佛山高明大桥桥墩基础冲刷防护水力数值模拟研究

佛山高明大桥桥墩基础冲刷防护水力数值模拟研究

李海彬，黄 东，何书琴，李虎成，徐林春

(广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635)

摘 要：受采砂等人类活动影响，高明大桥附近河床下切幅度达10 m，威胁到大桥安全与稳定。该文在分析桥墩附近河床冲刷现状及床沙特性的基础上，通过建立桥址附近河道平面二维水流数学模型，结合经验公式进行桥墩局部冲刷水力计算，预测桥墩局部冲刷坑范围和趋势，据此提出桥墩抛石防护方案，包括防护范围、块石粒径、抛石厚度等。经汛后检测，冲刷防护措施效果较好，可为珠江三角洲类似大桥冲刷防护工程应用提供参考。

关键词：高明大桥；桥墩冲刷防护；水力数值模拟；局部冲刷；抛石

桥墩冲刷是引起桥梁墩台失稳破坏的主要因素之一。由于冲刷发生在水下，其引发的桥梁破坏具有高隐蔽性，且往往维修成本巨大。据统计[1]，国内目前大约有20万座桥梁的服役年限已超过25 a，大部分桥梁墩台冲刷现象明显，面临着基础承载力和稳定性降低，甚至失稳造成桥梁毁坏的风险。

自20世纪80年代中期开始，由于无序、超量的人为采砂，珠江三角洲水道河床普遍下切，河床形态向窄深发展[2]。高明大桥桥位附近断面大幅刷深，其幅度在10 m左右。

抛石防护是目前桥梁防护工程中应用最广泛的技术之一[3-4]，具有对桥墩基础防护效果较好、投资少、施工方便等优点。另一方面，由于桥墩局部冲刷机理十分复杂，特定桥梁的防护仍需结合河道水文条件、河床床沙特性等，预测桥墩局部冲刷范围和趋势，据此提出抛石防护方案(包括防护范围、抛石粒径、抛石厚度等特征参数)。

1 工程概况

高明大桥位于佛山市高明区，于1991年11月建成通车；2002年9月，高明大桥进行扩建，在紧靠旧桥的两侧平行各建一座新桥，扩建桥梁分别于2004年和2005年完工；新桥与旧桥对孔布置，桥墩间距约3 m。

高明大桥旧桥共13跨，跨径布置为(78.5+4×82.6)m上承式钢筋混凝土肋拱桥+(2×110)m中承式钢管混凝土拱桥+(5×79+68.2)m上承式钢筋混凝土肋拱桥。其中，主通航孔6#和8#桥墩基础为刚性沉井基础(16.3 m×11.2 m×15.3 m，垂直水流方向×顺水流方向×高)；7号中墩为空心墩配6×D240 mm钻孔灌注桩基础，其他各墩均为高桩承台基础(D180～240 mm)。新桥各桥墩亦为高桩承台基础。

2 数据源及技术路线

基础数据主要包括：桥址附近河道1 ∶500地形图、河床地质资料、河床采样及颗粒分析资料、工程设计及水文资料等。

在整理、分析上述资料的基础上，建立桥址附近河道平面二维水流数学模型，结合经验公式进行桥墩局部冲刷水力计算，确定在桥梁校核洪水标准条件下(P=0.33%)，桥墩局部冲刷坑的深度和范围；并提出桥墩冲刷方案，确定桥墩防护范围、冲刷防护块石的粒径、厚度等参数(技术路线见图1)。

图1 技术路线示意

3 桥墩附近河床现状冲刷情况

根据高明大桥旧桥桥轴线横断面河床变化(见图2)，1991年建桥以来，主槽附近河床下切剧烈，如7#、9#河床下切深度分别达到14.08 m和14.10 m，且河床质为易冲砂层，仍可能进一步冲刷下切。由于2#～5#桥墩河床已经接近岩面，而12#～13#桥墩靠河滩，因此，拟重点对主槽区域6#～11#桥墩进行冲刷防护。

图2 高明大桥旧桥桥轴线横断面河床变化

根据高明大桥河床纵断面图(图3)分析可知， 6#主墩及8#主墩目前形成了较为明显的冲刷坑，其他桥墩未发现明显的冲刷坑，河床以整体下切为主(限于篇幅，仅列出6#～9#桥墩河床纵断面图)。

4 桥墩局部冲刷水力计算

4.1 桥位地质特点及床沙特性

桥位区域以中、粗砂为主，基底为第三系粉砂岩。在3#～12#桥墩上、下游30 m的位置，以及主通航孔6#、7#桥墩间，7#、8#桥墩间，布置了22个河床质采样点。根据河床质泥沙采样及颗粒分析成果(见图4)，取样点沙样中值粒径为0.816 mm，在0.131～5.15 mm之间。

(a)6#桥墩纵断面示意 (b)8#桥墩纵断面示意

(c)7#桥墩纵断面示意 (d)9#桥墩纵断面示意

图3 高明大桥旧桥桥轴线横断面河床变化示意

图4 高明大桥河床质颗粒级配曲线汇总(2015年10月)

4.2 桥墩局部冲刷水力计算

4.2.1 冲刷坑深度

以高明大桥桥址上游4.2 km至下游2.8 km作为平面二维水流数学模型上、下边界。采用300年一遇设计水文条件[5]，上游设计流量为51 625 m3/s，下边界相应设计洪水位为8.85 m。

根据数值计算结果，结合《公路工程水文勘测设计规范》非粘性土冲刷公式64-2简化式和64-1简化式进行局部冲刷计算。计算结果见表1(选取公式计算较大值)，墩台局部最大冲刷深度出现在主墩6#和8#墩附近，分别可达到14.7 m和14.6 m。

4.2.2 冲刷坑宽度

根据长沙公路工程研究所、交通部公路科研所的试验资料[6-7]可得：

Lf=Ls=hB/tan φ

(1)

式中 hB为局部冲刷深度；Lf和Ls为局部冲刷坑在桥墩轴线和法线方向上的宽度；φ为各种泥沙在水中的休止角，根据泥沙颗分结果取为35°。

当桥墩轴线与水流成θ度斜交时，除桥墩轴线方向上的局部冲刷坑宽度Lf仍与正交时相同，桥墩两侧的冲刷坑宽度Ls均比正交时增大，分别为：

(2)

根据桥墩局部冲刷坑深度计算结果，以及公式1、公式2，确定各桥墩冲刷坑宽度如表1所示。

表1 桥墩冲刷坑范围计算统计

墩号桥墩局部冲刷深度/m与水流交角/°冲刷坑范围/m迎水左侧背水左侧6#14.7131.031.07#8.9118.718.78#14.6130.830.89#6.9114.514.510#7.1114.914.911#8.1217.117.1

注：根据美国行业规范《潮汐河道冲刷》，本文墩前、后的冲刷坑范围取为一致。

5 桥墩冲刷防护方案主要参数

5.1 防护范围

根据桥墩冲刷坑现状分析，6#主墩冲刷坑范围墩前约为40 m，最大冲刷深度约为5.5 m；墩后范围约为35 m，深度约为3 m；8#主墩冲刷坑范围墩前为30 m，最大冲刷深度约为2 m；墩后范围约为35 m，深度约为2 m。抛石平面防护覆盖桥墩周围的全部冲刷坑范围。

5.2 块石粒径选取及防护厚度

桥墩防护块石的选取与块石的起动流速密切相关[8]。受漩涡作用下的水下块石更易起动。选取应用广泛的沙莫夫公式(公式3)，美国联邦公路管理局公式(公式4)、结合水流计算结果，计算分析冲刷防护块石的粒径：

(3)

式中 U0为起动流速；γs，γ分别为石块和水的密度；g为重力加速度，D为粒径；h为水深。

=

(4)

式中 d50为抛石中值粒径；γs，γ分别为石块和水的密度；g为重力加速度，U为行进流速；k为桥墩的形状系数，对于圆形桥墩取值为1.5、矩形墩取值为1.7。

表2 美国联邦公路管理局公式计算得到防护石块的中值粒径

墩号墩型系数行进流速/(m/s)块石容重/(kg/m3)防护块石中值粒径/m沙莫夫公式美国联邦公路管理局公式抛石最小防护厚度/m2.60.4870.5876#1.73.95730.3890.4690.9383.60.30.3612.60.4690.5657#1.73.88230.3750.4520.9043.60.2890.3482.60.5960.7188#1.74.37630.4770.5751.153.60.3670.4422.60.5970.7199#1.74.37830.4770.5751.153.60.3670.4422.60.5780.69610#1.74.3130.4620.5571.1143.60.3550.4282.60.5070.61111#1.74.03630.4050.4880.9763.60.3120.376

由表2可知，美国联邦公路管理局公式计算得到的防护块石粒径需求更大。防护结构设计为“袋装砂层+护面块石层”2层抛石防护结构，袋装砂层作为柔性过渡和反滤层，厚度不超过1 m；护面块石层抛石厚度按照不小于抛石块体直径的2倍选取[3]。

6 结语

本文在分析佛山高明大桥桥墩附近河床冲刷现状及床沙特性的基础上，通过建立桥址附近河道平面二维水流数学模型，结合经验公式进行桥墩局部冲刷水力计算，据此提出了桥墩冲刷防护方案。

1) 6#与8#床面距离岩面分别约为4.3 m和14.5 m，最大冲刷均可能至岩面，需重点防护；平面防护范围覆盖现状地形条件下桥墩冲刷坑范围，平面和立面防护相结合。其余桥墩则根据计算结果以平面防护为主。

2) 高明大桥所在河道水深流急，水深最大可达40 m，防护块石中值粒径需在0.361～0.719 m，与块石容重等因素相关；防护块石粒径偏保守选取，最小中值粒径应在0.45 m以上，并优化防护层厚度及抛石级配。

3) 防护工程施工后，根据实际抛投量、多波束地形仪地形监测测量结果复核，经过一个汛期的水流冲刷，防护工程有效地保护了桥墩附近河床，取得了预期的防护效果。桥墩附近河床变化的长期监测工作还在继续进行中。

致谢：论文撰写过程中，得到广东和立土木工程有限公司杨文甫高工、高彦鑫高工、肖开军高工在基础资料及实施效果监测反馈等方面的帮助，特此致谢！

参考文献：

[1] 江胜华，周智，欧进萍. 基于赫兹接触理论的桥墩局部冲刷防护石块起动简化公式[J]. 中国公路学报，2014，27(5):118-124．

[2] 谢凌峰，申其国，徐治中. 20世纪80年代以来珠江三角洲网河区河性演变[J].水利水电科技进展，2015，35(4):10-13．

[3] 陶亦寿，谭界雄，董建军，等. 中国堤防工程施工丛书——抛石法 [M]. 北京：中国水利水电出版社，2005：160-165．

[4] 涂向阳，吴天胜，陈荣力，等. 抛石法在桥墩冲刷防护工程中的应用研究[J].广东水利水电，2010(2):1-4．

[5] 广东省水利厅.西、北江下游及其三角洲网河河道设计洪潮水面线(试行)[S]. 广州：广东省水利厅，2002．

[6] 蒋焕章. 桥墩冲刷防护[J]. 公路，1994(3):33-35．

[7] 陆浩.抛石防护桥墩冲刷水力计算[J]. 泥沙研究，1993(3)：44-50．

[8] 陈小莉，马吉明. 受漩涡作用下的水下块石的起动流速[J]. 清华大学学报(自然科学版)，2005，45(3):315-318．

(本文责任编辑 马克俊)

Numerical Hydraulic Modeling Study on the Protection of Gaoming Bridge Pier against Local Scour

LI Haibin， HUANG Dong，HE Shuqin，LI Hucheng，XU Linchun

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangdong Engineering Laboratory of Estuary Hydropower，Guangzhou 510635, China)

Abstract：Influenced by sand excavation, riverbed beside Gaoming Bridge deepened 10m, which affecting the bridge safety. Through analyzing the present condition of the river bed scour and sediment characteristic, local scour around bridge piers have been predicted through building a two-dimensional flow model, and combining with the theoretical calculation. Underwater riprap protection scheme including protected range, thickness of ripped-stone layer, have been proposed based on the calculation results. There is good protection effect through practice after seasonal flood, and the research work could give reference for similar protection of bridge projects in Pearl River Delta.

Keywords：Gaoming bridge; bridge pier scour protection; numerical hydraulic modeling; local scour; riprap

收稿日期：2017-05-06;

修回日期：2017-05-21

基金项目：广东省水利科技创新项目(编号：2015709)；广东省交通运输厅科技项目(编号：科技-201702015)；国家重点研发计划项目(编号：2016YFC0402606)。

作者简介：李海彬(1981)，男，博士，高级工程师，主要从事水力学及河流动力学、水文泥沙等方面的研究。

中图分类号：TV143.1

文献标识码：B

文章编号：1008-0112(2017)08-0009-04