，與實(shí)測(cè)沖刷高程8.3 m 較為接近。

韓海騫公式為：

式中：k1為基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù)，條帶型k1=1.0，梅花型k1=0.862（研究橋墩介于梅花型與條帶型之間，本次計(jì)算取二者平均值）；k2為基礎(chǔ)樁垂直布置系數(shù)，直樁k2=1.0，斜樁k2=1.176（研究橋墩為斜樁）；BZ為橋墩群樁阻水寬度；d50為河床泥沙中值粒徑。采用韓海騫公式計(jì)算得到橋墩局部沖刷深度為8.6 m，略大于實(shí)測(cè)平均值8.3 m，與實(shí)測(cè)最大值8.7 m 接近。

對(duì)比兩公式計(jì)算結(jié)果，規(guī)范公式是單向流條件下的，計(jì)算預(yù)測(cè)值明顯大于實(shí)測(cè)值，折減后的橋墩局部沖刷深度與實(shí)測(cè)值比略偏小，與規(guī)范公式中沒有考慮斜樁有關(guān)；韓海騫公式是建立在潮流條件下的橋墩局部沖刷預(yù)測(cè)公式，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較為一致?？梢?，規(guī)范公式潮流條件下應(yīng)用需進(jìn)行折減，韓海騫公式能較好地適用于往復(fù)潮流作用下黏性沙橋墩沖刷計(jì)算。

2.4 局部沖刷坑平面尺度特征

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，各墩沖刷坑的縱向（順?biāo)飨颍╅L(zhǎng)度Ls和橫向（橋軸線方向）寬度Ws在不同年份變化較小，具體見圖7，沖刷坑縱向長(zhǎng)度、橫向?qū)挾扰c最大局部沖刷深度之間的關(guān)系見圖8。

圖7 局部沖刷坑長(zhǎng)度和寬度統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of local scour hole length and width

圖8 局部沖刷坑長(zhǎng)度、寬度與最大沖刷深度關(guān)系Fig.8 Relationships between scour length,width and maximum scour depth

由圖7 可見，不同墩的縱向沖刷坑長(zhǎng)度變化較大，其中1、4、6 號(hào)墩的縱向沖刷長(zhǎng)度為80～100 m，而2、3、5 號(hào)墩的縱向沖刷長(zhǎng)度為60～80 m。橋墩縱向沖刷坑長(zhǎng)度的差異較大主要在于各墩最大局部沖刷深度有差異，從圖8 可以看出，沖刷坑縱向長(zhǎng)度與最大局部沖刷深度之間具有較好的相關(guān)性，最大局部沖刷深度越大，沖刷坑縱向長(zhǎng)度也越大，沖刷坑縱向長(zhǎng)度約為最大局部沖刷深度的10～12 倍。而各墩沖刷坑橫向?qū)挾茸兓淮?，約40 m，與最大沖刷深度無明顯相關(guān)性，但與橋墩寬度關(guān)系較好，基本為橋墩基礎(chǔ)寬度的4～5倍。

3 結(jié)語

基于金塘大橋多年的橋墩沖刷觀測(cè)資料，獲取典型往復(fù)潮流海域橋墩沖刷地形數(shù)據(jù)，解析出橋墩基礎(chǔ)的一般沖刷及局部沖刷幅度，分析了典型群樁-承臺(tái)橋墩的沖刷坑尺度及形態(tài)特征，可得如下結(jié)論：

（1）金塘大橋引橋墩段實(shí)測(cè)一般沖刷深度最大為3.6 m，采用黏性土河床一般沖刷公式計(jì)算一般沖刷深度為4.2 m，略大于實(shí)測(cè)值，原因是一般沖刷尚未達(dá)到最終平衡。另外，該公式是建立在單向流條件下的沖刷，而金塘大橋處于開敞海域，受往復(fù)潮流作用，一般沖刷可能小于單向流條件下一般沖刷。

（2）實(shí)測(cè)6 個(gè)墩的局部沖刷深度為4.4～8.7 m，2 號(hào)墩局部沖刷發(fā)生在細(xì)砂層，最大沖刷深度4.9 m，其余橋墩局部沖刷處于淤泥質(zhì)亞黏土層，局部沖刷深度7.2～8.7 m，平均8.3 m。規(guī)范公式計(jì)算得到的局部沖刷深度分別為9.9 m，折減后的沖刷深度為7.9 m（折減系數(shù)0.8），與實(shí)測(cè)值較為接近；韓海騫公式計(jì)算得到橋墩局部沖刷深度為8.6 m，略大于實(shí)測(cè)平均值8.3 m，與實(shí)測(cè)最大值8.7 m 較為接近。

（3）往復(fù)潮流條件下橋墩局部沖刷坑向上下游延伸，形狀呈橢圓形，各墩沖刷坑縱向長(zhǎng)度與最大局部沖刷深度呈近似線性關(guān)系，約為最大局部沖刷深度的10～12 倍，而各墩沖刷坑橫向?qū)挾葎t基本一致，與最大局部沖刷深度無明顯相關(guān)性，基本為橋墩基礎(chǔ)寬度的4～5 倍。

本文僅選用了金塘大橋6 座橋墩總計(jì)3 次的實(shí)測(cè)沖刷資料對(duì)往復(fù)潮流條件下橋墩沖刷特征進(jìn)行了案例研究?？傮w來說橋墩沖刷資料特別是局部沖刷深度資料數(shù)據(jù)量少且為同一墩型。下一步擬搜集更多的大橋橋墩沖刷實(shí)測(cè)資料，并結(jié)合各自的水動(dòng)力、泥沙及橋墩型式及尺度，進(jìn)一步研究基于實(shí)測(cè)資料的往復(fù)潮流動(dòng)力與橋墩沖刷深度的關(guān)系。