杭州市九堡大橋橋墩局部沖刷試驗研究

許 政,梁 斌

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

擬建杭州市九堡大橋(錢江八橋)位于彭埠大橋(錢江二橋)下游5 km,下沙大橋(錢江六橋)上游8 km處。大橋連接臨平、下沙、蕭山和杭甬高速公路,是杭州市“一環、三縱、五橫”城市快速路網東邊一縱的關鍵點,對促進杭州城市東擴和周邊地區的經濟發展具有重要作用。

九堡大橋位于錢塘江河口過渡段七格彎道的彎頂,受潮流和徑流交互作用、動力強勁,河床沖淤劇烈,且具有洪沖潮淤特征。大橋跨江長度1 700 m,江中設15個橋墩,根據功能及跨度分為4種墩型。為預測橋墩基礎的沖刷深度,分析兩岸邊墩對海塘的影響,必須開展橋墩局部沖刷試驗。

1 河段與工程概況

1.1 河段概況

九堡大橋橋址河段系受徑流與潮流交互作用的錢塘江河口過渡段的中段。七堡船閘位于橋上游約1.7 km處,下游約700 m有擬建的京杭運河二通道及七格集裝箱碼頭,二通道附近有待建的二輪治太南排工程排水閘,下游2 km和2.5 km分別是四格排灌站與七格污水處理廠的排污口工程(見圖1)。橋址上下游左岸布置丁壩數座。

錢塘江河口為強潮河口,其潮汐為非正規半日淺海潮,一日兩漲兩落。由于河口段內有龐大的沙坎使外海傳入的潮波劇烈變形,致使漲潮歷時縮短,橋址附近為1.62 h,落潮歷時延長約10.78 h。

圖1 工程位置示意圖

錢塘江流域來沙很少,海域來沙豐富。橋址河段床沙與懸沙粒徑接近,其中值粒徑為0.025 2～0.030 0mm。

涌潮是錢塘江河口特殊的水力現象。由于河口段河寬沿程向內急劇收縮,河床迅速抬高,潮波從外海向河口上游傳播過程中變形劇烈,波能聚集,形成鋒面明顯、陡度達1∶2.9～1∶9.4、洶涌壯觀的錢塘涌潮。涌潮行進速度一般約4～7m/s,同一地點水位漲率可達1 m/s。水位驟升的同時,流速亦從落潮方向反轉成漲潮方向,隨之,流速劇增。涌潮對錢塘江兩岸的海塘和丁壩及碼頭等涉水建筑物破壞力極大。

工程河段內河床演變年內洪沖潮淤。年際受連續豐、枯水文年及下游尖山河段主槽曲直的影響較大,連續豐水年尖山河灣主槽順直,河床大沖大淤;連續枯水年尖山河段主槽彎曲,河床變幅較小。深槽的年內變化與整個河段洪沖潮淤的特點基本一致,年際最大沖淤幅度達11 m。歷史河床最低點高程為-10.12 m,橋址處實測歷史上下包絡線見圖2。洪水是本河段沖刷的主要動力。

圖2 橋位河床斷面歷年實測包絡線圖

1.2 工程概況

九堡大橋工程南起濱江一路,北至沿江大道,全長約2.04 km,跨錢塘江的主橋長約1 700 m,主橋橋型方案采用多跨梁拱組合體系。

江中共有15個橋墩,從南岸到北岸,橋墩編號PM6～PM13的跨徑為7×85 m,PM13～P M14的跨徑為80 m,接著為橋梁主跨,跨徑為100+3×210+100=830 m(橋墩編號PM14～PM19),北岸的邊跨PM19～PM20的跨徑為80 m,其中,南岸邊墩PM6離南岸海塘外口線的距離約50 m,北岸邊墩PM20離北岸海塘外口線的距離約55 m,橋墩的阻水面積約占建橋前中潮位下過水面積的5.6%。橋墩基本情況匯總于表1。

表1 橋墩基本情況匯總表

2 模型設計和模型沙選擇

2.1 模型設計

試驗研究目的是預測橋墩基礎的沖刷深度,分析兩岸邊墩對海塘的影響,需模擬橋墩附近三維水流和泥沙運動,應使用大比例(小比尺)正態模型,采用寬水槽、正態模型研究橋墩局部沖刷問題。試驗水槽長33 m,寬4.3 m,幾何比尺λL=80,動床段長度8m?？赡M河段長度2 640 m,寬度344m。

水流運動主要滿足重力相似條件,即 λu=λv=λw=λL1/2=8.94。泥沙運動考慮起動相似、水下休止角接近。試驗按極限狀態法進行(即沖刷至平衡為止),這樣既可以得到不利的沖刷坑高程,又回避了選擇輕質沙后的時間變態問題。

2.2 模型沙選擇

本模型研究橋墩局部沖刷,沖刷是試驗關注的重點,因此,模型按起動相似選沙。經計算,原型沙起動流速為0.6～0.8m/s,模型沙起動流速應為6.7～8.9 cm/s。經過對多種模型沙的綜合比較,選擇了中值粒徑為0.15 mm、起動流速7～8 cm/s的木粉,其水下休止角與天然沙的水下休止角也較接近,可以較好地模擬橋墩局部沖刷坑形態。

3 試驗成果

3.1 試驗條件

洪水是本河段河床沖刷的主要動力,考慮要獲取橋墩極端沖刷情況,選取頻率0.33%的洪水作為試驗水流,橋址處相應水位7.0m,流速2.6～3.5 m/s。根據各橋墩位置,參考圖2所示歷年地形下包絡線,確定各橋墩試驗的河床起沖高程如表2所示。

表2 最大沖刷深度試驗成果表

工程斷面下包絡線最低高程為-10.12 m,考慮到-8.0 m以下高程已受洪水沖刷影響,而模型試驗包含洪水的自然沖刷,因此主槽段橋墩 (PM18)起沖高程取汛前的最低高程-8.0 m,其它各段按下包絡線取值。根據P=0.33%洪水計算成果,選擇各橋墩試驗適用的流速和水位亦如表2所示。

3.2 試驗成果及分析

在300 a一遇洪水作用下,各橋墩最大沖刷深度均在9 m以上,沖深最大的橋墩沖深可達22 m以上,以斷面地形下包絡線為沖刷起始高程,最低沖深點均低于-7 m,斷面最深點近-30 m。左岸邊墩(PM20)最大沖深12.52 m,最低沖深高程-12.52 m,右岸邊墩 (PM6)最大沖深9.3 m,最低沖深高程-7.3m;斷面最大沖刷深度出現在主墩PM16和PM17處,為22.56 m;最低沖深高程出現在主墩PM18處,為-29.88m。各橋墩沖刷坑均基本呈以橋墩軸線為軸的對稱型。橋墩四周緊鄰樁基處河床明顯沖深,各樁間由于樁的擠壓,水流更趨集中,水流紊動強度亦有所增強,沖刷坑最深處一般在此區域。橋墩下游側,沿水流方向,沖刷深度逐漸變淺。沖刷坑的寬度約為承臺寬度的4～6倍,沖刷坑上游前緣位于墩前15～20 m左右,橋墩下游沖刷坑一般延伸至墩后80～150m左右。左岸邊墩沖刷坑橫向寬度約40～60 m,邊緣距橋墩縱軸線20～30 m。右岸邊墩沖刷坑橫向寬度約60 m,邊緣距橋墩縱軸線25～30m。

試驗表明,左、右岸邊護坦外沿線距離邊墩縱軸線均大于30 m,而沖刷坑邊緣距離邊墩縱軸線均小于30 m。由于本試驗采用的水流條件為300 a一遇的洪水,沖刷起始高程為下包絡線等原因,試驗結果是偏安全的,即實際發生的沖刷坑深度和平面尺度都會略小于試驗值,但沖刷坑邊緣試驗結果畢竟已接近護坦,為保證堤防穩定,建議在橋軸線上游100m、下游200 m范圍內對海塘進行穩定計算并采取適當防護措施,以減小或消除橋墩局部沖刷對海塘穩定的影響。

4 結 語

試驗表明,建橋后橋墩墩位及其周圍河床將會發生局部沖刷,沖刷坑均基本呈以橋墩軸線為軸的對稱型,最深處一般在樁位區域。橋墩下游側,沿水流方向,沖刷深度逐漸變淺。沖刷坑的寬度約為承臺寬度的4～6倍,沖刷坑上游前緣位于墩前20 m左右,橋墩下游沖刷坑一般延伸至墩后80～150 m左右。左岸邊墩沖刷深度可達12.52 m,右岸邊墩沖刷深度也有9.30 m,且兩岸邊墩沖刷坑邊緣已經接近護坦,因而,兩岸塘腳宜采用防護措施,確保海塘安全。

[1]梁斌,許政,李來武,等.杭州市九堡大橋橋墩局部沖刷試驗研究報告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2008.