基于物理模型試驗的復(fù)合橋墩沖刷深度研究

基于物理模型試驗的復(fù)合橋墩沖刷深度研究

根據(jù)國內(nèi)外橋梁事故發(fā)生的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，橋梁水災(zāi)的主要原因是橋梁損壞。一旦建設(shè)橋梁就會使橋墩周圍水流環(huán)境條件發(fā)生了明顯的改變,進而產(chǎn)生沖刷,由此成為橋梁水毀的潛在重要因素。因此,正確預(yù)測橋墩基礎(chǔ)處的沖刷深度對確定基礎(chǔ)合理埋置深度顯得非常必要和重要。橋墩附近的床面沖刷包括自然沖刷、一般沖刷和局部沖刷。多年來,國內(nèi)外科研人員對橋墩沖刷開展了大量的理論和試驗研究,取得了許多研究成果。然而,隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,建設(shè)了越來越多的大型跨海/江/河橋梁,這些橋梁具有投資巨大、單跨長和對區(qū)域交通、經(jīng)濟具有重大影響的特點,加之橋墩結(jié)構(gòu)型式花樣翻新以及水波流條件復(fù)雜,已有的研究成果已經(jīng)難以適用。特別是跨海大橋由于所在水域水流是旋轉(zhuǎn)流并且復(fù)合橋墩受水波流的聯(lián)合作用,需要研究水流與橋墩不同夾角對不同型式橋墩沖刷的影響以及波流共同作用下的橋墩最大沖刷深度。本文結(jié)合某跨海大橋工程,考慮到該工程所處海域受到半日潮和波浪的影響以及復(fù)合橋墩的復(fù)雜性,橋墩周圍的水流流動是復(fù)雜的三維漩渦體系,局部沖刷是復(fù)雜水流動力條件與床面泥沙、復(fù)合橋墩相互耦合作用的結(jié)果,現(xiàn)有的數(shù)值計算方法未能很好地解決局部沖刷問題。另外,目前特大型橋梁建設(shè)反映橋梁建設(shè)規(guī)模壯大和橋梁設(shè)計建造技術(shù)進步;但一旦橋梁發(fā)生事故,會造成巨大的經(jīng)濟損失,同時隨著橋梁單跨長度的增長,事故造成的傷亡和修復(fù)所需的時間和費用也隨之增加。因此,為了使得工程建設(shè)得既安全又合理,對橋墩沖刷進行物理試驗研究就顯得尤為重要。1試驗?zāi)Ｐ秃头椒?.1物理模型沖沖試驗所考慮的大橋位于一個東南向開敞的強潮海灣上,海灣潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮。橋位處平均水深為5～7m,漲、落潮的最大流速分別為1.09m/s和2.25m/s,海床底質(zhì)主要為淤泥、亞黏土和粉沙,粉沙中值粒徑為0.011mm左右。為了確定橋墩基礎(chǔ)群樁的合理埋置深度,選取4種代表性形式的橋墩進行物理模型沖刷試驗。這4種代表性形式的橋墩結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,橋墩形式1為主橋索塔(圖1),索塔基礎(chǔ)采用倒圓角的矩形承臺,中間塔為整體式承臺,邊塔和中間塔承臺間通過系梁連接,邊塔和中塔承臺下各設(shè)9根和15根直徑2.50m的鉆孔灌注樁;橋墩型式2為分離式矩形承臺(2×11.7m×9.9m)(圖2),每個承臺下設(shè)4根直徑2.5m的鉆孔灌注樁;橋墩形式3和4與橋墩型式2大致相似,具體參數(shù)見表1。這4種形式橋墩所處的水域平均水深5.65～7.77m。1.2試驗?zāi)Ｐ团c參數(shù)選擇此大橋具有代表性的橋墩試驗在300年一遇潮流及300年一遇潮流考慮一定水流交角作用下的沖刷深度,研究水流與橋墩縱軸線交角對沖刷深度的影響。選擇此大橋具有代表性的橋墩試驗在20年一遇潮型及20年一遇潮流疊加波浪情況下的沖刷深度,研究往復(fù)流及往復(fù)流疊加不規(guī)則波對沖刷深度的影響。物理模型按幾何、水流、波浪及泥沙運動相似來設(shè)計,模型按幾何比尺λl為50進行模型制作,試驗采用中值粒徑為0.08mm和比重為1.22的模型塑料沙來模擬原型沙。試驗在長38m×寬2.5m×高1.5m的波浪水槽中進行。該水槽一端為推板式造波機,另一端為消能斜坡,中間為長5m×寬2.3m×深0.5m試驗段鋪設(shè)模型沙,橋墩模型安置在設(shè)有模型沙的試驗段內(nèi)。為了認識在極端海況下橋墩基礎(chǔ)的沖刷深度和正常海況下橋墩基礎(chǔ)沖刷情況,對300年一遇潮型海況及20年一遇潮型和20年一遇潮型疊加波浪海況下各種形式橋墩基礎(chǔ)沖刷進行試驗,觀測:(1)水流與橋墩縱軸線交角對沖刷深度的影響;(2)往復(fù)流及往復(fù)流疊加不規(guī)則波對沖刷深度的影響。試驗中采用多普勒流速儀、電容式波高儀和波束測深儀分別量測流速、波高和沖刷深度。在進行波流共同作用下橋墩局部沖刷試驗前,先調(diào)試水流條件,當水流流速達到要求值時,再疊加波浪?？绾４髽蛩诘暮Ｓ驗橥鶑?fù)流,模型按照雙向非恒定流設(shè)計,主要模擬橋墩在不利潮位下的沖刷,試驗采用的不規(guī)則波浪譜為JONSWAP譜。在橋墩模型的每個側(cè)面至少布置一個測點,測量各測點沖刷深度,得到各測點沖刷深度的歷時曲線。2橋局部清理試驗結(jié)果及分析2.1第三,橋墩沖淤情況為了認識水流與橋墩縱軸線間的夾角如何影響橋墩基礎(chǔ)的沖刷深度以及了解具有整體式和分離式承臺的橋墩結(jié)構(gòu)對橋墩基礎(chǔ)沖刷的影響,對具有整體式承臺的橋墩形式1和具有分離式承臺的橋墩形式2在300年一遇潮型作用下不同水流與橋墩縱軸線交角情況下的沖刷深度進行試驗研究。表2給出了在300年一遇潮汐作用下橋墩形式1和形式2處的水動力條件,在不同水流交角情況下2個橋墩基礎(chǔ)處的最大沖刷深度的試驗結(jié)果也列于表2。圖3為橋墩形式1和形式2一個周期內(nèi)流速歷時變化曲線,圖中顯示的流速均為絕對值,最低點處為流速方向拐點。圖4分別給出了在300年一遇潮型條件下橋墩形式1模型的沖坑形態(tài)實景圖和沖坑深度的三維圖。對于具有整體式承臺的橋墩形式1,其承臺的長寬比為4.12。當水流與橋墩縱軸線間的夾角為0°時,此時橋墩阻水面積最小,橋墩基礎(chǔ)處的最大沖刷深度為9.76m;當水流與橋墩縱軸線間的交角為21°時,橋墩的阻水面積明顯比交角為0°的要大,橋墩基礎(chǔ)處的最大沖刷深度也隨之加大,此時橋墩基礎(chǔ)的最大沖刷深度為14.35m。由此可見,阻水面積增大45.6%,橋墩基礎(chǔ)處的最大沖刷深度增大47.0%。因此,為了減小群樁的埋置深度,在橋梁設(shè)計時應(yīng)盡量減小橋墩縱軸線與水流間的交角。對于具有分離式承臺的橋墩形式2,承臺長寬比為1.18。當水流與橋墩縱軸線間的夾角為0°時,橋墩基礎(chǔ)處最大沖刷深度出現(xiàn)在迎漲潮流第一個柱墩背面兩側(cè)基礎(chǔ)處,如圖5所示,最大沖刷深度為10.70m。試驗觀察可得,當橋墩為雙柱墩時,迎流墩兩側(cè)的馬蹄形漩渦和立柱后的尾流漩渦不斷向下游釋放,這些旋渦形成低壓中心,牽動漩渦中的流體劇烈紊動,此時再疊加被掩護墩前的水面涌波、橋墩迎水面向下水流對床面的影響,使得橋墩迎水面背面兩側(cè)附近流場劇烈變化,此處床面不斷淘刷,使得此處產(chǎn)生的沖刷深度最大。當水流與橋墩縱軸線產(chǎn)生31°交角時,雖然此時橋臺迎流面寬度相較無夾角時大,但兩墩均為直接迎流,不存在迎流墩的馬蹄形漩渦、尾流漩渦等對被掩護墩的影響,所以導(dǎo)致此時橋墩最大沖刷深度為10.18m,反而較無夾角時的小。2.2往復(fù)流疊加“三種形式”的沖刷深度為了把握橋墩在往復(fù)流及往復(fù)流疊加波浪條件下的沖刷深度,對橋墩形式3和形式4在20年一遇潮流以及20年一遇潮流疊加波浪作用下的沖刷深度進行試驗研究。這兩種形式橋墩基礎(chǔ)沖刷試驗的水流動力條件及波浪要素分別列于表3。表4給出了沖刷試驗結(jié)果,圖6給出了橋墩形式3基礎(chǔ)處沖刷深度歷時變化曲線。從圖6可以看出,試驗初期沖刷深度快速增大并形成沖刷坑,隨后沖刷深度迅速趨于穩(wěn)定,直至達到?jīng)_刷平衡。試驗結(jié)果表明:當水動力條件為往復(fù)流疊加波浪時,橋墩基礎(chǔ)的最大沖刷深度要比水動力條件單純?yōu)橥鶑?fù)流時的小。一般認為波浪主要起掀沙作用,但本身搬運泥沙的能力很弱,泥沙一旦處于懸浮狀態(tài),相對很小的穩(wěn)定流就能搬運泥沙。試驗結(jié)果表明,往復(fù)流疊加不規(guī)則波浪時,形式3和4橋墩基礎(chǔ)處的最大沖刷深度分別為9.20m和7.50m,要比單純的往復(fù)流作用下所對應(yīng)的最大沖刷深度(分別為10.35m和8.7m)要小,分別小12.5%和16%。試驗觀測中可知,當水流為往復(fù)流時,橋墩迎流面均有壅水,兩側(cè)也較為明顯,最大沖刷深度出現(xiàn)在迎落潮流墩的迎漲潮流面。當水流條件為往復(fù)流疊加不規(guī)則波時,由于波浪作用下,水質(zhì)點會有往復(fù)性的運動,當波浪造成的水質(zhì)點速度與水流同向時,可以觀察到橋墩迎流面有壅水,當波浪造成的水質(zhì)點速度與水流反向時,可以觀察到橋墩迎流面壅水減小,甚至墩前局部水面出現(xiàn)降低,隨著波浪周期性變化,壅水和水面降低這兩種現(xiàn)象也周期性地出現(xiàn),最大沖刷深度出現(xiàn)在迎落潮流墩的迎漲潮流面。2.3橋墩迎漲潮面沖刷深度和沖刷范圍無論是漲潮還是落潮或波流的共同作用,各種形式橋墩基礎(chǔ)處沖坑的形成、發(fā)展乃至最后達到動態(tài)平衡的整個過程基本相似,通過各種沖刷試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):(1)墩前、后方有明顯的相互平行波浪狀沙波,沖坑發(fā)生在橋墩四周一定范圍內(nèi);(2)橋墩迎漲潮面沖刷深度相對較深,但沖刷范圍相對較小,橋墩迎落潮面沖刷深度相對較淺,但沖刷范圍相對較大,最大沖刷深度或者發(fā)生在迎漲潮橋墩兩側(cè),或者發(fā)生在被掩護的橋墩的迎漲潮面,迎落潮面最淺;(3)在橋墩迎落潮面兩側(cè)形成一對耳朵形沖坑,這是因為漲潮流速大于落潮流速,漲潮潮流經(jīng)過橋墩后,在橋墩兩側(cè)形成一對分離漩渦,使得泥沙被主流帶走的緣故;(4)由于受到橋墩的掩護作用,在橋墩迎落潮面前一定區(qū)域內(nèi)的流速較小,致使水中泥沙發(fā)生淤積,形成一條明顯的沙埂,且沙埂高度沿遠離橋墩的方向逐漸減小,沙埂在橋墩迎落潮面前形成是由于漲潮流速大于落潮流速而引起的;(5)橋墩基礎(chǔ)處沖坑的范圍平均約為最大沖坑深度的5～15倍。3要建立其物理模型的橋墩沖刷深度本文對某跨海大橋橋墩基礎(chǔ)處