强涌潮对桥墩墩身作用力试验研究

陈 刚 ，何 昆 ，杨元平 ，杨火其

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

随着沿海地区经济的快速发展，河口、海湾地区桥梁不断涌现，日益成为联系沿海地区经济社会发展的纽带。钱塘江河口是世界上典型的强涌潮河口，涌潮强度和景观多样性居世界之首[1]，最大涌潮高度3.5 m，实测最大测点流速12 m/s。恶劣的自然条件决定了钱塘江河口桥梁的设计难度远远大于其它桥梁工程，其中强涌潮作用于桥墩的压力显著增加桥梁工程的动力荷载。曾剑[2]等研究了建桥对涌潮高度的影响；杨永楚[3]在钱江二桥南岸利用施工栈桥和桥墩桩基护筒进行涌潮压力观测；李颖[4]在嘉绍大桥进行涌潮压力现场测量；邵卫云等[5]对钱塘江六桥桥墩所受的正面涌潮压力及回头潮压力全过程进行动态测试；杨火其[6]开展涌潮对方桩的正向作用力室内试验。但由于涌潮行进方向变化多样，河床地形和水文条件各不相同，目前对涌潮压力的理论分析和认识仍存在一定差异。

由于建筑物的形状和大小直接影响建筑物受到的涌潮作用力的大小及其分布特征，现阶段针对特定型式的建筑物进行模型试验是取得涌潮作用力最为直接可靠的方法。本文利用涌潮水槽模型试验研究某大桥墩身涌潮作用力分布及其变化特点，所受最大涌潮压力分布范围，以及强涌潮正向、斜向作用下分别位于迎潮面和隐蔽区的桥墩墩身受力差异。

2 研究方法

2.1 试验设备

试验在长50 m、宽4 m 的涌潮水槽中进行（见图1）。生潮设备采用多台水泵变频调速控制系统，由总线工控机利用积分分离的PID 算法，通过多台水泵向模型提供水流。潮前水流过程的模拟通过外接水位仪、流速仪进行监测，试验要求的低潮位和涌潮高度由水泵的进出水量及时间控制。

涌潮高度与传播速度测量采用电容式波高仪，开展动态水位测量，测量分辨率0.01 mm，测量误差＜±1%，数据采集的时间间隔为0.01 s。采用硅横向压力传感器进行桥墩墩身不同高程的涌潮压力测量；总力传感器安装于桥墩墩身背潮面，总力测量采用S 型拉力、压力传感器，测量设备见图2。

图1 涌潮水槽图

图2 测量设备图

2.2 模型设计

模型比尺、桥墩结构、试验方案及水文条件选取是涌潮模型设计的关键因素：

（1）模型采用水平和垂直比尺为1:50 的正态模型；

（2）根据钱塘江河口防洪、航运及桥梁安全的要求，未来拟建桥梁承台等阻水较为明显的结构将埋于河床床面以下，因此涌潮作用时，主要受力结构为桥梁的墩身，桥墩墩身结构形式为倒角圆矩形。本文模拟2 种桥墩宽度，分别为方案①5.0 m、方案②3.5 m；一组涌潮斜交30.0°工况；此外为探讨位于隐蔽区内的桥墩受力情况，试验还设计了2 组同类型桥墩分列于上下游两侧，相距36.8 m。试验组合见图3。

图3 试验组合图 单位：cm

（3）根据钱塘江河口地形及水文条件，试验水文条件为低水位1.5 ～ 4.0 m 组合涌潮高度1.5 ～ 3.3 m。试验方案及水文条件见表1。

表1 试验方案及水文条件表

2.3 涌潮的模拟与验证

潘存鸿等[7]根据一维连续性方程和动量方程推导涌潮传播速度与上下游水深的关系，建立涌潮传播速度的解析计算公式：

式中：c为涌潮传播速度，m/s；uu为上游（潮前）流速，m/s；h为水深，m；下标d和u分别表示下游侧（海侧）和上游侧（河侧）；ξ为涌潮高度，m；g为重力加速度，m/s2。

黄静等[8]人对涌潮水槽进行较为系统的验证，本次试验经水槽率定，涌潮试验的传播速度与理论计算公式的成果相对较为吻合，涌潮模拟精度良好，验证结果见表2。

表2 涌潮传播速度验证结果表

3 试验结果及分析

3.1 涌潮作用力分布

根据钱塘江河口涌潮特征，在一定的地形条件下，涌潮水流的控制条件为潮前水深以及涌潮高度。影响桥墩作用力的主要涌潮水流条件为低潮位以及涌潮高度，涌潮作用力沿垂线分布试验结果见表3 和图4。

表3 涌潮作用力沿垂线分布表

试验研究表明，涌潮冲击桥墩过程中流体运动和自由面变化非常复杂，会出现水冲击、界面破碎以及复杂的漩涡运动等现象，不同高程涌潮压力差异较大，桥墩受到的涌潮最大作用力位置与低潮位关系密切，以涌潮高度Z与水深H的比值Z/H为纵坐标，测点压强P与最大点压强Pmax的比值P/Pmax为横坐标，可以发现：

（1）图4（a）为涌潮高度2.9 m 时，几种不同低水位下桥墩迎潮面涌潮作用力的垂线分布特征，从图4（a）可以看出，涌潮压力垂线分布为抛物线型，压力最大值发生在低潮位附近，其值以上和以下逐渐减小，涌潮对桥墩的最大作用力约在低潮位上0.0 ～ 0.4 倍涌潮高度位置；

（2）涌潮高度1.0 倍以上水深垂线范围内，涌潮压力减小，其值与最大压力的比值不超过0.2；

（3）涌潮冲击桥墩瞬间，不同高程测点受到的压力可分解为涌潮冲击力、涌潮水体造成的静水压力2 部分。对桥梁工程而言，涌潮冲击是动力荷载明显加剧的主要因素，静水压在涌潮过后相互平衡。因此进一步分析涌潮冲击力部分（见图4（b）），可见桥墩受涌潮作用时，低水位以下涌潮压力明显较小。

图4 涌潮作用力沿垂线分布图

3.2 涌潮作用力研究

图5 为典型涌潮作用力及水位时程变化图。从图5 可见，涌潮作用瞬间，总力计测得一明显峰值，该峰值基本与涌潮冲击桥墩的时刻同步，本文以涌潮作用时出现的最大压力值为研究对象。

涌潮作用力的时程过程较为复杂，首先，涌潮来临之前，试验显示总力总体较小；涌潮来临瞬间，存在一个明显的突变上涨过程；涌潮过后，总力依然有明显变化，变幅接近50%的最大值。

图5 涌潮作用力及水位时程变化图

根据前面涌潮作用力分布可知，涌潮压力主要分布在低水位以上1.0 倍涌潮高度的范围内。此外浅水长波和驻波理论表明，涌潮点压力与涌潮高度成正比，理论上涌潮作用力可根据点压力随水深方向积分进行估算，因此初步判断涌潮作用力的大小与涌潮高度的平方相关。图6 为各试验组合下涌潮作用力与潮头高度平方的关系图，可以看出，两者有很好的线性相关性。

图6 涌潮作用力与涌潮高度平方的关系图

3.3 涌潮作用力的计算公式

根据总力试验结果可知，涌潮最大作用力主要与桥墩（墩身）阻水宽度、涌潮高度、涌潮行进方向、桥墩墩身相对位置等有关，其中：

（1）涌潮作用力与桥墩墩身阻水宽度、涌潮高度的平方成正相关；

（2）位于隐蔽区内的桥墩墩身，其涌潮作用力略小于迎潮面桥墩墩身，可用折减系数表述。

为探讨桥墩（墩身）涌潮最大作用力，依据量纲和谐原理，对总力试验的结果进行拟合：

在涌潮前部直立水墙与桩柱接触的瞬间，涌潮冲击力最大，假设：

如考虑涌潮与桥墩（墩身）角度的影响，取水流方向受力宽度B1：

对ρ·g简化，可得：

式中：F为桥墩总力（kN）；H为涌潮高度（m）；A为墩型系数，与桥墩（墩身）结构型式有关；K1为上游、下游墩的遮掩系数；S为受力面积（m2）；B1为涌潮作用时桥墩（墩身）的受力宽度（m）；L、B分别为墩身的长、宽（m）；a为涌潮与桥墩轴线的夹角（°）。

经拟合，本文墩型系数A取12.0；K1迎潮面桥墩取1.00，隐蔽区墩取0.96。

图7 为上述公式计算值与试验值的比较图（图中斜线为y=x的45°理想线）。结果表明，试验值与计算值分列于y=x斜线附近，吻合程度较好。

图7 涌潮作用力计算值与试验值比较图

4 结 语

本文通过对强涌潮作用下桥墩墩身的受力试验研究，得知：

（1）涌潮对桥墩作用力最大值发生在低潮位附近，位于低潮位上0.0 ～ 0.4 倍涌潮高度位置，往上和往下的涌潮作用力逐渐减小；

（2）涌潮作用力的大小主要与桥墩（墩身）宽度、涌潮高度、涌潮行进方向、桥墩墩身相对位置等有关，建立的经验公式可用于相关设计参考。