港珠澳大橋青州航道橋橋墩基礎沖刷試驗研究

高祥宇，周 偉，李書亮，段子冰，高正榮，俞竹青

(1.南京水利科學研究院 港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210024; 2.長江南京航道局，江蘇 南京 210011; 3.港珠澳大橋管理局，廣東 珠海 519060; 4.廣東港珠澳大橋材料腐蝕與工程安全國家野外科學觀測研究站，廣東 珠海 519060)

在經濟建設和可持續發展中，交通起著至關重要的作用，橋梁建設是跨越河流、海域和峽谷等天然屏障縮短交通距離的一種重要的手段。20世紀80年代以來，我國進入了橋梁建設的高速發展期，每年開工建設橋梁有1萬多座。進入21世紀，為適應我國經濟的全球化發展，促進沿海城市、沿海城市與島嶼之間的交流與發展，跨海通道工程建設成為一種趨勢，如已建成的港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋、東海大橋、舟山跨海大橋、平潭跨海大橋、廈門海灣大橋等。我國大陸淤泥質海岸長逾4 000 km，約占我國大陸海岸的22%[1]，已建的跨海大橋多數處于淤泥質海岸。橋梁建設后橋墩周圍水流環境發生改變，會引起橋墩基礎沖刷。我國所建跨河跨海的大型橋梁，多數為深水群樁基礎，體積和阻水面積相對較大，在循環荷載和基礎沖刷的情況下，橋梁樁基的承載能力減小，水流的橫向沖擊力增大，由此可能引起橋梁毀壞和基礎裸露等嚴重安全隱患。國內外已發生的橋梁事故統計表明，橋墩基礎沖刷是導致橋梁毀壞的主要原因之一[2]。橋梁建設投資一般都比較大，跨海大橋由于建設所處的地理環境特殊，建設投資更加巨大。一旦發生橋梁毀壞事故，會造成更大的經濟損失和人員傷亡。橋梁基礎沖淤后為了保障橋梁安全就需進行防護，防護經費也巨大，東海大橋橋墩樁基沖刷防護應急搶險工程投資經費需1個多億。

自20世紀50年代以來，國內外眾多學者針對橋墩沖刷進行了大量的研究，2000年以前研究較多的是單向流沖刷計算公式，美國聯邦公路局發布的“水力工程通報”HEC-18[3]認為橋下總沖刷由河床長期的沖淤、束窄河床沖刷、局部沖刷組成，推薦了橋墩局部沖刷公式。國內規范[4-5]中橋墩附近沖刷包含河床自然演變沖刷、一般沖刷、局部沖刷3個部分，并按照黏性土和非黏性土給出了相應的計算公式。美國在2000年行業規范中首次提出了橋墩局部沖刷在潮汐水流中計算方法[6]，還有一些橋墩局部沖刷深度計算公式也相繼被提出[7-11]，但這些公式由于是采用了特定的研究方法和試驗條件，其適用性仍有待進一步考證[12]。目前，潮流橋梁局部沖刷研究或認識也存在一定的爭議：有的學者認為在足夠長的沖刷周期作用下，其與徑流相同流速條件下局部最大沖刷深度基本相同[13-14]，也有的認為小于徑流作用下的局部最大沖刷深度[15-16]。跨海橋梁基礎受到水流、波浪和潮汐等綜合作用，橋墩局部沖刷情況比單向水流和往復流沖刷更加復雜[17-18]。

港珠澳大橋是連接香港、廣東珠海和澳門的橋隧工程，位于珠江口伶仃洋海域內。伶仃洋內地形復雜、島嶼眾多，受地形、潮汐、徑流的綜合作用，水動力條件復雜。港珠澳大橋橋隧全長55 km，其中主橋29.6 km，設計壽命120年，項目總投資額達1 269億元。橋墩局部沖刷深度是橋梁基礎設計的重要參數之一，現有的數值計算方法和公式還無法很好地解決局部沖刷問題。下文采用系列模型，對青州航道橋主橋墩進行水流、潮流和波流共同作用下的局部沖刷物理模型試驗，為工程設計提供依據。

1 試驗概況

1.1 橋墩結構

港珠澳大橋有3座通航孔橋，分別為青州航道橋、江海直達船航道橋和九洲航道橋，青州航道橋跨徑最大，主塔最高的通航孔橋，雙塔之間距離458 m，其主橋墩是全橋最大的橋墩。橋墩基礎為樁承臺墩型，平面呈長八邊形，迎水面寬32.50 m，長53.50 m。自頂面標高+3.8 m向下的承臺厚6.0 m。承臺底布置36根圓樁，按高程的不同分為兩種樁型：承臺底～-58.5 m之間為鋼護筒樁，標高-58.5 m向下的為混凝土樁，樁徑為2.5 m(圖1)。

圖1 橋墩結構型式

1.2 工程區水文和地質條件

伶仃洋為一個東南向開敞的海域，匯集珠江入海八個口門中的虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門四個口門的徑流，由四個口門進入伶仃洋的平均流量約5 663 m3/s，徑流總量約1 742億m3/a，約占珠江出海總量的53.4%。徑流年內分配極不均勻，汛期4月—9月約占全年徑流總量的80%。潮汐類型屬不正規半日潮混合潮型，日不等現象明顯，平均潮差1.06～1.16 m，屬于弱潮海灣。潮流基本為沿槽線走向的周期性往復流，落潮流速一般都大于漲潮流速，最大流速可達2.0 m/s。洪季受徑流影響，流速明顯大于枯季。內伶仃島以內流向以NNW～SSE向為主，內伶仃島以外流向轉為S～N向。橋區潮流漲急時垂線平均流向大致為N向，落急時垂線平均流向大致為S向。外海大浪主要是臺風浪，臺風大浪的波向主要是向岸的SE～SSW向，根據橋區實測波浪資料，常浪向為偏南向，其次為偏北向，在臺風“鸚鵡”期間最大有效波高為3.64 m，周期為5.3 s，浪向為SSW。

根據橋位沿線地質勘探資料，橋位區下伏基巖主要為燕山期花崗巖和震旦系片麻狀混合花崗巖、混合花崗巖、片巖。基巖上部為全新統～更新統海相、陸相、河流相、海陸交互相沉積層。其中全新世海相沉積物巖性為淤泥(厚度4.7～8.6 m)、淤泥質黏土(厚度9.3～13.3 m)和淤泥質黏土夾砂(厚度7.4～17.4 m)；晚更新世陸相沉積物巖性主要為軟～可塑狀黏土，海相沖積物巖性主要為淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土和軟～可塑狀黏土，河流相沖積物主要由中密～密實砂類土組成。

在青州航道橋位附近取了2個原狀土泥樣，泥沙中值粒徑分別為0.023 mm和0.028 mm，根據原狀土起動試驗，起動流速分別為1.25 m/s和1.59 m/s[19]，為使沖刷試驗得出的結果偏于安全，選取泥沙中值粒徑0.023 mm作為原型泥沙代表粒徑，容重γs=2.65 t/m3。

1.3 試驗水槽和設備

模型試驗在寬水槽內進行，水槽總長42 m，寬4.2 m。水槽一端為往復流雙向泵，另一端為翻板尾門，并布置了造波板，水槽的外緣為回水廊道和水庫，水槽能夠產生單向流、潮流和波流共同作用動力條件。動床段布置在水槽中間段長度10 m，鋪沙厚度0.6 m，橋墩模型布置在中間位置(圖2)。由計算機、自動調速裝置、雙向泵頻率控制裝置、搖擺式生波裝置和數據采集箱等設備組成一套自動控制和采集系統。試驗中流速、水位和波浪測量分別采用二維電磁式流速儀、自動跟蹤式水位儀和CBY-Ⅱ型波高儀，橋墩外圍沖淤地形采用直讀式地形測量儀測量，橋墩區沖淤地形采用測針人工讀取。

圖2 試驗水槽布置示意

2 試驗方法和條件

2.1 系列模型延伸法

橋墩局部沖刷是一個三維問題，垂向水流運動是決定沖刷深度和形態的重要因素之一，正態動床模型預測橋墩局部沖刷形態和深度是通常采用的方法。動床模型設計時除滿足幾何相似、動力相似等條件外，模型沙的相似尤為重要。在實際工作中，由于縮尺影響，模型的動力條件遠弱于原型，模型沙與原型沙達到完全相似相當困難，為了消除模型沙和原型沙運動不完全相似而帶來的試驗結果偏差常借助系列模型延伸法。

假設完全滿足相似條件的正態模型幾何比尺為λh0，系列模型選用的不滿足泥沙起動相似的模型幾何比尺為λh,沖刷深度比尺為λhs=hp/hm(hp、hm分別為原型和模型沖刷深度)，當模型完全滿足正態模型相似條件時，則λhs=λh=λh0；當系列模型幾何比尺λh偏離幾何比尺λh0時，λhs≠λh≠λh0，λhs與λh存在下列指數函數關系：

λhs/λh=(λh0/λh)n

(1)

將沖刷深度比尺代入式(1)中，則原型沖刷深度hp為：

hp=hmλh(λh0/λh)n

(2)

采用系列模型試驗結果推算原型沖刷深度時，常利用雙對數坐標系，以λh為橫軸，hm為縱軸作直線關系，推求出原型沖深。當系列模型采用原型沙進行試驗時，λh0=1，將λh延伸到1的hm即為原型沖淤值hp；當模型沙與原型沙不同時，λh0等于按泥沙起動相似求得一個數值，系列模型結果應延伸至λh=λh0，得到延伸的沖淤值，然后再與λh0相乘得到原型沖淤值。也可以將所得試驗結果進行延伸，求得指數n，建立外插方程，直接求得原型沖刷深度。

為了較好地模擬原型動力條件，綜合考慮場地和設備等因素，本次試驗分別采用幾何比尺為50、70和100進行系列模型試驗。

2.2 模型沙

研究橋墩附近沖刷坑深度及形態，模型沙選擇主要考慮泥沙起動相似和水下泥沙休止角的相似。采用經過相似條件下的比尺計算和模型沙性質的比選，采用株洲精煤研磨的煤粉作為試驗模型沙，試驗前進行了脫脂處理，模型沙中值粒徑d50=0.50 mm，容重為γs=1.33 t/m3。采用張紅武泥沙水下休止角計算公式[20]得到原型沙休止角為30.3°，通過模型試驗模型沙休止角為31.2°，模型沙與原型沙水下休止角基本相當。通過試算模型比尺為λh0=40時模型沙與天然沙泥沙起動相似。對于波浪作用下的泥沙起動，采用周益人提出的公式[21]計算波浪泥沙起動相似比尺為λh0=67，模型沙略容易起動，偏于安全。

2.3 試驗動力條件

分別按照單純水流、洪水與潮流組合和波流共同作用三種情況進行試驗。單純水流分別采用300年一遇和20年一遇設計水流；波流共同作用時，水流動力分別采用100年一遇和20年一遇設計水流，波浪條件采用水流對應條件下的H4%規則波，根據某跨海大橋橋墩基礎的波流局部沖刷試驗[22],順流疊加波浪橋墩基礎沖深最大，試驗采用順流疊加波浪(表1)。洪潮組合水流動力采用數學模型計算得到的300年一遇潮位和流速過程，物理模型試驗結果與數模值誤差小于10%(圖3)，模型試驗漲急流速1.73 m/s，落急流速1.52 m/s，一個潮過程漲潮歷時10 h，落潮歷時15 h。

表1 試驗動力條件

圖3 300年一遇潮位和流速過程

2.4 模型試驗方法

沖刷試驗開始前，首先在試驗段周圍布置水位儀、流速儀和波高儀，調試水槽內無結構物時試驗要求的水流和波要素，將調試好的參數存入計算機控制系統，供沖刷試驗時采用。

進行局部沖刷試驗時，放水前先在試驗段的中部放置橋墩，模型沙平鋪于試驗段。在試驗過程中，監測橋墩周圍局部地形，當地形測量值基本不變時，認為沖刷達到平衡，然后測量橋墩沖刷地形。

恒定流橋墩沖刷試驗從沖刷坑的形成到基本沖刷平衡有一個大致固定沖刷時間，而潮流橋墩沖刷試驗時，需進行特征水文年長系列潮周期的循環試驗才能使橋墩周圍的沖刷達到基本平衡。當潮流最大流速與恒定流流速一致時，恒定流比潮流橋墩沖刷平衡所需時間少。通過300年一遇水文年潮型循環試驗，模型試驗時間14小時，不間斷監測橋墩周圍沖刷地形，圖4為模型幾何比尺100沖刷坑發展過程線，從圖中可以看出，潮流沖刷歷經8小時(模型時間)后橋墩最大沖深基本不變，為了保障各試驗達到沖刷平衡和節約試驗時間，初步確定橋墩沖刷試驗時間進行10小時。在系列模型試驗過程中監測發現10小時試驗橋墩沖刷均達到了平衡。

圖4 300年一遇潮型動力橋墩沖刷過程

3 試驗結果與分析

3.1 水流作用下橋墩基礎沖刷

在300年一遇和20年一遇設計水流作用下，水流受到橋墩基礎阻礙后，墩前壅水，橋墩兩側形成繞流向構成表面漩輥(圖5)；中部以下水流遇樁群邊壁轉而向下，與下層水平方向行進水流構成底部的向下漩輥，底部的向下漩輥是產生局部沖刷的主要動力。局部沖刷達到相對平衡后，索塔基礎周圍的地形呈現機翼狀的沖刷形態，兩側沖刷地形基本對稱，沖刷區主要位于橋基承臺迎水面底部樁群間，最大沖深點處于迎水面的前三排樁群之間。從索塔基礎中部、緊靠承臺邊壁處的水流受到多重樁群的阻水消能，沖刷能力和攜沙能力同時遞減，形成類似蟹螯狀的淤積帶；橋基的背水面則呈現與橋基迎水寬度基本等寬、淤厚逐漸遞減的長條形淤積帶(圖6)。300年一遇和20年一遇設計水流條件下的橋墩局部沖刷形態基本相似，差別主要表現在沖深和范圍的大小。

圖5 索塔基礎水流流態(300年一遇設計水流)

圖6 索塔基礎周邊沖淤形態(300年一遇設計水流)

3.2 潮流作用下橋墩基礎沖刷

300年一遇水文年潮型潮流試驗中，潮流受漲落潮的影響呈往復流，橋基承臺及底部樁群的兩端既是迎水面，又是背水面。在漲潮和落潮期橋墩基礎兩端分別會形成單向流的水流特征，潮流過程有憩流、轉流期，在若干時段內潮流流速小于300年一遇的設計水流流速，此時潮流受到橋墩基礎阻礙產生的繞流和漩輥范圍較小。青州航道橋橋墩縱軸線與潮流主流向約14°夾角，潮流作用下橋墩基礎沖刷分別進行了無夾角和14°夾角試驗。橋墩縱軸線與潮流向無夾角時，橋墩周邊繞流與單向水流情況相似；橋墩縱軸線與潮流向有夾角時，橋墩周邊繞流不對稱與無夾角時略有區別(圖7)，試驗潮型的漲潮流速大于落潮流速，落潮流繞流范圍小于漲潮流，繞流形態與漲潮流基本相似。

圖7 漲急流速流態

潮流作用下橋墩基礎達到沖刷平衡所需要的時間明顯長于單向流情況。與水流作用下橋墩局部沖刷形態相同的是橋基附近形成局部沖坑，最大沖深點發生在流速大的迎水面樁群內，不同特點是局部沖坑由一個發展為兩端各有一個，沖刷形態由勺形變為橋墩兩端深中間淺的馬鞍形，橋墩兩端外緣形成與承臺基本等寬、堆高隨距離逐漸遞減的淤積帶(圖8),橋墩受潮流弱側淤積體大。

圖8 潮流作用下索塔基礎周邊沖淤形態

3.3 波流作用下橋墩基礎沖刷

在100年一遇和20年一遇設計水流與波浪共同作用下，橋墩水流結構與單向流基本相同，由于波浪受橋墩的影響，在墩柱前、墩側面和墩后面分別形成波浪反射區、波浪散射區和波浪掩護區(圖9)。

圖9 波流共同作用下水流流態(100年一遇)

波流共同作用下的橋墩沖深范圍呈機翼狀向墩基兩側伸展，其伸展的角度與橋墩的迎水寬度、流速大小和與水流的交角有關。橋墩縱軸線與水流有交角時，墩基的沖刷形態兩側不對稱，沖刷范圍和最大沖深點偏向墩基與水流產生夾角的方位，同時產生了次沖深區(圖10)，沖出的泥沙落淤在橋墩掩護區域。在沖刷過程中，波浪主要起掀沙的作用，水流不僅對床面進行沖刷，并將波浪掀起的泥沙向后輸移。當水流導致沖坑深度較大時，波浪對沖刷坑的作用明顯減弱，在試驗條件下橋區的波流屬強流弱波，水流在沖刷中起主導作用。100年一遇設計水流疊加波浪條件下的橋墩周圍沖刷深度和范圍大于20年一遇設計水流疊加波浪條件下的情況。

圖10 波流共同作用下沖刷形態(100年一遇)

3.4 橋墩沖刷深度和范圍

由于水流受橋墩阻水的影響，在橋墩周圍水流結構發生了變化，引起橋墩基礎周圍床面沖刷，形成局部沖刷坑，隨著沖刷加劇，水流動力對床底的作用逐漸減弱，而且河床較易沖刷的細顆粒泥沙沖走后，沖刷區泥沙也相對變為較粗顆粒的泥沙，抗沖能力增加，最后橋墩基礎周圍來流挾帶的落淤泥沙和沖刷泥沙達到平衡，形成橋墩基礎最大沖刷深度。采用系列模型延伸法可求出原型橋墩基礎最大沖刷深度，圖11和圖12分別為水流和波流作用下的橋墩沖刷系列延伸圖。

圖11 水流條件橋墩沖刷系列延伸圖

圖12 波流條件下橋墩沖刷系列延伸圖(夾角14°)

采用系列模型延伸法得到青州航道橋橋墩局部最大沖刷深度和范圍見表2，從表中數據可以看出，當橋墩縱軸線與水流無夾角時，隨著水流流速的增大局部沖刷最大深度和范圍也增大；潮流作用下，最大流速與單向水流流速相同時，橋墩局部最大沖深和兩側沖刷范圍基本相近，橋墩兩端均出現淤積帶；波流共同作用下，由于受到波浪掀沙的影響，橋墩局部最大沖深和沖刷范圍大于單向水流情況。當橋墩縱軸線與水流有夾角時，由于橋墩阻水面積的增大和夾角的影響，潮流、波流共同作用下，橋墩局部最大沖深和沖刷范圍大于無夾角情況，而且流速大和波浪強橋墩局部最大沖深和沖刷范圍均大。

表2 青州航道橋橋墩沖刷深度和范圍

4 結 語

橋墩局部沖刷特性和沖刷深度一直是研究的重點問題，是橋梁基礎設計和防護的重要參數。針對青州航道橋橋墩基礎周圍水動力條件復雜和橋墩基礎較大特點，采用系列物理模型試驗方法，分別進行了水流、潮流和波流共同作用下的橋墩局部沖刷研究。試驗結果表明：1)潮流作用下橋墩沖刷過程由于有效流速作用時間較少，沖刷達到平衡需要的時間比恒定水流時間要長，橋墩基礎兩端均會發生迎流，沖刷形態有別于單向流沖刷形態，漲落潮形成兩個沖刷坑中的最大沖深和沖刷形態由流速較大的一側控制，橋墩局部沖刷達到沖刷平衡后，其最大沖深與相同水流流速的情況基本一致；2)波流共同作用下橋墩局部最大沖刷深度比單純水流沖刷深度增加10%左右，兩者的沖刷形態相近；3)相同動力條件下橋墩與水流有夾角時，橋墩局部沖刷深度和沖刷范圍會有所增加。

所建橋梁海床表層為淤泥質亞黏土，其黏性強抗沖性能較好，目前物理模型試驗較難模擬，有待更深入的研究。從安全角度考慮，采用散粒體進行試驗研究能夠滿足工程設計需求。港珠澳大橋2018年10月開通運營，青州航道橋索塔基礎由原來長八邊形調整為啞鈴型，直徑為36.5 m，根據2014年2月至2019年9月實測水下地形資料，橋墩周圍沖刷深度約1.5 m。