河口地區大型沉井基礎的橋墩局部沖刷研究

文/李亮亮、馬碧波、葉雨清、王曉陽

1 試驗方法和內容

1.1 工程概況

甌江北口大橋中塔采用沉井基礎，沉井標準斷面縱向長度55m，橫向寬度66m，沉井頂標高5.5m，沉井基礎主要尺寸如下圖1 所示[1]。

圖1 中塔矩形沉井方案結構圖

1.2 試驗水文條件

根據設計要求，分別選取300年一遇潮水、取300年一遇洪水進行橋墩最大局部沖刷試驗，甌江北口潮與徑流組合計算橋址處的設計潮流速，具體見表1、圖2。

表1 橋址處監測點特征流速(單位：m/s)

圖2 甌江北口橋址處設計潮型

2 試驗結果

2.1 沉井入床后局部流態的變化

為了深入分析洪水的作用給沉井基礎帶來的影響，了解流態變化狀況，需要在定床模型中設置14 條斷面，上游4 條，其他部位設置10 條，布設斷面見圖3[2]。

圖3 沉井周邊流態變化斷面監測布設圖

2.1.1 沿著水流向上行進運行，因為沉井墩身產生阻擋影響，水流接近墩前200m 左右的位置上，在上游水面就開始出現抬升的情況，流動速度也會快速下降，在到達沉井前部位置上水面會推升到最高的位置上，同時沉井迎水面的流速也會下降到最低。在墩后的流態分析中，沉井流速有著比較高的復雜性，首先是肉眼觀察到水面是不穩定運行的，同時還存在渦旋，渦旋橫向尺寸稍微大于沉井寬度尺寸；分析流速后發現，從近到遠逐步增大，在遠離沉井墩約800～1000m 時，流速基本上可以達到正常的狀態，且沒有渦旋存在，具體流速變化可見圖4。

圖4 沉井縱向流速變化（順水流方向）

2.1.2 垂直水流方向的變化也非常明顯，在經過沉井墩身位置時，兩側水流就會出現明顯收縮加強的情況，水面也會有所降低，且沉井入水導致斷面發生變化，且流速會逐步增強。經過試驗分析發現，在沉井左右兩側水面上，流速增加非常明顯，在流速最大的位置上會形成嚴重沖刷力，橫向流速變化可見圖5。

圖5 沉井橫向流速變化（垂直水流方向）

2.1.3 綜合分析，在近水流的沉井迎水面上豎向對稱軸流速為零，是驅點壓力，并且壓力沿著垂線逐步減小，壓力會以梯度的方式發生變化，導致水流逐步向下運動，形成漩渦狀。此時，形成的順時針漩渦與河床底部水流匯集后，就會形成馬蹄形漩渦。水流經過橋墩兩側會發生分離的反應也會出現漩渦，并且和馬蹄性漩渦同時作用，將漩渦運行到橋墩尾部，沉井迎水面兩側會出現較大的睡眠變化，具體變化可見圖6。

圖6 沉井周邊流態變化示意圖

2.1.4 通過使用ADV 流速儀需要分析確定沉井迎水面兩側水流變化的狀況，可以從縱向、橫向、垂向進行分析，具體流速動態變化如圖7。從圖分析發現，沉井迎水面兩側水流變化嚴重，分布是不均勻的，且三個方向還會出現從表面向下變化劇烈的情況，最大速度處于底部，這就是導致局部沖刷嚴重的主要原因，極大程度影響了沉井運行的質量。

圖7 沉井迎水端兩側角附近測點瞬時流速圖（y 向為水流行近方向）

2.2 沉井局部沖刷深度的預測

沉井基礎結構形式在運行中，水流會因為沉井墩的阻礙影響，導致周邊區域內水流速度產生明顯變化，橋墩位置上下游流動速度較小，而兩側會因為沉井墩阻礙而產生流速變大的情況，另外河床也會因為兩側沖刷嚴重而損壞，呈現出上下游高、兩側低的狀態。由于墩身的阻水作用存在，沒有受到阻力作用的部分直接轉入河底，會形成潛水流，下潛流在床面出現漩渦的情況，可見圖8。因為嚴重沖刷作用導致床面與泥沙被直接沖刷，存在局部沖刷坑的情況，且隨著沖刷深度的增大，底部流速會下降明顯，水流挾沙能力也會降低，所以在底部泥沙和水流沖刷泥沙基本達到平衡的要求，最終沖刷停止，造成沖刷深度增大。

圖8 沉井基礎沖刷試驗(試驗過程)

0.33%洪水恒流的作用下，局部沖刷深度可以達到39.5m。該深度位于沉井墩兩側位置上，經過洪水沖刷影響，沉井墩兩側會向下游延伸作用，墩身迎水端上游和兩側有較大的深度，并且從上游延伸到下游，此時兩側出現抬升的提升，且下部會有明顯的泥沙淤積，形成淤積丘的結構形式。沉井兩側沖刷抗聲響范圍基本上可以達到沉井寬度的3～4 倍，縱向抗沖刷的影響范圍會比較大，基本上可以達到橋墩長度的4～6 倍，0.33%洪水沖刷坑形態見圖9。

圖9（a） 洪水沖刷后三橋合建中塔周邊沖刷坑形態

圖9（b） 洪水沖刷后中塔沖刷坑試驗照片

0.33%洪水持續的影響作用下，因為漲潮流頂托持續影響，洪水最大流速的持續時間比較少，但是還是以單項流的形式存在，試驗之后確定局部位置上的最大沖刷深度可以達到33.7m，深度小于恒流作用，沖刷最深點位置與恒定流條件下的結果一致，依舊出現在沉井墩身上游兩側角附近；沖刷坑形態方面，與恒定流條件下的大致相當。

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，沉井局部沖刷坑最大沖刷深度為30.9m，最深點依然出現在沉井墩身上游兩側角附近，沖刷深度約為洪水恒定流的0.78 倍。

3 試驗結果可靠性分析

長江泰州大橋中塔采用沉井作為基礎，蘇通長江公路大橋在初步設計階段提出了鋼沉井橋墩設計方案，兩座大橋均運用了物理模型試驗的研究手段，并預測了大橋施工期和設計條件下的橋墩局部沖刷，如表2。現將兩座大橋的橋墩局部沖刷試驗情況與甌江北口大橋進行對比分析。

表2 相關工程的沉井基礎局部沖刷情況

對比分析各橋沉井基礎沖刷實測資料與試驗數據：

試驗對比：蘇通大橋南主墩設計流速3.29m/s，甌江北口大橋中塔3.3m/s，兩者一致；河床組成方面，蘇通大橋位置河床底質為細沙，相對容易沖刷；阻水寬度方面，甌江北口大橋中塔較寬，易造成較大沖刷深度；蘇通大橋南主墩沖刷32.1m，甌江北口大橋中塔沖刷深度33.7～39.5m。

實測數據：泰州大橋河床底質為細沙，相對容易沖刷；阻水寬度方面，較甌江北口大橋中塔稍小；2008年夏季施工期，流速1.2～1.7m/s，實測最大局部沖刷13.9m，考慮到當時沉井還在施工過程中，河床沖刷還遠未達到平衡狀態，2009年11月，經過1年多時間，最大沖刷深度加大到17.4m；甌江北口大橋中塔基礎，潮水試驗流速2.9m/s，最大沖刷深度為30.9m。

4 結語

本文通過沉井局部沖刷研究，得到以下結論：

沉井入床后，對于周邊局部流態產生影響；在水流近方向上，因為沉井墩的影響，水流速度在距離橋墩前部200m 左右位置上，橋墩上游水平開始抬升，流速減小，在沉井墩距離在800～1000m 時，流速基本達到正常狀態；垂直水流方向上，當水流量達到沉井墩身位置時，就會使得水流集中，導致流速增加的情況出現，此時沉井兩側的流動隧道會擴大在1.6～2 倍，導致整體沖刷能力增加。

沉井基礎的局部沖刷，河床沖淤變化表現為墩身兩側區域沖刷后高程較低，上、下游區域高程略高的形態。洪水恒定流條件下，局部沖刷深度最大，洪水過程及潮流形成的局部沖刷深度約為前者的0.85～0.78 倍，沉井迎水面兩側角附近沖刷尤為劇烈。