港珠澳大桥青州航道桥桥墩基础冲刷试验研究

高祥宇，周 伟，李书亮，段子冰，高正荣，俞竹青

(1.南京水利科学研究院 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210024; 2.长江南京航道局，江苏 南京 210011; 3.港珠澳大桥管理局，广东 珠海 519060; 4.广东港珠澳大桥材料腐蚀与工程安全国家野外科学观测研究站，广东 珠海 519060)

在经济建设和可持续发展中，交通起着至关重要的作用，桥梁建设是跨越河流、海域和峡谷等天然屏障缩短交通距离的一种重要的手段。20世纪80年代以来，我国进入了桥梁建设的高速发展期，每年开工建设桥梁有1万多座。进入21世纪，为适应我国经济的全球化发展，促进沿海城市、沿海城市与岛屿之间的交流与发展，跨海通道工程建设成为一种趋势，如已建成的港珠澳大桥、杭州湾跨海大桥、青岛海湾大桥、东海大桥、舟山跨海大桥、平潭跨海大桥、厦门海湾大桥等。我国大陆淤泥质海岸长逾4 000 km，约占我国大陆海岸的22%[1]，已建的跨海大桥多数处于淤泥质海岸。桥梁建设后桥墩周围水流环境发生改变，会引起桥墩基础冲刷。我国所建跨河跨海的大型桥梁，多数为深水群桩基础，体积和阻水面积相对较大，在循环荷载和基础冲刷的情况下，桥梁桩基的承载能力减小，水流的横向冲击力增大，由此可能引起桥梁毁坏和基础裸露等严重安全隐患。国内外已发生的桥梁事故统计表明，桥墩基础冲刷是导致桥梁毁坏的主要原因之一[2]。桥梁建设投资一般都比较大，跨海大桥由于建设所处的地理环境特殊，建设投资更加巨大。一旦发生桥梁毁坏事故，会造成更大的经济损失和人员伤亡。桥梁基础冲淤后为了保障桥梁安全就需进行防护，防护经费也巨大，东海大桥桥墩桩基冲刷防护应急抢险工程投资经费需1个多亿。

自20世纪50年代以来，国内外众多学者针对桥墩冲刷进行了大量的研究，2000年以前研究较多的是单向流冲刷计算公式，美国联邦公路局发布的“水力工程通报”HEC-18[3]认为桥下总冲刷由河床长期的冲淤、束窄河床冲刷、局部冲刷组成，推荐了桥墩局部冲刷公式。国内规范[4-5]中桥墩附近冲刷包含河床自然演变冲刷、一般冲刷、局部冲刷3个部分，并按照黏性土和非黏性土给出了相应的计算公式。美国在2000年行业规范中首次提出了桥墩局部冲刷在潮汐水流中计算方法[6]，还有一些桥墩局部冲刷深度计算公式也相继被提出[7-11]，但这些公式由于是采用了特定的研究方法和试验条件，其适用性仍有待进一步考证[12]。目前，潮流桥梁局部冲刷研究或认识也存在一定的争议：有的学者认为在足够长的冲刷周期作用下，其与径流相同流速条件下局部最大冲刷深度基本相同[13-14]，也有的认为小于径流作用下的局部最大冲刷深度[15-16]。跨海桥梁基础受到水流、波浪和潮汐等综合作用，桥墩局部冲刷情况比单向水流和往复流冲刷更加复杂[17-18]。

港珠澳大桥是连接香港、广东珠海和澳门的桥隧工程，位于珠江口伶仃洋海域内。伶仃洋内地形复杂、岛屿众多，受地形、潮汐、径流的综合作用，水动力条件复杂。港珠澳大桥桥隧全长55 km，其中主桥29.6 km，设计寿命120年，项目总投资额达1 269亿元。桥墩局部冲刷深度是桥梁基础设计的重要参数之一，现有的数值计算方法和公式还无法很好地解决局部冲刷问题。下文采用系列模型，对青州航道桥主桥墩进行水流、潮流和波流共同作用下的局部冲刷物理模型试验，为工程设计提供依据。

1 试验概况

1.1 桥墩结构

港珠澳大桥有3座通航孔桥，分别为青州航道桥、江海直达船航道桥和九洲航道桥，青州航道桥跨径最大，主塔最高的通航孔桥，双塔之间距离458 m，其主桥墩是全桥最大的桥墩。桥墩基础为桩承台墩型，平面呈长八边形，迎水面宽32.50 m，长53.50 m。自顶面标高+3.8 m向下的承台厚6.0 m。承台底布置36根圆桩，按高程的不同分为两种桩型：承台底～-58.5 m之间为钢护筒桩，标高-58.5 m向下的为混凝土桩，桩径为2.5 m(图1)。

图1 桥墩结构型式

1.2 工程区水文和地质条件

伶仃洋为一个东南向开敞的海域，汇集珠江入海八个口门中的虎门、蕉门、洪奇沥和横门四个口门的径流，由四个口门进入伶仃洋的平均流量约5 663 m3/s，径流总量约1 742亿m3/a，约占珠江出海总量的53.4%。径流年内分配极不均匀，汛期4月—9月约占全年径流总量的80%。潮汐类型属不正规半日潮混合潮型，日不等现象明显，平均潮差1.06～1.16 m，属于弱潮海湾。潮流基本为沿槽线走向的周期性往复流，落潮流速一般都大于涨潮流速，最大流速可达2.0 m/s。洪季受径流影响，流速明显大于枯季。内伶仃岛以内流向以NNW～SSE向为主，内伶仃岛以外流向转为S～N向。桥区潮流涨急时垂线平均流向大致为N向，落急时垂线平均流向大致为S向。外海大浪主要是台风浪，台风大浪的波向主要是向岸的SE～SSW向，根据桥区实测波浪资料，常浪向为偏南向，其次为偏北向，在台风“鹦鹉”期间最大有效波高为3.64 m，周期为5.3 s，浪向为SSW。

根据桥位沿线地质勘探资料，桥位区下伏基岩主要为燕山期花岗岩和震旦系片麻状混合花岗岩、混合花岗岩、片岩。基岩上部为全新统～更新统海相、陆相、河流相、海陆交互相沉积层。其中全新世海相沉积物岩性为淤泥(厚度4.7～8.6 m)、淤泥质黏土(厚度9.3～13.3 m)和淤泥质黏土夹砂(厚度7.4～17.4 m)；晚更新世陆相沉积物岩性主要为软～可塑状黏土，海相冲积物岩性主要为淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土和软～可塑状黏土，河流相冲积物主要由中密～密实砂类土组成。

在青州航道桥位附近取了2个原状土泥样，泥沙中值粒径分别为0.023 mm和0.028 mm，根据原状土起动试验，起动流速分别为1.25 m/s和1.59 m/s[19]，为使冲刷试验得出的结果偏于安全，选取泥沙中值粒径0.023 mm作为原型泥沙代表粒径，容重γs=2.65 t/m3。

1.3 试验水槽和设备

模型试验在宽水槽内进行，水槽总长42 m，宽4.2 m。水槽一端为往复流双向泵，另一端为翻板尾门，并布置了造波板，水槽的外缘为回水廊道和水库，水槽能够产生单向流、潮流和波流共同作用动力条件。动床段布置在水槽中间段长度10 m，铺沙厚度0.6 m，桥墩模型布置在中间位置(图2)。由计算机、自动调速装置、双向泵频率控制装置、摇摆式生波装置和数据采集箱等设备组成一套自动控制和采集系统。试验中流速、水位和波浪测量分别采用二维电磁式流速仪、自动跟踪式水位仪和CBY-Ⅱ型波高仪，桥墩外围冲淤地形采用直读式地形测量仪测量，桥墩区冲淤地形采用测针人工读取。

图2 试验水槽布置示意

2 试验方法和条件

2.1 系列模型延伸法

桥墩局部冲刷是一个三维问题，垂向水流运动是决定冲刷深度和形态的重要因素之一，正态动床模型预测桥墩局部冲刷形态和深度是通常采用的方法。动床模型设计时除满足几何相似、动力相似等条件外，模型沙的相似尤为重要。在实际工作中，由于缩尺影响，模型的动力条件远弱于原型，模型沙与原型沙达到完全相似相当困难，为了消除模型沙和原型沙运动不完全相似而带来的试验结果偏差常借助系列模型延伸法。

假设完全满足相似条件的正态模型几何比尺为λh0，系列模型选用的不满足泥沙起动相似的模型几何比尺为λh,冲刷深度比尺为λhs=hp/hm(hp、hm分别为原型和模型冲刷深度)，当模型完全满足正态模型相似条件时，则λhs=λh=λh0；当系列模型几何比尺λh偏离几何比尺λh0时，λhs≠λh≠λh0，λhs与λh存在下列指数函数关系：

λhs/λh=(λh0/λh)n

(1)

将冲刷深度比尺代入式(1)中，则原型冲刷深度hp为：

hp=hmλh(λh0/λh)n

(2)

采用系列模型试验结果推算原型冲刷深度时，常利用双对数坐标系，以λh为横轴，hm为纵轴作直线关系，推求出原型冲深。当系列模型采用原型沙进行试验时，λh0=1，将λh延伸到1的hm即为原型冲淤值hp；当模型沙与原型沙不同时，λh0等于按泥沙起动相似求得一个数值，系列模型结果应延伸至λh=λh0，得到延伸的冲淤值，然后再与λh0相乘得到原型冲淤值。也可以将所得试验结果进行延伸，求得指数n，建立外插方程，直接求得原型冲刷深度。

为了较好地模拟原型动力条件，综合考虑场地和设备等因素，本次试验分别采用几何比尺为50、70和100进行系列模型试验。

2.2 模型沙

研究桥墩附近冲刷坑深度及形态，模型沙选择主要考虑泥沙起动相似和水下泥沙休止角的相似。采用经过相似条件下的比尺计算和模型沙性质的比选，采用株洲精煤研磨的煤粉作为试验模型沙，试验前进行了脱脂处理，模型沙中值粒径d50=0.50 mm，容重为γs=1.33 t/m3。采用张红武泥沙水下休止角计算公式[20]得到原型沙休止角为30.3°，通过模型试验模型沙休止角为31.2°，模型沙与原型沙水下休止角基本相当。通过试算模型比尺为λh0=40时模型沙与天然沙泥沙起动相似。对于波浪作用下的泥沙起动，采用周益人提出的公式[21]计算波浪泥沙起动相似比尺为λh0=67，模型沙略容易起动，偏于安全。

2.3 试验动力条件

分别按照单纯水流、洪水与潮流组合和波流共同作用三种情况进行试验。单纯水流分别采用300年一遇和20年一遇设计水流；波流共同作用时，水流动力分别采用100年一遇和20年一遇设计水流，波浪条件采用水流对应条件下的H4%规则波，根据某跨海大桥桥墩基础的波流局部冲刷试验[22],顺流叠加波浪桥墩基础冲深最大，试验采用顺流叠加波浪(表1)。洪潮组合水流动力采用数学模型计算得到的300年一遇潮位和流速过程，物理模型试验结果与数模值误差小于10%(图3)，模型试验涨急流速1.73 m/s，落急流速1.52 m/s，一个潮过程涨潮历时10 h，落潮历时15 h。

表1 试验动力条件

图3 300年一遇潮位和流速过程

2.4 模型试验方法

冲刷试验开始前，首先在试验段周围布置水位仪、流速仪和波高仪，调试水槽内无结构物时试验要求的水流和波要素，将调试好的参数存入计算机控制系统，供冲刷试验时采用。

进行局部冲刷试验时，放水前先在试验段的中部放置桥墩，模型沙平铺于试验段。在试验过程中，监测桥墩周围局部地形，当地形测量值基本不变时，认为冲刷达到平衡，然后测量桥墩冲刷地形。

恒定流桥墩冲刷试验从冲刷坑的形成到基本冲刷平衡有一个大致固定冲刷时间，而潮流桥墩冲刷试验时，需进行特征水文年长系列潮周期的循环试验才能使桥墩周围的冲刷达到基本平衡。当潮流最大流速与恒定流流速一致时，恒定流比潮流桥墩冲刷平衡所需时间少。通过300年一遇水文年潮型循环试验，模型试验时间14小时，不间断监测桥墩周围冲刷地形，图4为模型几何比尺100冲刷坑发展过程线，从图中可以看出，潮流冲刷历经8小时(模型时间)后桥墩最大冲深基本不变，为了保障各试验达到冲刷平衡和节约试验时间，初步确定桥墩冲刷试验时间进行10小时。在系列模型试验过程中监测发现10小时试验桥墩冲刷均达到了平衡。

图4 300年一遇潮型动力桥墩冲刷过程

3 试验结果与分析

3.1 水流作用下桥墩基础冲刷

在300年一遇和20年一遇设计水流作用下，水流受到桥墩基础阻碍后，墩前壅水，桥墩两侧形成绕流向构成表面漩辊(图5)；中部以下水流遇桩群边壁转而向下，与下层水平方向行进水流构成底部的向下漩辊，底部的向下漩辊是产生局部冲刷的主要动力。局部冲刷达到相对平衡后，索塔基础周围的地形呈现机翼状的冲刷形态，两侧冲刷地形基本对称，冲刷区主要位于桥基承台迎水面底部桩群间，最大冲深点处于迎水面的前三排桩群之间。从索塔基础中部、紧靠承台边壁处的水流受到多重桩群的阻水消能，冲刷能力和携沙能力同时递减，形成类似蟹螯状的淤积带；桥基的背水面则呈现与桥基迎水宽度基本等宽、淤厚逐渐递减的长条形淤积带(图6)。300年一遇和20年一遇设计水流条件下的桥墩局部冲刷形态基本相似，差别主要表现在冲深和范围的大小。

图5 索塔基础水流流态(300年一遇设计水流)

图6 索塔基础周边冲淤形态(300年一遇设计水流)

3.2 潮流作用下桥墩基础冲刷

300年一遇水文年潮型潮流试验中，潮流受涨落潮的影响呈往复流，桥基承台及底部桩群的两端既是迎水面，又是背水面。在涨潮和落潮期桥墩基础两端分别会形成单向流的水流特征，潮流过程有憩流、转流期，在若干时段内潮流流速小于300年一遇的设计水流流速，此时潮流受到桥墩基础阻碍产生的绕流和漩辊范围较小。青州航道桥桥墩纵轴线与潮流主流向约14°夹角，潮流作用下桥墩基础冲刷分别进行了无夹角和14°夹角试验。桥墩纵轴线与潮流向无夹角时，桥墩周边绕流与单向水流情况相似；桥墩纵轴线与潮流向有夹角时，桥墩周边绕流不对称与无夹角时略有区别(图7)，试验潮型的涨潮流速大于落潮流速，落潮流绕流范围小于涨潮流，绕流形态与涨潮流基本相似。

图7 涨急流速流态

潮流作用下桥墩基础达到冲刷平衡所需要的时间明显长于单向流情况。与水流作用下桥墩局部冲刷形态相同的是桥基附近形成局部冲坑，最大冲深点发生在流速大的迎水面桩群内，不同特点是局部冲坑由一个发展为两端各有一个，冲刷形态由勺形变为桥墩两端深中间浅的马鞍形，桥墩两端外缘形成与承台基本等宽、堆高随距离逐渐递减的淤积带(图8),桥墩受潮流弱侧淤积体大。

图8 潮流作用下索塔基础周边冲淤形态

3.3 波流作用下桥墩基础冲刷

在100年一遇和20年一遇设计水流与波浪共同作用下，桥墩水流结构与单向流基本相同，由于波浪受桥墩的影响，在墩柱前、墩侧面和墩后面分别形成波浪反射区、波浪散射区和波浪掩护区(图9)。

图9 波流共同作用下水流流态(100年一遇)

波流共同作用下的桥墩冲深范围呈机翼状向墩基两侧伸展，其伸展的角度与桥墩的迎水宽度、流速大小和与水流的交角有关。桥墩纵轴线与水流有交角时，墩基的冲刷形态两侧不对称，冲刷范围和最大冲深点偏向墩基与水流产生夹角的方位，同时产生了次冲深区(图10)，冲出的泥沙落淤在桥墩掩护区域。在冲刷过程中，波浪主要起掀沙的作用，水流不仅对床面进行冲刷，并将波浪掀起的泥沙向后输移。当水流导致冲坑深度较大时，波浪对冲刷坑的作用明显减弱，在试验条件下桥区的波流属强流弱波，水流在冲刷中起主导作用。100年一遇设计水流叠加波浪条件下的桥墩周围冲刷深度和范围大于20年一遇设计水流叠加波浪条件下的情况。

图10 波流共同作用下冲刷形态(100年一遇)

3.4 桥墩冲刷深度和范围

由于水流受桥墩阻水的影响，在桥墩周围水流结构发生了变化，引起桥墩基础周围床面冲刷，形成局部冲刷坑，随着冲刷加剧，水流动力对床底的作用逐渐减弱，而且河床较易冲刷的细颗粒泥沙冲走后，冲刷区泥沙也相对变为较粗颗粒的泥沙，抗冲能力增加，最后桥墩基础周围来流挟带的落淤泥沙和冲刷泥沙达到平衡，形成桥墩基础最大冲刷深度。采用系列模型延伸法可求出原型桥墩基础最大冲刷深度，图11和图12分别为水流和波流作用下的桥墩冲刷系列延伸图。

图11 水流条件桥墩冲刷系列延伸图

图12 波流条件下桥墩冲刷系列延伸图(夹角14°)

采用系列模型延伸法得到青州航道桥桥墩局部最大冲刷深度和范围见表2，从表中数据可以看出，当桥墩纵轴线与水流无夹角时，随着水流流速的增大局部冲刷最大深度和范围也增大；潮流作用下，最大流速与单向水流流速相同时，桥墩局部最大冲深和两侧冲刷范围基本相近，桥墩两端均出现淤积带；波流共同作用下，由于受到波浪掀沙的影响，桥墩局部最大冲深和冲刷范围大于单向水流情况。当桥墩纵轴线与水流有夹角时，由于桥墩阻水面积的增大和夹角的影响，潮流、波流共同作用下，桥墩局部最大冲深和冲刷范围大于无夹角情况，而且流速大和波浪强桥墩局部最大冲深和冲刷范围均大。

表2 青州航道桥桥墩冲刷深度和范围

4 结 语

桥墩局部冲刷特性和冲刷深度一直是研究的重点问题，是桥梁基础设计和防护的重要参数。针对青州航道桥桥墩基础周围水动力条件复杂和桥墩基础较大特点，采用系列物理模型试验方法，分别进行了水流、潮流和波流共同作用下的桥墩局部冲刷研究。试验结果表明：1)潮流作用下桥墩冲刷过程由于有效流速作用时间较少，冲刷达到平衡需要的时间比恒定水流时间要长，桥墩基础两端均会发生迎流，冲刷形态有别于单向流冲刷形态，涨落潮形成两个冲刷坑中的最大冲深和冲刷形态由流速较大的一侧控制，桥墩局部冲刷达到冲刷平衡后，其最大冲深与相同水流流速的情况基本一致；2)波流共同作用下桥墩局部最大冲刷深度比单纯水流冲刷深度增加10%左右，两者的冲刷形态相近；3)相同动力条件下桥墩与水流有夹角时，桥墩局部冲刷深度和冲刷范围会有所增加。

所建桥梁海床表层为淤泥质亚黏土，其黏性强抗冲性能较好，目前物理模型试验较难模拟，有待更深入的研究。从安全角度考虑，采用散粒体进行试验研究能够满足工程设计需求。港珠澳大桥2018年10月开通运营，青州航道桥索塔基础由原来长八边形调整为哑铃型，直径为36.5 m，根据2014年2月至2019年9月实测水下地形资料，桥墩周围冲刷深度约1.5 m。