潮流作用下桥墩局部冲刷研究

１ ］ ［ ２ ］ 。《 公路工程水文勘测设计规范》 （ 以 墩台基础的安全 ［
水泵供给模型的供水量， 产生涨落潮流， 并使水槽内的流速、 水位值满足试验要求。局部冲刷最大深度的发展过程由超 声波测深仪定点监测。 冲刷时长控制： 据试验观察， 恒定流条件下半小时内冲 ０ ％ 左右， 之后冲刷深度发展速度显著减 刷坑深度已达到 ７ 小， ２～ ４ｈ （ 与流速大小相关） 后冲坑已趋于稳定。往复流冲 刷时长不等（ 模型冲刷最长时间为 ２ ８ｈ ， 相当于原型 ７ ７ ２ ８ ｈ ） ， 直到冲刷坑最大深度不发生明显变化时， 认为局部冲刷 达到平衡。 ２ ２ 模型沙的选择 动床模型须保证泥沙的起动相似和水下休止角相近。 泥沙起动流速计算采用张瑞瑾导出的起动流速公式， 该公式 对于粒径较细且水深较大的河口地区泥沙起动流速计算相 对较为可靠。 珠江三角洲河口过渡段河床质， 以东江最粗， 属中沙， 东 莞水道中值粒径为 ０ ３ ４ｍ ｍ ； 潭江最细， 系粉砂， 银洲湖水道 最高频率中值粒径为 ０ ０ １ｍ ｍ ； 西、 北江网河河床质最高频 １ｍ ｍ 。长江口河口段床沙中值粒径总体上 率中值粒径为 ０ 自上游至下游逐渐变细， 据吴淞口附近床沙分析， 以０ １ ０～ ０ ２ ５ｍ ｍ粒径的颗粒最为普遍， 向下游逐渐减小。杭州湾泥 沙主要来源于长江口， 该河段河床质较为均匀一致， 其平均
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达到相对稳定时的最大冲深值愈大。流速值为 ２ ５ｍ／ ｓ 的 试验冲坑形态见图 ３ ， 墩前行近水流和下压水流形成的穿桩 水流在近迎水面前列桩造成的旋涡和掀沙最为严重， 之后随 着桩体阻力作用水流速度逐渐减小， 上游桩柱间冲刷起来的 泥沙及河床搬运的泥沙被源源不断的输送到桥墩下游， 同时 桥墩下游两侧旋涡相汇， 存在明显的流速减缓区域， 桥墩后 水流的输沙能力远远小于桥墩两侧水流的输沙能力， 因而在 墩后一定范围内形成较为明显的泥沙淤积带。
（ 珠江水利科学研究院， 广东 摘 广州 ５ １ ０ ６ １ １ ） 要： 为明确潮流与恒定流条件下桥墩局部冲刷深度的关系， 通过长时间序列潮流作用下桥墩的局部冲刷试验，
观测不同特征参数的潮流条件下桥墩局部冲刷最深点的发展趋势， 分析往复流造成的冲刷坑内泥沙反复冲淤对冲 刷坑发展过程的影响， 涨落潮最大流速和历时决定了冲坑的发展的速率和达到最大冲深的可能性， 在潮流速度值 较大或历时占优的情况下， 将取得与恒定流一致的局部最大冲深。 关键词： 局部冲刷； 桥墩； 潮流； 模型； 试验 中图分类号： Ｔ Ｖ ６ ９ ８ ． １＋ ７ 文献标识码： Ａ 文章编号： １ ０ ０ １ ９ ２ ３ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ ０ ０ ２ ５ ０ ５ １ 研究背景 桥墩周围河床的局部冲刷受水流状态、 桥墩墩形、 床沙 组成、 河床形态等因素共同影响， 最大冲刷深度直接威胁着
３ － ６ ］ 极限工况的恒定流试验 ［ ， 少数情况针对具体工程进行非 ７ － １ ２ ］ 恒定流试验 ［ ， 但对潮流作用下桥墩局部冲刷坑的发展过
程和最大深度存在分歧。以涨落潮最大流速与恒定流平均 流速相一致为对比条件， 一种观点认为在反向流作用下， 冲 坑内泥沙冲淤反复， 导致最大冲刷深度要小于恒定流作用下 的最大冲刷深度； 另一种观点认为一个潮周期内小流速和憩 流时段较长， 水流的有效作用时间和有效作用流速减小， 导 致冲刷坑形成较慢， 在冲刷未达到平衡状态之前， 观测到的 最大冲刷深度要小于恒定流作用下的最大冲刷深度， 而两者 最终变化规律和趋势是一致的。 ２ 模型设计与制作 ２ １ 模型设计 试验在长 ３ ５ｍ 、 宽 ２ｍ的水槽中进行， 由于悬移质对桥 墩局部冲刷影响很小， 动床模型只考虑床沙。模型平面比尺 为１ ０ ０ ， 采用正态模型， 按照重力相似准则与几何相似准则设 计， 以满足水流运动相似和泥沙运动相似。桥墩型式采用潮 汐河段和海港地区常见的带有承台的群桩， 桩群为梅花形排 列， 承台为哑铃形， 试验时桩群上部的承台始终处于水流的 作用中。 本模型采用多台水泵变频调速闭环水位控制系统， 系统 根据给定的流量或水面过程线调控变频器的输出频率， 调节
— — １ ． ５ ０ ２ ． ０ ０ ２ ． ５ ０ ０ ． ６ ０ ０ ． ８ ０ １ ． ０ ０ — — —
注： 涨落潮历时划分以潮流过程为依据
３ 试验成果与分析 ３ １ 桥墩局部冲刷机理分析 桥墩冲刷坑的形成、 发展， 到最后基本平衡的过程取决
１ ５ ］ 于有效输沙量的变化 ［ 。恒定流作用下， 墩前行近水流和
３ ． ２ ． ２ 基础潮型 不同涨落急流速条件下桥墩局部冲刷深度的发展过程 见图 ４ ， 较１ ５ ０ Ｔ的潮型， ２ ０ ０ Ｔ的潮型冲坑发展的快， 冲刷 坑达到相对稳定所需的时间短， 冲坑达到相对稳定时的最大 冲深值大。对于 ２ ５ ０Ｔ， 经承台群桩消能后的落（ 涨） 潮流 流速较大， 仍能对下（ 上） 游冲刷坑产生影响， 主要体现在落 淤承台中部河床的泥沙在反向流的作用下回填至冲刷坑内， 冲刷坑深度在反复冲淤的过程中逐渐加深。反向流引起的 泥沙回填导致冲刷坑形成较慢， 冲刷达到平衡需要更长的时 间。随着冲刷的继续发展， 承台中部河床的沙丘被水流不断 拉平， 并逐渐推向下游， 故反向流带来的泥沙回填效应逐渐 减弱， 冲坑深度冲淤变化幅度逐渐减小， 至冲刷坑发展后期，
ｍ ０ ０ ０ ３ ３ ３ ２ ２ ２ １ ． ２ １ ． ２ １ ． ２
ｈ 时／ ２ ５ ． ０ ０ ２ ５ ． ０ ０ ２ ５ ． ０ ０ ６ ． ２ ５ ６ ． ２ ５ ６ ． ２ ５ ８ ． ０ ０ ８ ． ０ ０ ８ ． ０ ０ １ ２ ． ５ ０ １ ２ ． ５ ０ １ ２ ． ５ ０
备注 恒 定 流 基础 潮型 潮型 变形 Ａ 潮型 变形 Ｂ
图２ 群桩局部冲刷最大冲深发展过程（ 恒定流）
图４ 群桩局部冲刷最大冲深发展过程（ 基础潮型）
图３ 群桩局部冲刷形态（ 恒定流 ２ ５ ０ｍ／ ｓ ） 图５ 群桩局部冲刷形态（ 基础潮型 ２ ５ ０Ｔ）
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冲刷坑深度呈持续增加的态势， 增加幅度逐渐减小， 可见反 向流造成的泥沙回填并未影响最大冲深值。 ２ ５ ０ Ｔ潮型试验冲坑形态见图 ５ ， 双向流作用下群桩上 下游端均形成冲深明显区， 群桩两侧区域无论涨潮还是落潮 都是处于冲刷的状态， 所以该区域冲刷深度持续增大， 顺涨、 落潮流方向形成冲刷坑， 群桩上、 下游均形成较为明显的泥 沙淤积带。 ３ ． ２ ． ３ 潮型变形 潮型变形主要体现在落潮历时的延长、 涨急流速的减小 和潮差的减小， 可反映出潮汐由河口向上游河道传播过程的 变化情况， 而恒定流可以看作是持续落潮且潮差为零的极限 潮流状态。通过潮型向恒定流趋势的变形， 可观测பைடு நூலகம்定流与 潮流作用下冲坑发展过程的区别和联系。由图 ６可见， ２ ０ Ｔ 为涨落潮历时相等的潮型， 冲刷坑发展后期， 冲坑深度增长 速率很慢， 冲坑加深不明显； ２ ０Ａ 落潮历时延长为 ８ｈ ， ２ ０Ｂ 整个潮周期均为落潮流过程， 落潮有效流速的有效作用时间 依次增加， 冲坑的发展速率和最终深度也随之增大， 逐渐与 恒定流作用下的冲坑发展过程线靠近。涨落潮历时决定了 冲坑的发展的速率和达到最大冲深的可能性， 水流的有效作 用时间过短时， 冲坑发展到一定程度后冲刷速率变的很小， 冲坑深度变化缓慢， 冲刷达到平衡需要更长的时间， 很难达 到理论最大冲深， 从而出现冲坑折减系数小于 １的情况。
ｂ ）因不规则半日潮中的小涨小落流速值较小， 且对最大 冲深不起决定性作用， 故概化为规则半日潮， 作为基础潮型。 ｃ ）基础潮型的潮流过程和潮位过程概化为正、 余弦曲 线， 涨落潮历时对等， 仅考虑不同的涨落急流速。 ｄ ）基础潮型向恒定流的趋势进行两次变形， 保持落急 流速不变， 逐渐加大落潮历时， 减小涨急流速和潮差。 据此给出概化后的水流条件见表 １ ， 为节省篇幅， 图 １只 给出了落急流速 ２ ０ｍ／ ｓ 的潮型过程。
沙和细粉砂， 若选择的模型沙粒径过细， 试验过程中模型沙 容易密实和板结。本次研究采用经过处理的株洲精煤屑作
３ 为模型沙， 容重 １ ３ ５ｔ ／ ｍ ， 中值粒径为 ０ ５ｍ ｍ ， 模型沙铺设
工艺简便， 水下扰动不会密实， 长期浸水亦不会板结， 能够满 足泥沙试验重复性的要求。该 模 型 沙 在 水 深 为 ５～１ ５ｃ ｍ 时， 起动流速为 １ ０ ３ １～ １ １ ３ ０ｃ ｍ／ ｓ ， 相当于中值粒径为 ０ ２ ５ ｍ ｍ的原型沙。
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ｉ ｓ ｓ ｎ １ ０ ０ １ ９ ２ ３ ５ ２ ０ １ ４ ０ ３ ０ ０ ８ ２ ０ １ ４年第 ３期·Ｐ Ｅ Ａ Ｒ ＬＲ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ 人民珠江
潮流作用下桥墩局部冲刷研究
王建平， 邢方亮， 穆守胜
２ ． ０ ２ ． ５ １ ． ５Ｔ ． ０ Ｔ ２ ２ ． ５ Ｔ １ ． ５Ａ ２ ． ０ Ａ ２ ． ５ Ａ １ ． ５Ｂ ２ ． ０ Ｂ ２ ． ５ Ｂ
２ ． ０ ０ ２ ． ５ ０ １ ． ５ ０ ２ ． ０ ０ ２ ． ５ ０ １ ． ５ ０ ２ ． ０ ０ ２ ． ５ ０ １ ． ５ ０ ２ ． ０ ０ ２ ． ５ ０
收稿日期： ２ ０ １ ３ １ ２ ３ １ 作者简介： 王建平， 男， 河南武涉人， 主要从事水力学、 环境工程方面工作。
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２ ３ 试验水流条件概化 中国沿海的潮波在传播过程中， 因受到柯氏力和复杂的 海底地形以及曲折岸线的影响致使中国海湾的潮汐具有潮 汐类型多、 潮差变化明显和潮汐不等现象显著等基本特征。 潮波进入河口后， 在河床变形和摩擦效应以及上游下泄径流 的影响下， 形成了河口湾和过渡段复杂而又独特的潮汐现 象， 因此在进行研究时需对潮汐水流条件进行概化。 现有研究成果表明对冲刷起决定作用的是流速过程变 化及其峰值大小， 因此水流条件概化只考虑流速峰值和过程 的影响， 主要遵循以下原则： ａ ）全日潮在一个潮周期内只有一次涨落， 有效流速的 有效作用时间较长， 更有利于桥墩局部冲刷坑的发展， 故只 进行半日潮的相关试验。
表１ 试验水流条件 水文 落急流速 ／涨急流速 ／ 潮差 ／ 落潮历
－ １ － １ 组合 （ ｍ ·ｓ ）（ ｍ ·ｓ ） １ ． ５ １ ． ５ ０ —
涨潮历 ｈ 时／ ０ ． ０ ０ ０ ． ０ ０ ０ ． ０ ０ ６ ． ２ ５ ６ ． ２ ５ ６ ． ２ ５ ４ ． ５ ０ ４ ． ５ ０ ４ ． ５ ０ ０ ． ０ ０ ０ ． ０ ０ ０ ． ０ ０
［ １ ３ － １ ４ ］ 中值粒径约 ０ ０ ４ ９ｍ ｍ 。综上， 各大河口河床质多为细
下简称《 规范》 ） 推荐了径流河道中桥墩冲刷的计算方法， 随 着国家路网的发展和公路设计水平的提高， 公路已延伸至潮 汐河道和近海海港， 现行《 规范》 中的相关内容已不能满足实 际使用要求。 对于潮流作用下桥墩局部冲刷问题， 多数情况下概化为
下压水流形成“ 穿桩水流” ， 穿桩水流在近迎水面前列桩流速 最大， 旋涡和掀沙最为严重， 当水流剪切应力大于泥沙起动 时的临界剪切应力时， 桩周泥沙开始起动， 一部分被带向下 游掩护区内形成沙埂， 另一部分泥沙则被主流带走， 冲刷坑 的范围在冲刷开始后很快成形并在较短时间内趋于稳定。 随着时间的推移， 下游淤积体体积在逐渐增大， 导致阻力增 大， 输沙能力逐渐减弱， 加上冲刷坑的冲刷深度和范围逐渐 增加， 使得坑内泥沙越来越难于搬运出坑外， 仅在冲刷坑内 进行局部调整， 直至达到平衡冲刷深度。而潮汐水流仅在某 一短暂时段流速达到极大值， 大部分时间小于该值， 加上涨 落潮若干时段内憩流的影响， 床面泥沙处于起动、 输移的有 效时间大大短于恒定流条件下的时间， 潮流过程中的有效冲 刷流速和有效冲刷时间减小， 有效输沙量随之减小， 有些水 文条件在反向流作用下会造成泥沙回淤， 都会使冲刷达到平 衡需要更长的时间。 ３ ２ 群桩局部冲刷最大冲深发展过程 ３ ． ２ ． １ 恒定流 ， 流 恒定流条件下桥墩局部冲刷深度的发展过程见图 ２ 图１ 试验水流条件 速值分别为 １ ５ 、 ２ ０和 ２ ５ｍ／ ｓ 。由图可见， 流速值越大， 冲 坑发展的越快， 冲刷坑达到相对稳定所需的时间越短， 冲坑