基于海底声学的强潮地区桥墩局部冲刷模型研究

基于海底声学的强潮地区桥墩局部冲刷模型研究

随着我国经济的发展和桥梁建设水平的不断提高，沿海地区的主要桥梁不断出现。由于局部清理造成的水土流失，该流域桥梁受影响严重。尤其是在受强潮流影响的河口湾，桥墩局部磨损是由桥墩的马蹄形漩涡造成的。杭州湾跨海大桥位于杭州河口的强潮地区。北起嘉兴海盐县郑家岱，南至宁波市宁波市溪丰门。正桥全长36公里，600多公里。由于码头不同形状的桥墩，桩基的类型也不同，受世界著名货币超高潮的影响，深度和形状差异很大。为了确保桥梁的运行安全，应仔细检查码头的局部清理。韩海骞等通过水槽模型,运用量纲分析和多元回归的方法建立了潮流作用下杭州湾跨海大桥桥墩局部冲刷模型,并利用杭州湾跨海大桥部分实测数据进行了验证.由于验证数据量太少,且均为大桥施工期间获取的数据,影响因素较多,加之目前杭州湾跨海大桥的建成通车及南北两岸的围垦已使得桥轴线上下游河床发生了一定的变化,因此该模型是否依然适用,需要获取目前桥墩局部冲刷实测数据进行验证,必要时进行模型修正,以满足维护大桥安全运行的需要.1基础桩平面布置结构建立根据水槽模型实验,可以发现桥墩局部冲刷坑在潮流作用下的形成与演变过程,最深冲刷点位于涨、落潮流中较强流侧的桩群之中,局部冲刷深度主要与潮流行近流速和水深、桥墩的阻水宽度、河床泥沙的抗冲特性等有关.在进行公式推导时,hb表示桥墩局部最大冲刷深度,B表示桥墩阻水宽度,a0为高水位以下、海床以上的阻水面积与水深的比值,(u,h)表示来流条件,u为最大垂线平均流速,h为最大水深.(g,ρ,μ)表示水流的运动特征,d50表示河床泥沙粒径,依据量纲和谐原则,得到局部冲刷公式hbh=a0(Bh)a1(d50h)a2Fra3hbh=a0(Bh)a1(d50h)a2Fra3,(1)其中,Fr=ugh√Fr=ugh,根据实验数据进行多元回归分析确定参数后,得到hbh=17.4(Bh)0.326(d50h)0.167F0.628r.(2)hbh=17.4(Bh)0.326(d50h)0.167Fr0.628.(2)实际应用中公式(2)可以简化为hb=8.48k1k2B0.326u0.628h0.193d0.16750500.167,(3)其中,k1为基础桩平面布置系数,条带型k1=1,梅花型k1=0.862;k2为基础桩垂直布置系数,直桩k2=1.0,斜桩k2=1.176.2测量计划的制定和实施2.1桥墩地形测量实测方案主要目的是获取用于验证公式(2)的桥墩局部冲刷数据,内容主要包括桥墩局部地形资料、冲刷过程同步的潮流观测资料、桥墩阻水宽度和河床泥沙粒径.为保证实测资料的代表性,测量时间定为一年中春夏秋冬四季大潮的涨、落急时刻以及中秋大潮的涨、落急时段.据已有调查资料,选择北主墩、中引桥墩、南主墩和南深槽墩等4桥墩作为测量对象,其墩形结构如图1所示.该方案实施的主要难度为:(1)桥墩局部地形测量根据水槽模型分析最深冲刷点位于桩群之中,而在涨、落急时刻传统测量方法无法获取桩群之中的地形信息.(2)潮流观测杭州湾跨海大桥地处杭州湾口,外海涌浪较大,而且潮流速度快,常规测船定点抛锚测流的方法难度较大.鉴于以上原因,实测方案采用海底声学探测技术,如图2所示.桥墩局部地形测量利用多波束测深系统;潮流观测采用固定式ADP结合定航式ADCP,考虑到涨潮潮流明显强于落潮潮流,时间同步潮流观测采用自主研制的浮标平台安装自容式ADP,并用涨落水锚进行固定,以获取桥墩下游时间同步的定点潮流资料,同时利用ADCP固定于船舷(频率与多波束进行区分,以避免干扰),进行走航式测量,获取与地形测量时空同步的潮流资料;桥墩阻水宽度利用实测潮位结合桥墩设计资料获取;河流泥沙粒径通过在平潮附近进行底质钻孔取样,并结合已有地质勘查资料确定.2.2时间同步的adp潮流观测平台方案实施过程中,桥墩局部地形测量用多波束测深系统施测流程.首先进行校准,施测过程中需要进行多次声速剖面测量和同步的潮位观测,以尽可能慢的航速获取桩群间的地形资料.时间同步的ADP潮流观测平台需在多波束施测前在低平潮时抛设,抛设前设置好ADP;使其自动记录时间和参数.时空同步的走航式ADCP施测前必须与多波束数据采集系统进行严格的时间同步,以确保后处理时可通过时间标签进行流速与测深的统一.3测量数据处理3.1原始数据滤波如图3所示,多波束地形数据处理流程如下:首先进行校准,获取系统延迟(Latency)、横摇(Roll)、纵摇(Pitch)和艏向(Yaw)等参数,然后利用此参数,结合同步的潮位和声速资料,进行全部原始数据的滤波处理,再基于滤波结果生成Grid文件,并按最深点原则导出水下地形测点数据.值得注意的是在滤波过程中应滤去桥墩桩体测点数据,保留河床面测点数据.如图4所示为涨、落急时段南主墩附近冲刷坑示意图.3.2岸处理3.2.1adp数据处理利用同步潮位资料、抛设点河床高程值等进行ADP定点测流数据处理时,需结合ADP初始设置参数,进行合理性检查,并参照相关规范编制,分层流速、流向过程线图表见图5.3.2.2统应严格时间同步走航式潮流数据与局部地形数据应保持时空同步,施测前两数据采集系统应严格时间同步,以保证数据处理时可以基于时间标签进行流速和地形测点数据匹配.由于受桥墩影响,走航式数据并不能如实反映来流的速度和方向,因此该数据只用于辅助局部冲刷分析,不宜参与模型计算.3.3码头参数阻水宽度通过实测水深结合高水位以下、海床以上的阻水面积而获取.通过查阅相关资料,桥墩设计参数如表1所列.3.4砂粒杭州湾跨海大桥由北至南4个标段的地质勘察资料列于表2,根据该表结合相关土工测试,得出平均中值粒径为0.049mm.4局部冲刷值与实测验证至本文撰写时,本方案已进行了春、夏、秋及中秋大潮4次施测.通过分析得到相关计算参数,运用公式(3)计算出最深冲刷值,并与实测值一并列于表3.利用表3数据绘制实测值与计算值相关图(图6),由图6可看出除北主墩(三角形符号表示)外,计算最深冲刷值与实测冲刷值基本一致.北主墩之所以出现较大偏差是因其特殊的施工方法导致桥墩附近的河床底质发生变化所致,该底质具有较强的抗冲特性,这是当初水槽建模时未能考虑到的.通过实测数据验证,局部冲刷公式的预测值与实测值基本符合,只是在最深冲刷位置上模型与实际情况存在一些差异,模型认为最深冲刷深度位于涨、落潮流中较强流侧的桩群之中,实测结果表明某些桥墩的最深冲刷位于桥墩两侧或两墩中心,分析其可能原因如下:一是模型与实际情况存在差异;二是桩群之中的最大冲刷深度通过现有测量手段无法获取.这都