河床預(yù)開挖對圍堰上游樁基局部沖刷影響研究

劉聰聰，林紅星，趙東梁，柴元方

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(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；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；5.水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

水下樁基局部沖刷是造成基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)破壞的重要因素之一，尤其對于橋梁工程，據(jù)世界各地研究的橋梁案例中，50%的橋梁倒塌是由基礎(chǔ)沖刷造成[1]，因此研究水下基礎(chǔ)局部沖刷具有重要意義。

樁基局部沖刷受水流分布、河床泥沙組成、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式等其相互耦合作用，影響因素眾多，且水文、水力變量等具有不確定性[2-4]。諸多學(xué)者采用原型觀測、數(shù)學(xué)模型、物理模型試驗(yàn)等方法開展研究[5-6]，表明流速對基礎(chǔ)沖刷影響較為明顯：如段倫良等[7]通過啞鈴型圍堰數(shù)學(xué)模型及王順意等[8]采用水槽沖刷試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)沖刷受流速影響較大，而受水深影響相對較小；同時(shí)流向及水流結(jié)構(gòu)的改變也會影響基礎(chǔ)局部沖刷，如陸雪駿等[9]結(jié)合實(shí)測資料，分析而得水流入射角面向的區(qū)域，其最大沖刷深度和沖刷范圍均偏大。其次，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式改變水流結(jié)構(gòu)致使床面泥沙運(yùn)動規(guī)律發(fā)生變化，其中不同型式墩柱的沖刷深度差異較大，文獻(xiàn)[10]表明圓端型墩柱相對方柱及矩形柱局部沖刷深度較小；而對于不同布置方式的群樁，ZHANG等[11]研究表明樁間距與直徑之比為2時(shí)沖刷深度最大。此外，床面泥沙粒徑及相關(guān)參數(shù)決定了顆粒的起動條件，進(jìn)而影響床面沖淤變化[12]，而床面形態(tài)變化又將改變水流結(jié)構(gòu)、床沙級配組成。因此，水流、泥沙與水下基礎(chǔ)相互作用機(jī)理復(fù)雜，尤其對于床面結(jié)構(gòu)與水下基礎(chǔ)等多重因素影響下局部沖刷規(guī)律還需重點(diǎn)分析。

本文針對圍堰及上游鋼管樁2種水下基礎(chǔ)同時(shí)存在的環(huán)境，構(gòu)建并驗(yàn)證三維數(shù)學(xué)模型，考慮河床有無挖槽的情景下，上游鋼管樁、圍堰及河床變化三者的相互作用，分析河床預(yù)開挖對圍堰及上游樁基局部沖刷影響規(guī)律。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

為分析河床預(yù)開挖對圍堰上游樁基局部沖刷影響，以某大橋深水基礎(chǔ)為研究對象，大橋3號墩基礎(chǔ)采用鋼圍堰施工，其平面為55 m×24 m的矩形(圖1)，上游距離14 m處布設(shè)3排鋼管樁(P1—P9)搭建臨時(shí)結(jié)構(gòu)，樁直徑為1.0 m，鋼管樁橫向間距L1=L2=4 m，垂直間距L3、L4分別為14、25 m。圍堰著床前擬對河床進(jìn)行預(yù)開挖，坡底距離鋼圍堰邊緣5 m，邊坡比為1∶2，床面標(biāo)高為-13 m，開挖深度6 m。依據(jù)實(shí)測資料，河床表層0～8 m由粉細(xì)砂組成，泥沙中值粒徑為0.18 mm。

圖1 鋼圍堰及樁基布置

1.2 三維泥沙輸移模型

1.2.1模型原理

三維泥沙輸運(yùn)模型可模擬局部泥沙懸浮、推移、沉降等過程，包含水流運(yùn)動模型及泥沙輸移模型，水流運(yùn)動模型的基本控制方程采用不可壓縮流體的連續(xù)方程、動量方程，并在其方程中引入面積分?jǐn)?shù)及體積分?jǐn)?shù)[13]，基本方程為[14]：

(1)

(2)

式中ρ——密度；P——壓強(qiáng)；ui——局部時(shí)均流速分量；u——速度分量；μ——?jiǎng)恿︷禂?shù)；Fi——體積力。

泥沙輸移模型基于Mastbergen和Van den Berg理論，其中臨界Shields系數(shù)求解如下：

(3)

(4)

式中di——泥沙顆粒粒徑；ρf——流體密度；ρi——泥沙密度；μf——?jiǎng)恿︷禂?shù)。

考慮計(jì)算精度及適用性，紊流模型選用改進(jìn)的RNGk-ε方程求解[15]，離散格式對流項(xiàng)采用迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式[7]。

1.2.2模型驗(yàn)證

由于5號主墩與3號墩附近的河床表層地質(zhì)較為相似，且主墩基礎(chǔ)已進(jìn)行局部沖刷物理模型試驗(yàn)，因此依據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證。大橋5號主墩基礎(chǔ)為圓端形沉井，平面尺寸95.4 m×58.2 m。流速設(shè)為1.0 m/s，床沙中值粒徑取0.18 mm，分別考慮沉井距離床面4、6 m 2種工況，計(jì)算2.5 h內(nèi)沉井懸浮過程中河床沖刷情況。

物理模型試驗(yàn)按水流運(yùn)動相似和泥沙起動相似條件，采用經(jīng)過防腐處理的木屑作為模型沙，泥沙粒徑比尺1.67。三維數(shù)學(xué)模型計(jì)算域入口邊界為指定垂向平均流速，出口為自由出流，左右側(cè)均設(shè)置為對稱邊界，底部設(shè)置為墻邊界，計(jì)算域頂部設(shè)置為指定壓力邊界(空氣)。網(wǎng)格劃分采用FAVOR方法，主墩基礎(chǔ)附近局部加密，網(wǎng)格總數(shù)約350萬。泥沙休止角32°，密度2 650 kg/m3，臨界Shields數(shù)0.048，拖曳力系數(shù)0.032。

由圖2a、2c可知(沉井投影至平面)，沉井迎水面流速較小，前端側(cè)面流速達(dá)到最大，兩側(cè)流速增加，尾流流速減小，且存在漩渦。距離床面4、6 m的工況下，兩側(cè)流速最大為1.50、1.42 m/s，對應(yīng)物理模型最大流速1.45、1.36 m/s，同時(shí)兩模型迎水面前端水位壅高均為6 cm以內(nèi)，表明水流運(yùn)動規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致[16]。沖刷形態(tài)計(jì)算結(jié)果見圖2b、2d，沉井沖淤形態(tài)與流速分布一致，迎水面至沉井中部區(qū)域產(chǎn)生沖刷，迎水面兩端沖刷最大，距離床面4.0、6.0 m工況下，數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)的最大沖刷深度相差10%以內(nèi)(表1)，兩者結(jié)果較為吻合。

a)懸浮4 m時(shí)平面流場分布

表1 數(shù)學(xué)模型與物理模型結(jié)果對比

2 圍堰上游至樁基區(qū)域流場及沖刷特征

2.1 計(jì)算工況

基于三維泥沙輸移模型，分別模擬3號墩有無挖槽條件下圍堰及上游樁基的水流泥沙運(yùn)動規(guī)律。圖3為模型概化，計(jì)算域長、寬分別為400 m×170 m，水深16 m。床沙中值粒徑取0.18 mm，垂向平均流速設(shè)為1.2 m/s。網(wǎng)格劃分采用矩形網(wǎng)格，針對圍堰、挖槽、樁基局部區(qū)域加密，網(wǎng)格總數(shù)250萬，模擬時(shí)長3 h。

圖3 模型概化

2.2 圍堰及上游樁基流場特征

2.2.1流場平面分布特征

由計(jì)算結(jié)果可知，2種工況下流場平面分布總體規(guī)律類似，上游水流受圍堰阻水影響，圍堰迎水面流速減小，水流斜向兩側(cè)；繞流經(jīng)過圍堰兩側(cè)的直角端，流速達(dá)到最大；圍堰尾流形成漩渦，流速較小。對于圍堰上游樁基，受圓柱繞流影響，前排樁基(P3、P6、P9)上游流速減小，兩側(cè)75～80°處流速最大，隨后形成尾流漩渦，中間及后排樁流速較小，見圖4。

a)無開挖

2種工況下流場平面分布的差異主要在于圍堰四周，在河床預(yù)開挖條件下，圍堰四周過流斷面相對增大，流速較小。此外，圍堰前端形成的下降水流及反向回流同時(shí)影響上游樁基處的流速，在預(yù)開挖條件下前排樁局部流速相對減小3.21%～6.25%，后排樁(P1、P4、P7)局部流速相對減小21.43%～33.33%。

2.2.2流場垂向分布特征

為探究圍堰上游樁基局部沖刷影響，流場垂向分布主要分析圍堰前端部分，見圖5。2種工況下，沿水深方向，均呈現(xiàn)表層流速最大，底層流速較小。沿水流方向，受圍堰阻水影響，流速由進(jìn)口至圍堰逐漸減小，圍堰前端處形成下降水流及漩渦。

a)無開挖

而對比2種工況，在預(yù)開挖條件下，圍堰四周過流斷面增大，前端流速相對較小，靠近底部流速約為0.51 m/s。且由于挖槽已形成1∶2邊坡比，有利于下降水流流至底部時(shí)流向改變，在前端與上游來流形成漩渦，從而致使流速減緩區(qū)域的范圍較大。而無開挖條件下，靠近圍堰底部流速約為0.80 m/s。圍堰前端下降水流至底部時(shí)，直接垂直作用于河床，對河床形成一定沖刷后與上游來流形成局部漩渦。因此河床預(yù)開挖后圍堰前端流速減小，影響范圍較大，對河床泥沙顆粒作用較小。

2.3 預(yù)開挖影響下局部沖刷規(guī)律

2.3.1河床沖刷形態(tài)

受流場分布影響，圍堰及樁基區(qū)域河床產(chǎn)生沖淤。無開挖條件下，圍堰迎水面兩直角處形成馬蹄形沖刷坑，局部沖刷深度達(dá)到最大，同時(shí)向外擴(kuò)散，尾部流速較小，產(chǎn)生少量淤積。河床預(yù)開挖后，挖槽內(nèi)流速較小，且下降水流與上游來流形成漩渦，因此挖槽內(nèi)存在少量淤積。而在挖槽斜坡均發(fā)生沖刷，靠近圍堰迎水面兩直角端的斜坡區(qū)域沖刷最大，同時(shí)斜向外擴(kuò)散。

2.3.2樁基局部最大沖刷深度

針對上游樁基局部沖刷情況，表2展示了2種工況下各鋼管樁的局部最大沖刷深度。由此可知，2種工況下，前排樁流速較大，且受圍堰前端壅水影響最小，因而局部沖刷深度也最大；河床預(yù)開挖條件下，圍堰上游流速相對減緩，前排樁局部沖刷深度減小16.67%～21.65%；對于前排3根鋼管樁，由于圍堰附近流速增大區(qū)以兩直角端向外擴(kuò)散，靠近中心線處的水流受圍堰阻水影響流速減小，則中間鋼管樁(P6)相對上下兩側(cè)(P3、P9)的沖刷最小。

表2 樁基最大局部沖刷深度對比

位于中間樁基(P2、P5、P8)受前排樁尾流以及圍堰前端流場的共同作用，流速減弱，沖刷相對前排樁減小。河床預(yù)開挖條件下，中間樁基局部最大沖刷深度減小12.68%～13.91%。

后排樁基(P1、P4、P7)受前排樁、中間樁尾流及圍堰前端漩渦綜合影響，流速及局部沖刷均進(jìn)一步減弱。而對比2種工況，由于后排樁靠近圍堰，河床預(yù)開挖條件下，樁基受圍堰下降水流形成的回流影響相對較大，流速減弱，因此后排樁局部最大沖刷深度減小最為明顯，為82.86%～85.07%。

3 結(jié)論

a)構(gòu)建三維泥沙輸移數(shù)學(xué)模型，并通過物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，水流泥沙運(yùn)動規(guī)律相似，局部最大沖刷深度相差10%以內(nèi)，表明圍堰局部沖刷數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。

b)對比河床有無挖槽工況，預(yù)開挖后圍堰四周流速減小；且受圍堰前端下降水流及反向回流影響，預(yù)開挖條件下前排樁基局部流速相對減小3.21%～6.25%，后排樁基局部流速相對減小21.43%～33.33%；河床預(yù)開挖后過流斷面增大，同時(shí)有利于下降水流、改變流向，減小對河床泥沙顆粒的沖刷作用。

c)無開挖條件下，圍堰迎水面兩直角端形成馬蹄形沖刷坑，局部沖刷深度達(dá)到最大，而預(yù)開挖后河床沖刷主要集中于挖槽斜坡，靠近直角端斜坡局部沖刷最大；上游樁基受預(yù)開挖影響，前排樁、中間樁、后排樁局部最大沖刷深度分別減小16.67%～21.65%、12.68%～13.91%、82.86%～85.07%。