大型沉井施工期局部冲刷模型试验及工程验证

陈 策

(江苏省长江公路大桥建设指挥部,江苏泰州 225321)

1 概述

沉井是桥梁广泛采用的基础形式之一。沉井基础埋置深度大、整体性强、稳定性好,能承受较大的垂直荷载和水平荷载。在水中施工时,沉井既是基础,又是施工时的挡土和挡水围堰结构物。江河的水中沉井与海洋上的不同,它必须考虑施工中的局部冲刷问题,正确地预测桥墩局部冲刷深度是桥梁设计和施工的重要依据之一,1873年Durand Claye发表“关于桥墩局部冲刷”论文,至今已有130多年的时间,国内外不同学者研究了针对桥墩局部冲刷深度的计算公式。目前国内沉井基础的最大局部冲刷深度一般按《公路工程水文勘测设计规范》(JTGC30—2002)[1]所推荐的65-2公式和65-1修正式进行计算,该式具有一定的理论基础,收集的资料范围也较广,在解决我国很多河流桥墩冲刷问题时具有一定的可靠性,经观测验证该公式的精度比较好,但公式的推导、建立和验算的基础基本立足于中、小型桥墩,缺乏对大型、特大型桥墩最大局部冲刷深度预测的验证。

泰州大桥为三塔悬索桥,其中塔采用了平面尺寸为58.2 m×44.1 m的矩形沉井,由于沉井下沉深度较深,周边井孔设置成圆端形,形成连拱以抵抗水土压力,沉井高76 m,该沉井为世界上入土较深的水中沉井,体量也是在国内的水中沉井中首屈一指,沉井的局部冲刷情况,对沉井的合理高度设计以及施工预案影响极大,因此,江苏省长江公路大桥指挥部和南京水利科学研究院联合开展了“大型沉井施工期局部冲刷研究”,结合当地的水文地质资料,开展了河工模型试验研究。在沉井的施工过程中,进行了数据观测,对试验结论进行了验证。实测数据表明,模型试验的数据基本符合实际的冲刷情况。

2 试验方法和内容

本试验用系列模型延伸法确定冲刷深度。动床模型试验受到选沙困难的约束,一般通过系列模型研究(通过一系列不同比尺的正态模型),将试验结果延伸来消除模型和原型泥沙运动不完全相似而带来的偏差。试验水槽总长34 m,净宽4.8 m,水槽动床段长10 m,宽4.8 m,铺沙厚度为0.6 m,桥墩基础布置在试验段的中央。在模型设计时,系列模型比尺的确定考虑了流速、雷诺数、水深、休止角、桥墩压缩比等。

经比选,试验采用经过防腐处理的木屑作为模型沙,中值粒径d50=0.8 mm,颗粒容重rsm=11.5 kN/m3,干容重rom=6 kN/m3,现场采样泥沙资料显示,原型沙d50=0.1～0.19 mm,rs=26.5 kN/m3。

对于水深较大的细沙河流,在没有系统的推移质实测资料时,通常选用相对成熟的公式进行计算,试验选用沙玉清公式计算原型沙起动流速

VC=vc1R0.2

(1)

(2)

木屑起动流速采用武汉水院公式计算

(3)

式中VC——起动流速；

h——模型水深；

D——模型沙粒径；

rs——模型沙的密度；

r——水的密度。

原型沙水下休止角按文献[2]公式[2](d=0.061～9 mm)计算

φ=35.3d0.04

(4)

模型沙按天津大学室内试验得出的粒径与休止角关系式(d=0.2～4.37 mm)计算

φ=32.5+1.27d

(5)

经计算，原型沙φ=33.0°,模型沙φ=33.5°。

泰州大桥中塔墩所处床面水深在15～20 m,通过试算得出模型采用木屑满足相似条件的几何比尺为20。泰州通道中塔墩基础几何尺度大,用符合相似条件的正态模型几何比尺进行试验,无论是场地或设备都难以达到,因此根据系列模型试验方法原理,借助λh>20的模型来做局部冲刷试验,将所得的试验结果进行延伸,求得指数n,建立外插方程式,得到原型的冲刷深度。为保证试验达到足够精度,兼顾场地、设备等试验条件,本次试验选择两种几何比尺

λh1=100，λh2=200

针对桥墩施工期特点,本次依据南京站与施工时段同期的月最大和月最小的长期实测水位资料(1950年～2004年),建立南京水位站～桥位上游三江营、三江营～下游界河口水位站同期月最大和月最小水位相关关系,以大通多年月平均流量为基准,采用频率分析方法推求桥区施工期不同流量所对应的水位、流速。泰州中塔墩基础施工期局部冲刷试验水文条件见表1。

表1 泰州中塔墩基础施工期局部冲刷试验水文条件

注：冲刷前河床高程按15.4 m计；施工期设计洪水按20%保证率(流量Q=91 000 m3/s)。

3 试验结果

流向沉井的水流受到墩身的阻挡,沉井周围的水流结构发生急剧变化,水流的绕流使流线急剧弯曲,床面附近形成旋涡,剧烈淘刷沉井迎水端床面和周围的泥沙,随之形成局部冲刷坑。随着冲刷坑的不断加深和扩大,坑底流速逐渐降低,水流挟沙能力随之减弱,上游进入冲刷坑的泥沙与水流冲走的泥沙趋向平衡,同时,冲刷坑底的泥沙逐渐粗化,留下较粗颗粒铺盖在冲刷坑表面上,使坑底粗糙程度增大,抗冲能力增强[3]。当水流的冲刷作用与床沙的抗冲作用趋向平衡时,冲深随之停止,此时局部冲刷坑达到最深。沉井基础的最大冲深区域位于沉井迎水面底部两侧角附近。冲刷坑外缘与沉井前端坑底的最大高差,就是最大局部冲刷深度。

针对沉井施工期可能面临的水情,对矩形沉井基础进行了从枯水、中水、汛期和特大洪水不同流量所对应流速情况下的冲刷试验,分别得出钢沉井面临不同流速时的最大局部冲刷深度[4]。泰州大桥沉井与水流方向存在10°水流夹角,因此做了有水流偏角和无水流偏角的局部冲刷试验,部分试验情况见图1。在10°水流偏角的情况下,比无偏角时的冲刷增大8.8%～13.7%,试验结果见图2。

图1 矩形沉井基础局部冲刷形态照片(V=1.50 m/s)

图2 局部最大冲深与行近流速关系曲线

4 试验结果验证

沉井与水流方向成10°夹角时,根据模型试验的结果,推导出矩形沉井基础最大冲刷深度与墩前行近流速的对应关系,可推导计算式如下

y=4.244 1x2+5.524 2x-2.482 (R2=0.999 9)

(6)

式中y——最大冲刷深度，m；

x——行近流速，m/s。

在施工过程中,测量了沉井周边及内部的局部冲刷深度,并将其与模型试验测得的成果以及按65-1修正式及65-2公式计算所得的结果进行了比选(表2)。

由表2可知,泰州大桥沉井实测的局部冲刷深度基本与模型试验的值相符,小于按65-1修正式及65-2式的计算值。

于2007年11月10日、2007年12月1日、2008年3月4日开展了多波束水下地形测量,采用全覆盖测量。多波束测深系统测量数据采用SIS软件进行了声速校正、水位插加等数据处理,并按5 m×5 m的网格进行了数据抽稀,提取出成图所需的必要数据。将处理出的地形散点文件采用CFLOOR软件进行了河床三维地形图的绘制[5]，见图3。

沉井施工过程中的局部冲刷情况如下：沉井于2007年11月11日浮运,在沉井18 d的悬空状态,因为水流速度比较小,引起的冲刷深度是0.7 m。11月29日注水着床,由于前冲后淤,沉井预设了18 cm向上游的预偏量,在沉井刃脚着床的过程中,下游的淤泥将沉井向上游推进了18 cm左右。12月1日对沉井周围测量时,在迎水流方向的矩形的对角冲刷较大,冲刷深度达到1.5～3 m,在同一边沉井后侧的淤积达到1 m左右。2008年3月4日对沉井周围进行水下地形测量时,发现沉井上方与2007年12月份相比较冲刷最深有4 m左右,在沉井下方淤积最深也有5 m左右。在沉井下沉期间,局部冲刷表现为前冲后淤,随着水流速度的增加,沉井前后的高差逐渐增大,在6月份沉井下沉至-44 m,水流速度为1～1.3 m/s时,前后的高差达到了8 m以上,为防止沉井过大偏位,对沉井下游的堆积沙进行了清理。在8月份,沉井下沉至-61 m,水流速度为1.2～1.7 m/s时,前后的高差又达到了10 m左右,因此再次对沉井下游的堆积沙进行了清理。于2009年11月22日对沉井周围进行了水下地形测量,经过1年多的时间,沉井迎水流方向的矩形对角的最大局部冲刷深度为17.4 m。

表2 墩位处各施工工况测得的流速及沉井最大局部冲刷深度

图3 2008年3月4日水下地形测图

5 结语

本文通过沉井局部冲刷模型试验及工程验证,得出如下结论：

(1)对于大型沉井,实测的最大局部冲刷值要较65-1修正式和65-2公式计算出的值小,通过河工模型试验可以得出较为合理的数据,从而指导施工；

(2)模型试验得出的公式对推算长江中下游地区的沉井施工期的局部冲刷情况有一定的借鉴作用,由相应的工程对其进行进一步验证后,有一定的推广意义；

(3)如采用矩形沉井,矩形迎水的对角冲刷深度最大,需要重点防范；

(4)在沉井施工过程中,前冲后淤,有可能会造成沉井的受力不平衡,应采取相应的技术措施,以保障工程的安全。

[1]JTG C30—20，公路工程水文勘测设计规范[S].

[2]张红武，吕 昕.弯道水力学[M].北京：水利电力出版社，1993.

[3]陈 策,冯兆祥.深水沉井基础碎石防护粒径起动特性试验研究[J].铁道标准设计,2007(8):32-34．

[4]江苏省长江公路大桥建设指挥部,南京水利科学研究院.泰州大桥施工期局部冲刷试验报告(送审稿)[R].南京：2007.

[5]长江委水文局长江下游水文水资源勘测局.泰州长江公路大桥沉井基础施工期监测技术总结[R].南京：2007.