基于物理模型试验的复合桥墩冲刷深度研究

基于物理模型试验的复合桥墩冲刷深度研究

根据国内外桥梁事故发生的统计数据，桥梁水灾的主要原因是桥梁损坏。一旦建设桥梁就会使桥墩周围水流环境条件发生了明显的改变,进而产生冲刷,由此成为桥梁水毁的潜在重要因素。因此,正确预测桥墩基础处的冲刷深度对确定基础合理埋置深度显得非常必要和重要。桥墩附近的床面冲刷包括自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷。多年来,国内外科研人员对桥墩冲刷开展了大量的理论和试验研究,取得了许多研究成果。然而,随着我国经济的高速发展,建设了越来越多的大型跨海/江/河桥梁,这些桥梁具有投资巨大、单跨长和对区域交通、经济具有重大影响的特点,加之桥墩结构型式花样翻新以及水波流条件复杂,已有的研究成果已经难以适用。特别是跨海大桥由于所在水域水流是旋转流并且复合桥墩受水波流的联合作用,需要研究水流与桥墩不同夹角对不同型式桥墩冲刷的影响以及波流共同作用下的桥墩最大冲刷深度。本文结合某跨海大桥工程,考虑到该工程所处海域受到半日潮和波浪的影响以及复合桥墩的复杂性,桥墩周围的水流流动是复杂的三维漩涡体系,局部冲刷是复杂水流动力条件与床面泥沙、复合桥墩相互耦合作用的结果,现有的数值计算方法未能很好地解决局部冲刷问题。另外,目前特大型桥梁建设反映桥梁建设规模壮大和桥梁设计建造技术进步;但一旦桥梁发生事故,会造成巨大的经济损失,同时随着桥梁单跨长度的增长,事故造成的伤亡和修复所需的时间和费用也随之增加。因此,为了使得工程建设得既安全又合理,对桥墩冲刷进行物理试验研究就显得尤为重要。1试验模型和方法1.1物理模型冲冲试验所考虑的大桥位于一个东南向开敞的强潮海湾上,海湾潮汐性质属正规半日潮。桥位处平均水深为5～7m,涨、落潮的最大流速分别为1.09m/s和2.25m/s,海床底质主要为淤泥、亚黏土和粉沙,粉沙中值粒径为0.011mm左右。为了确定桥墩基础群桩的合理埋置深度,选取4种代表性形式的桥墩进行物理模型冲刷试验。这4种代表性形式的桥墩结构参数见表1,桥墩形式1为主桥索塔(图1),索塔基础采用倒圆角的矩形承台,中间塔为整体式承台,边塔和中间塔承台间通过系梁连接,边塔和中塔承台下各设9根和15根直径2.50m的钻孔灌注桩;桥墩型式2为分离式矩形承台(2×11.7m×9.9m)(图2),每个承台下设4根直径2.5m的钻孔灌注桩;桥墩形式3和4与桥墩型式2大致相似,具体参数见表1。这4种形式桥墩所处的水域平均水深5.65～7.77m。1.2试验模型与参数选择此大桥具有代表性的桥墩试验在300年一遇潮流及300年一遇潮流考虑一定水流交角作用下的冲刷深度,研究水流与桥墩纵轴线交角对冲刷深度的影响。选择此大桥具有代表性的桥墩试验在20年一遇潮型及20年一遇潮流叠加波浪情况下的冲刷深度,研究往复流及往复流叠加不规则波对冲刷深度的影响。物理模型按几何、水流、波浪及泥沙运动相似来设计,模型按几何比尺λl为50进行模型制作,试验采用中值粒径为0.08mm和比重为1.22的模型塑料沙来模拟原型沙。试验在长38m×宽2.5m×高1.5m的波浪水槽中进行。该水槽一端为推板式造波机,另一端为消能斜坡,中间为长5m×宽2.3m×深0.5m试验段铺设模型沙,桥墩模型安置在设有模型沙的试验段内。为了认识在极端海况下桥墩基础的冲刷深度和正常海况下桥墩基础冲刷情况,对300年一遇潮型海况及20年一遇潮型和20年一遇潮型叠加波浪海况下各种形式桥墩基础冲刷进行试验,观测:(1)水流与桥墩纵轴线交角对冲刷深度的影响;(2)往复流及往复流叠加不规则波对冲刷深度的影响。试验中采用多普勒流速仪、电容式波高仪和波束测深仪分别量测流速、波高和冲刷深度。在进行波流共同作用下桥墩局部冲刷试验前,先调试水流条件,当水流流速达到要求值时,再叠加波浪。跨海大桥所在的海域为往复流,模型按照双向非恒定流设计,主要模拟桥墩在不利潮位下的冲刷,试验采用的不规则波浪谱为JONSWAP谱。在桥墩模型的每个侧面至少布置一个测点,测量各测点冲刷深度,得到各测点冲刷深度的历时曲线。2桥局部清理试验结果及分析2.1第三,桥墩冲淤情况为了认识水流与桥墩纵轴线间的夹角如何影响桥墩基础的冲刷深度以及了解具有整体式和分离式承台的桥墩结构对桥墩基础冲刷的影响,对具有整体式承台的桥墩形式1和具有分离式承台的桥墩形式2在300年一遇潮型作用下不同水流与桥墩纵轴线交角情况下的冲刷深度进行试验研究。表2给出了在300年一遇潮汐作用下桥墩形式1和形式2处的水动力条件,在不同水流交角情况下2个桥墩基础处的最大冲刷深度的试验结果也列于表2。图3为桥墩形式1和形式2一个周期内流速历时变化曲线,图中显示的流速均为绝对值,最低点处为流速方向拐点。图4分别给出了在300年一遇潮型条件下桥墩形式1模型的冲坑形态实景图和冲坑深度的三维图。对于具有整体式承台的桥墩形式1,其承台的长宽比为4.12。当水流与桥墩纵轴线间的夹角为0°时,此时桥墩阻水面积最小,桥墩基础处的最大冲刷深度为9.76m;当水流与桥墩纵轴线间的交角为21°时,桥墩的阻水面积明显比交角为0°的要大,桥墩基础处的最大冲刷深度也随之加大,此时桥墩基础的最大冲刷深度为14.35m。由此可见,阻水面积增大45.6%,桥墩基础处的最大冲刷深度增大47.0%。因此,为了减小群桩的埋置深度,在桥梁设计时应尽量减小桥墩纵轴线与水流间的交角。对于具有分离式承台的桥墩形式2,承台长宽比为1.18。当水流与桥墩纵轴线间的夹角为0°时,桥墩基础处最大冲刷深度出现在迎涨潮流第一个柱墩背面两侧基础处,如图5所示,最大冲刷深度为10.70m。试验观察可得,当桥墩为双柱墩时,迎流墩两侧的马蹄形漩涡和立柱后的尾流漩涡不断向下游释放,这些旋涡形成低压中心,牵动漩涡中的流体剧烈紊动,此时再叠加被掩护墩前的水面涌波、桥墩迎水面向下水流对床面的影响,使得桥墩迎水面背面两侧附近流场剧烈变化,此处床面不断淘刷,使得此处产生的冲刷深度最大。当水流与桥墩纵轴线产生31°交角时,虽然此时桥台迎流面宽度相较无夹角时大,但两墩均为直接迎流,不存在迎流墩的马蹄形漩涡、尾流漩涡等对被掩护墩的影响,所以导致此时桥墩最大冲刷深度为10.18m,反而较无夹角时的小。2.2往复流叠加“三种形式”的冲刷深度为了把握桥墩在往复流及往复流叠加波浪条件下的冲刷深度,对桥墩形式3和形式4在20年一遇潮流以及20年一遇潮流叠加波浪作用下的冲刷深度进行试验研究。这两种形式桥墩基础冲刷试验的水流动力条件及波浪要素分别列于表3。表4给出了冲刷试验结果,图6给出了桥墩形式3基础处冲刷深度历时变化曲线。从图6可以看出,试验初期冲刷深度快速增大并形成冲刷坑,随后冲刷深度迅速趋于稳定,直至达到冲刷平衡。试验结果表明:当水动力条件为往复流叠加波浪时,桥墩基础的最大冲刷深度要比水动力条件单纯为往复流时的小。一般认为波浪主要起掀沙作用,但本身搬运泥沙的能力很弱,泥沙一旦处于悬浮状态,相对很小的稳定流就能搬运泥沙。试验结果表明,往复流叠加不规则波浪时,形式3和4桥墩基础处的最大冲刷深度分别为9.20m和7.50m,要比单纯的往复流作用下所对应的最大冲刷深度(分别为10.35m和8.7m)要小,分别小12.5%和16%。试验观测中可知,当水流为往复流时,桥墩迎流面均有壅水,两侧也较为明显,最大冲刷深度出现在迎落潮流墩的迎涨潮流面。当水流条件为往复流叠加不规则波时,由于波浪作用下,水质点会有往复性的运动,当波浪造成的水质点速度与水流同向时,可以观察到桥墩迎流面有壅水,当波浪造成的水质点速度与水流反向时,可以观察到桥墩迎流面壅水减小,甚至墩前局部水面出现降低,随着波浪周期性变化,壅水和水面降低这两种现象也周期性地出现,最大冲刷深度出现在迎落潮流墩的迎涨潮流面。2.3桥墩迎涨潮面冲刷深度和冲刷范围无论是涨潮还是落潮或波流的共同作用,各种形式桥墩基础处冲坑的形成、发展乃至最后达到动态平衡的整个过程基本相似,通过各种冲刷试验结果可以发现:(1)墩前、后方有明显的相互平行波浪状沙波,冲坑发生在桥墩四周一定范围内;(2)桥墩迎涨潮面冲刷深度相对较深,但冲刷范围相对较小,桥墩迎落潮面冲刷深度相对较浅,但冲刷范围相对较大,最大冲刷深度或者发生在迎涨潮桥墩两侧,或者发生在被掩护的桥墩的迎涨潮面,迎落潮面最浅;(3)在桥墩迎落潮面两侧形成一对耳朵形冲坑,这是因为涨潮流速大于落潮流速,涨潮潮流经过桥墩后,在桥墩两侧形成一对分离漩涡,使得泥沙被主流带走的缘故;(4)由于受到桥墩的掩护作用,在桥墩迎落潮面前一定区域内的流速较小,致使水中泥沙发生淤积,形成一条明显的沙埂,且沙埂高度沿远离桥墩的方向逐渐减小,沙埂在桥墩迎落潮面前形成是由于涨潮流速大于落潮流速而引起的;(5)桥墩基础处冲坑的范围平均约为最大冲坑深度的5～15倍。3要建立其物理模型的桥墩冲刷深度本文对某跨海大桥桥墩基础处