往復流不同入射角條件下跨海大橋橋墩局部沖刷研究

王晨陽，張華慶

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

往復流不同入射角條件下跨海大橋橋墩局部沖刷研究

王晨陽，張華慶

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

文章以港珠澳跨海大橋工程為依托，采用理論計算和模型試驗的手段進行研究，在公式得到驗證的基礎上，針對往復流不同入射角條件下橋墩局部沖刷深度問題進行探討。結果表明：潮汐往復流條件下，橋墩上下游均出現局部沖刷，且上游沖刷深度大于下游；當橋墩迎流面與往復流流向基本垂直時，橋墩局部沖刷深度理論計算值略大于模型試驗值，誤差均在10%以內；在順流面長度大于迎流面寬度的矩形樁墩墩型條件不變時，橋墩局部沖刷深度隨往復流來流入射角的增大以變速率增大，且當入射角大于一定值時，橋墩沖刷深度趨于穩定。

跨海大橋；局部沖刷；往復流；入射角

Biography：WANG Chen?yang（1985-）,female,assistant professor.

隨著我國國民經濟快速發展，在沿海地區興建跨海大橋已成為連接相關的地域的主要通道。截止2013年，我國已建成跨海大橋9座，正在建設的港珠澳大橋是世界上最大的橋隧結合工程。由于跨海大橋所處海區海況及地形條件較為簡單，橋梁壅水高度與河道中橋梁壅相比要小，跨海大橋橋墩對水流影響主要在二維平面范圍內較為顯著。

根據橋墩水流形態，樁墩局部沖刷分為單向流沖刷、潮汐往復流沖刷以及潮汐河口混合水流沖刷［1-2］。針對單向流橋墩局部沖刷問題，國內外學者已做過不少研究，如朱炳祥［3］、高正榮［4-5］等學者針對沖刷坑形成機理和沖刷演化過程等問題做了深入研究，認為漩渦是橋墩局部沖刷的主要因素，包括墩前垂直向下的水流，墩后尾流漩渦和墩兩側的立軸漩渦；張華慶［6］從沖刷機理方面提出：決定橋墩局部沖刷深度的動力條件是墩前角區主馬蹄渦強度大小，在Baker等［7-8］早期研究基礎上，通過流動顯示研究了墩前角區流場的層流和湍流狀態，并應用三維多譜勒激光測速儀對湍流狀態下的角區流場進行了測量，得到了有關馬蹄渦強度變化與流場參數的關系。

單向流條件下，水流形態單一，橋墩上游沖刷，下游淤積。與之相比較，往復流條件下，橋墩上、下游均會出現沖刷，河床底質及水流入射角等對局部沖刷深度影響較大。針對潮汐往復流條件下橋墩局部沖刷國內學者研究相對較少，如孫計超［9］通過在水槽中設置往復流平臺實現往復流條件，研究了往復流條件下泥沙沖刷情況；張春江［10］研究了秦皇島近海海區的往復流周期特性；李勇［11］采用數值模擬研究了往復流作用下懸移質泥沙的運動規律。

本文以港珠澳跨海大橋為例，在分析工程前后橋墩漲落潮流速變化的基礎上，通過理論計算和模型試驗，研究了往復流不同來流入射角條件下橋墩的局部沖刷深度及形態。由于非大風浪天氣情況下，波浪對橋墩局部沖刷影響小，且本工程為近海岸跨海大橋，墩前水深較深，有效波高小，故本次研究不考慮波浪因素。

1 工程概況

港珠澳跨海大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海及澳門的大型跨海通道。大橋的起點是香港大嶼山，經大澳，跨越珠江口，最后分成Y字形，一端連接珠海，一端連接澳門，全長約50 km，跨海逾35 km，建成后將成為世界最長的跨海大橋。大橋自伶仃洋東側的香港機場至西側珠海口岸，依次與香港側航道、銅鼓航道、廣州出海航道、青州航道、江海直達航道和九州航道相交，其中與銅鼓航道和廣州出海航道交匯處采用隧道方式，隧道兩側修建2個人工島提供橋隧轉換設施，其他航道則采用較大跨度的橋梁方式聯通。工程包括港珠澳大橋主體、香港口岸、珠海口岸、澳門口岸、香港接線、珠海接線。大橋總平面布置圖如圖1所示。

圖1 港珠澳大橋平面布置圖Fig.1 Layout plan of Hong Kong?Zhuhai?Macao Bridge

2 橋墩局部沖刷計算

2.1 公式簡介

目前國內外學者關于橋墩局部沖刷計算公式應用較多的有美國聯邦公路手冊公式［12］、Liu.H.K公式［13］、周玉利公式［14］，分別如式（1）～（4）所示。

美國聯邦公路手冊公式

式中：u和h分別為橋墩上游流速和水深；D為橋墩直徑；Zm為沖刷深度。

Liu.H.K公式

式中：hs為橋臺沖刷深度；h為行進水深；LD為阻水長度（垂直流向的投影長度）；Ks為墩型系數，上、下游和端部都帶有邊坡時Ks=1.1，端頭為豎直墻橋臺時Ks=2.15；Fr同上，是判斷非均勻流流態的重要標準。

周玉利公式

式中：hb為橋墩局部沖刷深度；Kξ為墩型系數；h為行進水流水深；B為計算墩寬；D為河床質平均粒徑；V為墩前行進流速。

公式（1）～（2）目前應用較廣，式中包含墩前水深、墩前流速、橋墩阻水寬度等因素，忽略了底沙特性、橋墩形式，在理論上缺少一定的嚴謹性，但其作為成熟的經驗公式，在國內外眾多項目、研究中得到廣泛論證，曾成功應用于我國黃石大橋沖刷計算中；公式（3）是根據模型試驗資料結合量綱分析的方法建立的橋臺最大清水沖刷深度計算公式，由于公式建立在半經驗半理論的基礎上，引入墩型系數Ks，考慮了不同墩型的阻水效果，但未考慮底沙特質；公式（4）在《公路橋位勘測設計規范》［15］中6.5-2修正式沖刷機理的基礎上，運用實測資料分析演變而來。該式直接通過流速與沖刷深度的資料，運用量綱分析原理，通過多元回歸分析各國若干橋墩沖刷現場觀測資料推導出各系數之間的關系及指數大小。既有真實可靠的資料支撐，又有科學理論的依據，有待于被廣泛驗證和應用。

2.2 橋墩墩形及水流條件

圖2 港珠澳大橋部分航道潮位觀測點布置圖Fig.2 Partial waterway observation points of Hong Kong?Zhuhai?Macao Bridge

為了得出港珠澳大橋橋墩沖刷變化規律，現選取110 m跨、75 m跨這2種數量最多的橋墩結構進行沖刷研究。根據設計資料，110 m跨橋墩承臺尺度：長21.5 m寬13.0 m高5.5 m；橋墩尺寸：長12 m寬4 m。75 m跨橋墩承臺尺度：長18.5 m寬11.5 m高6.0 m；橋墩尺寸：長11 m寬4 m。兩類橋墩墩形系數均為1.1，橋墩處河床底值中值粒徑0.006 4～0.008 2 mm。圖2為港珠澳大橋各垂直橋線方向部分潮位觀測點布置圖，圖3為所選代表性橋墩設計尺寸圖。計算中需以漲落急最大流速代替公式中的單向流平均流速，以此作為計算往復流最大沖刷深度條件。表1為橋線上部分測點（青州航道附近）建橋前后潮流平均流速。

表1 橋線上部分（青州航道）潮位觀測點建橋前后平均流速表Tab.1 Average velocity of partial observation points around Qingzhou waterway m/s

圖3 橋墩設計尺寸圖Fig.3 Dimension figure of main bridge pier

2.3 公式計算

根據跨海大橋基礎部分的設計資料，結合前章節墩型系數、河床質、流速值等數據資料，按橋墩承臺全部入土，且橋墩迎流面與流向垂直進行沖刷深度計算。為保證計算結果的穩定性及準確性，故選取一個潮周期后的漲、落急時刻墩前流速和水深作為計算輸入條件，計算結果見表2。

表2 局部沖刷深度計算表Tab.2 Partial scouring depth m

2.4 模型試驗

2.4.1 模型設計

橋墩局部最大沖刷深度是在水流、泥沙等自然因素與橋墩結構形式共同作用下，當動態過程達到平衡時形成的。港珠澳大橋110 m跨非通航孔處橋墩的往復流漲、落潮方向基本垂直于橋墩迎流面，為了證明上述理論計算結果的合理性，引用交通運輸部天科所楊樹森、韓西軍等人所完成的港珠澳大橋主跨橋墩局部沖刷物理模型試驗成果進行驗證［16］。

物理模型比尺采用1：30、1：60、1：90三種方案進行潮流驗證，使用可逆泵生潮系統控制沖刷試驗潮流動力，大潮潮位和流速、流向驗證資料采用文獻［17］數學模型計算所得。經過潮位過程和流速、流向過程驗證，校正模型，使其基本滿足水流相似要求。

大橋底質泥沙平均中值粒徑為0.008 2 mm，由水槽試驗獲得起動摩阻流速為3.78 cm/s。經過多種模型沙的比選，最終選取容重為1.19的塑料沙作為模型沙，中值粒徑為0.30 mm，起動摩阻流速為0.46 cm/s［16］。

圖4 110 m跨橋墩上、下游沖淤深度及變化范圍Fig.4 Upstream and downstream sedimentation depth and range changes of bridge piers with 110 m span

2.4.2 試驗結果分析

圖4為橋墩上下游局部沖刷深度等值線分布圖。試驗得出：110 m跨橋墩上、下游最大沖刷深度分別為3.27 m、2.29 m，沖刷長度分別為7～10 m、23～30 m；75 m跨橋墩最大沖刷深度分別為2.21 m、1.62 m，上、下游最大沖刷長度分別為3～6 m、12～20 m。

2.5 公式驗證及比選

將公式計算結果和模型試驗數據對比可知：三公式與試驗成果平均誤差百分比為21%、17%、15%。由于在計算過程中使用漲、落急流速代替平均流速作為輸入條件帶入單向流局部沖刷公式進行計算，因此計算結果要折減10%左右［17］，因此計算誤差均保持在10%的范圍內。

綜上，在假定橋墩承臺全部入土，且橋墩迎流面與流向基本垂直的情況下，周玉利公式（公式4）計算值與試驗結果相差最小，其次是Liu.H.K公式（公式3），兩者反應橋墩局部沖刷趨勢具有一致性。由此可見，在河床質中含有大量粉沙和粘土，底沙中值粒徑很小的海區，河床質對計算局部沖刷深度影響不大。

基于以上結論，本文將采用公式（3）、（4）分別針對往復流不同入射角條件下港珠澳跨海大橋特征橋墩的局部沖刷進行計算分析。

3 入射角與橋墩局部沖刷深度關系研究

3.1 輸入條件

根據文獻可知，橋墩的阻水作用主要體現在橋墩周圍平面水流變化和立面動力環境的改變兩方面。橋墩建筑物使來流的一部分動能轉化為勢能從而抬高水位；另一部分水流受迎流面阻礙后向下運動，觸底后翻起，在墩前角區形成馬蹄渦，該部分水流動力即為墩前沖刷的主要作用力；與此同時，部分來流隨水流偏向橋墩兩側，進而增大繞流產生的擠壓流速，隨后前進至墩后形成紊流。

通常條件下，橋墩的布置基本會選擇中軸線與水流平行的方向，迎水面墩寬不會很大，以緩解紊流帶來的影響。實際工程中，跨海大橋跨度大，距離長，復雜度高，受局部地區地形突變、地質松散等天然原因的影響，水流與橋墩迎流面的垂線存在一個夾角，即來流入射角。

根據《公路工程水文勘測設計規范》［18］可知，來流入射角α直接影響墩型系數Kξ的選取和迎水面寬度的計算。若實際墩寬為B，墩長為L，來流入射角為α（α為來流方向與橋墩中軸線的夾角），則橋墩有效阻水寬度為

根據文獻［15］，矩形橋墩Kξ隨α變化的關系曲線如圖5所示，其中來流入射角α變化范圍為0～90°。同樣，選擇本工程實例中數量最多的110 m、75 m跨橋墩作為研究對象，上下游來流速度大小、墩前水深等值均與上節相同。特征橋墩在不同來流入射角下迎水面有效阻水寬度計算值見表3。

圖5 α-Kξ關系曲線圖Fig.5 Relationship graph ofα-Kξ

表3 有效阻水寬度（B′）計算表Tab.3 Effective width of water blocking（B′）m

表4 不同入射角下沖刷深度計算表Tab.4 Scouring depth under different incident angles m

3.2 計算結果分析

表4為兩比選公式在不同入射角條件下橋墩局部沖刷深度計算值。為了更直觀地研究入射角度與局部沖深的關系，由計算結果畫出二者關系曲線圖（圖6）。

上述計算結果表明：在往復流入射角不同的條件下，橋墩局部沖刷深度的總體增長趨勢相同，其中公式（4）計算值較大。伶仃洋海區落潮流大于漲潮流的潮流特性導致上游沖刷深度始終大于下游。從圖6可以直觀地看出，在橋墩尺度L遠大于B的情況下：α＜40°時，沖刷深度增長迅速；α＞40°時，沖刷深度增長緩慢，并且α＞80°后，沖刷深度接近穩定，此時來流入射角的變化不會再對沖刷深度產生影響。期間，無論α如何變化，落潮流下橋墩迎流面墩前沖刷深度大于漲潮流下迎流面墩前沖刷深度的規律都不會改變，這是由海區潮流特性決定的。

4 結論

本文以港珠澳跨海大橋工程為依托，針對所選特征橋墩，通過橋墩局部沖刷的模型試驗數據驗證公式計算結果，利用得到驗證的比選公式，研究了往復流下不同來流入射角與橋墩局部沖刷深度的關系。結論如下：

（1）不同于單向流，潮汐往復流條件下，跨海大橋橋墩上下游均出現局部沖刷，且落潮時橋墩迎流面沖刷深度大于漲潮時橋墩迎流面沖刷深度。

（2）當往復流漲、落潮方向與橋墩迎流面基本垂直時，橋墩局部沖刷深度公式計算值略大于模型試驗值，誤差均在10%以內，證明三公式對于往復流環境下的依托工程具有不同程度的適用性。另外，在河床質由大量粉沙和粘土組成，且底沙中值粒徑很小的海區，河床質對計算局部沖刷深度影響不大。

（3）由比選公式計算結果可知：橋墩墩型條件一定時，橋墩局部沖刷深度隨來流入射角的增大以增長速率趨緩的規律而增大，但當來流入射角大于80°時，橋墩沖刷深度值趨于穩定。

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Local scour research of cross?sea bridge piers under reciprocating flow with different angles of incidence

WANG Chen?yang,ZHANG Hua?qing
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China）

Based on the Qingzhou waterway main bridge piers of Hong Kong?Zhuhai?Macao Bridge,theoretical calculation and model tests were studied for the reciprocating flow with different incident angles between piers local scour depth on the basis of verified formulas.The results indicate that：local scour occurs at both upstream and downstream piers under reciprocating tidal flow,and scouring depth at downstream is greater.When the incident flow surface is perpendicular to the flow direction of reciprocating flow,the pier local scour depth from the theoreti?cal values is slightly greater than model test values,and errors are no more than 10%.When the rectangle pier?type condition is fixed from which the length of downstream face is greater than the width of incident flow surface,piers local scour depth under reciprocating flow increases with variable rate while the angle of incidence increases.Once the angle of incidence is bigger than a fixed value,the local scour depth generally tends to be stable.

cross?sea bridge;local scour;reciprocating flow;angle of incidence

TV 143；TV 131.6

A

1005-8443（2014）02-0112-06

2013-10-23；

2013-12-04

王晨陽（1985-）,女,河南省商丘市人,助理研究員,主要從海岸河流數值模擬研究。