桥墩基础局部冲刷研究

动流速公式计算（[4]）：
Uc = K
γ s − γ gd ( h )0.167
γ
d
（4-1）
k = 0.2 + 4.4d 0.5 − 3d 0.7
式中： 0.01+ d
，根据试验，系数 k 与粒径 d 的关系见下表：
表 1 系数 k 与粒径 d 关系
d(mm) 0.028 0.041 0.081 0.12 0.135 0.23 0.82
图 2 沉井基础结构图
圆形沉井基础下部沉井外围直径为 64m，沉井外壳厚 1.8m，圆内设 13.7m×13.7m 方形
-2-

隔仓，隔仓厚 1.4m，沉井高度 76m。上部沉井封顶混凝土承台厚为 5m，承台直径为 73m， 顶面标高为 6m，下部封底混凝土厚 11m，沉井底标高为－70m。承台顶面对称设置四墩座 连接索塔结构，每个墩座平面尺度 5m×6.2m，顶面标高 8m，具体见图 3。
2. 工程概况
拟建泰州公路大桥位于长江下游江苏省扬中河段，跨越太平洲左右两汊，首尾有五峰山 和鹅鼻咀两个重要天然节点，中间又有上天生港和禄安洲两节点扼守，平面河势呈藕节状, 河势见图 1。
扬中河段的五峰山～界河口上段属太平洲弯曲分汊河段，其间包含太平洲、落成洲、禄 安洲、炮子洲等江心洲。扬中河段左汊为主汊，江宽水深，多年来分流比维持在 90％左右； 右汊为支汊，窄浅弯曲。左汊上段至天生港由两个弯道组成，呈反“S”型，其中嘶马弯道为 上弯道，小决港以下为下弯道。嘶马弯道（自三江营至高港灯标凸咀）受五峰山山体岩石岸 壁的挑流作用，长江主流进入太平洲左汊，在弯道环流作用下顶冲左岸。左汊江中落成洲在 三江营处再次将河道分为左右两级汊道，二级左汊为主汊，二级右汊为支汊，河宽约 500m， 分流比约为 14％[1]。
系列模型延伸法的基本原理是，在动床模型试验中，由于模型沙运动状态很难同原型沙 运动相似，试验成果将会产生一定的偏差。偏差大小同模型尺度大小有关，模型越大，偏差 越小，模型大到同原型尺度相同时，偏差缩小为零。根据这一概念，可以同时塑造一系列大 小不等的模型，使其尺度从小到大逐步接近原型，将各个模型试验成果顺势延伸到原型，使 偏差逐渐缩小，最后消失，从而可得出没有偏差的原型成果[2]。
图 3 圆形沉井基础结构图
桩墩基础为由 140 根桩组成的群桩基础，桩的横向间距为 6.5m，纵向间距为 7.2m（桩 中心间距），桩底高程为－109.0m，每根钻孔桩直径为 2.8m，桩长 105m，桩的上部设置防 撞钢护筒直径 3.0m。上部承台采用圆端方形，厚度为 10.0m，下接 2.5m 厚混凝土桩帽，承 台平面尺度为 71.0m×99.6m，顶面标高为 6.0m，具体结构见图 4。
0.75
21.32 14.21 10.66 11.69 10.93 10.42
起动流 速比尺
λUc
6.5～ 7.3 6.4～ 7.2
4.4 完全符合相似条件的几何比尺的确定
设完全符合相似条件的正态模型几何比尺为 λH0 ，系列模型拟选取的不完全相似模型几
何比尺为 λh ，当模型完全满足正态模型相似条件时，则 λhs = λh = λH0 （ λhs 为冲淤深度比

桥墩基础局部冲刷研究
徐金环，戈国庆
河海大学交通学院海洋学院，南京（210098） 摘 要：泰州大桥位于长江下游江苏省扬中河段，跨越扬中市太平洲左右两汊，工程河段河 床变化较频繁，水流条件复杂。大桥建成后，桥墩使得附近水域的水流条件发生改变，从而 波坏了原有的水流和河床间的动态平衡，使桥墩周围的水下地形产生较大变化，最终达成河 床与水流、泥沙之间新的平衡状态。文章主要以泰州大桥为例，通过对矩形沉井桥墩基础、 圆形沉井桥墩基础和墩桩基础局部冲刷坑以及流速的对比研究，为桥墩设计方案的选择提供 理论依据。 关键词：矩形沉井，圆形沉井，基础，冲刷深度，局部冲刷 中图分类号：U657.2
图 4 墩桩基础结构图
4. 物理模型设计
4.1 模型概况
本次物理模型深入研究永安洲北桥位双塔悬索桥型方案矩形沉井基础、圆形沉井基础和 桩墩基础分别在三百年一遇和二十年一遇水情条件下的桥墩极限冲刷问题。模型平面布置长 44m，宽 4m。中间 14m 长设置为桥墩冲刷动床河段，垂直铺设模型沙深度 0.5m，一次铺设 模型沙约 28m3。两端设置自动制式翻转尾门，恒定流试验时用手动式控制，非恒定流试验
既可能大于 λh ，也可能小于 λh ，因此指数
n
值可正可负。
如把（4-2）式写成
式中：
Байду номын сангаас
λhS = λh ⋅ ∆ H
∆H
=
⎛ ⎜⎜⎝
λh λH0
⎞n ⎟⎟⎠
(4-3)
(4-4)
显然 ∆H 即为具体模型比尺 λh 偏离 λhs 而产生的偏差。
当模型沙采用原型沙或者模型沙与原型沙遵循同一起动规律时，则泥沙起动流速相似比
65-2 式为：
当V ≤ V0
hb
=
Kξ
Kη
2
B10.6
h
0.15 p
⎜⎛ ⎜ ⎝
V
− V0' V0
⎟⎞ ⎟ ⎠
当V > V0
hb
=
K
ξ
Kη
2
B10.6
h
0.15 p
⎜⎛ ⎜
V
⎝
− V0' V0
⎟⎞ n2 ⎟ ⎠
Kη 2
=
0.0023
2.2
0.24
+ 0.375 d
d
(5－6)
(5－4) (5－5)
尺）。当模型偏离完全正态模型相似条件时， λhs ≠ λh ≠ λH0 ， λhs 之所以偏离 λh ，是由
于 λh 偏离 λH0 造成的。 λhs 与 λh 偏离的程度大小，取决于 λh 与 λH0 偏离的程度，则有：
λhs λh
=
⎛ ⎜⎜⎝
λh λH0
⎞n ⎟⎟⎠
(4-2)
λh
由于
λH0
> 1 ，而 λhs
5.1 局部冲刷推荐计算公式
根据中华人民共和国交通行业标准 JTG C30-2002《公路工程水文勘测设计规范》 （2002-12-01 实施），桥墩墩台局部冲刷沉井基础按非粘性土河床冲刷公式 65-2 式计算， 桩基基础根据规范附录 B 中墩型系数及墩宽计算表中计算公式给出。
5.1.1 沉井基础局部冲刷公式 《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2002）给出非粘性土河床桥墩局部冲刷的
1. 引言
长江上跨江大桥的建造日趋增多，长江流域河床形态和地质条件复杂各异，洪季水猛流 急，且由于桥梁水毁大多是由桥梁冲刷引起的，因此对桥墩局部范围内水文泥沙的研究也就 成为桥梁设计的重要课题，而桥墩周围局部冲刷深度则是桥梁基础设计的重要参数。影响局 部冲刷坑的因素有很多，河床形态、地质条件、来流来沙量等。本文主要论述采用不同桥墩 结构形式的桥墩基础对局部冲刷坑的影响。一般来说最大冲深应在产生于桥墩轴线迎水面中 心位置，但在水流与桥墩轴线有交角的情况下以及由于桥墩结构形式、尺寸的不同，不仅冲 刷最大深度会发生变化而且最大冲刷坑的位置也会发生相应变化。
2
= 11.3
-5-

另外，考虑到轻质模型沙与原型沙的起动规律不完全相同，分别用原型沙的起动流速和 模型沙的起动流速公式计算出其相应的起动流速后，可见当模型几何比尺选择 1：25 时，则 起动流速比尺符合冲刷相似条件要求，见表 4－3。 所以，完全符合相似条件的正态模型几
型砂的轻质沙作动床模型。为此，挑选经防腐处理过的木屑为模型沙，其性能稳定，模型沙
颗粒含水密实容重γ m = 1.12t / m3 ，干容重 γ om = 0.5t / m3 ，水槽试验结果，水深 3～10cm、
中值粒径 0.8mm 的模型沙起动流速 ucm = 7～9cm/s。另外，模型沙的起动流速采用轻质沙起
-6-

V0 = 0.28(d + 0.7)0.5 V0' = 0.12(d + 0.5)0.55
何比尺应为 λH0 = 11 ~ 25 。
原型
水深(m)
起动流速 (m/s)
10
0.65
20
0.74
30
0.81
表 3 模型相似条件计算表
模型(1：25)
水深(cm)
起动流速 (cm/s)
40
12.99
80
14.58
120
15.60
起动流速 比尺
5.00 5.07 5.19
对应几何相 似条件
25.0
-4-

起动流速 类别
工况
300 年一遇
20 年一遇
表 2 模型沙起动流速与起动流速比尺关系
原型沙
模型水深(cm)
模型沙起动流速（cm/s）
起动流速 1：100 1：150 1：200 1：100 1：150 1：200
(m/s)
0.76
22.08 14.72 11.04 11.76 10.99 10.48
尺一般为
1
λUc
=
λγ
s
−γ
λ 1 2 d
1 2
⎛ ⎜ ⎝
λh λd
⎞ ⎟ ⎠
6
在满足重力相似条件下流速比尺为
(4-5)
λu
=
λ1 2 h
则得完全满足相似理论的正态动床模型几何比尺为
(4-6)
λ λλ 3
=2
H0
d γ s −γ
将有关参数代入，则
(4-7)
3
λH0
=
0.17 ⎛ 1.70 ⎞ 0.8 ⎜⎝ 0.12 ⎟⎠
5. 桥墩冲刷计算
冲刷计算的任务是在模拟建桥前后桥址河段 300 年一遇、20 年一遇流场的基础上，根 据《公路工程水文勘测设计规范》推荐公式，计算桥址处河床的一般冲刷以及各桥型方案水 中墩的桥墩局部冲刷。