跨海铁路桥梁深水基础冲刷数值模拟

陈经伟

中铁上海设计院集团有限公司， 上海 200070

1 工程概况

新建头门港铁路支线二期工程位于浙江省台州市临海市，起自头门港站，向东延伸进入台州湾，经大竹山岛，止于头门岛。起止里程为DK44 + 526.66—DK56 + 685.59。铁路正线为Ⅲ级单线，铺设有砟轨道，设计采用ZKH活载。设计行车速度为80 km/h。跨海铁路头门港大桥全长12 158.93 m。

根据2008年全年观测数据，设计高水位取高潮累积频率10%的潮位，设计低水位取低潮累积频率90%的潮位，计算得出设计高水位为2.83 m，设计低水位为-2.37 m。桥址区百年一遇水位为5.63 m，五十年一遇水位为5.31 m。

桥址区头门岛海域涨落潮时差达2 h以上。最高潮差达4 m［1］。大潮涨潮、落潮最大垂线上水流平均流速分别为0.54、0.63 m/s；小潮涨潮、落潮最大垂线上水流平均流速均为0.35 m/s［2］。该海域波高较大，由岸向岛波浪总体上呈逐渐增大趋势。按五十年一遇风速和百年一遇水位进行计算，桥址区有效波高在2.2 ～ 3.9 m。

头门港铁路支线二期工程位于涨落潮潮差明显海域，地层以黏土和夹砂粉质黏土为主。其中跨海铁路桥梁深水基础尺寸较大，受水深、流向、流速、桥墩或基础的形状、泥沙特性等诸多因素影响，冲刷机理复杂。设计时须要考虑风、浪及其联合作用对基础的冲刷问题。冲刷深度会直接影响桥墩基础的刚度，进一步影响铁路运营的安全性和舒适性。

2 局部冲刷计算

2.1 测点布置及桥墩选择

在工程所在海域选取6个代表性测点，测点位置见图1。百年一遇水位和五十年一遇水位下各代表性测点处水深见表1。

表1 各测点水深

图1 代表性测点位置

根据跨海铁路头门港大桥300个桥墩的尺寸及排列方式，选取测点W1—测点W6附近的7个典型桥墩，进行冲刷分析。

①W1附近的38#桥墩承台尺寸为6 m（顺桥向） ×6 m（横桥向），桩基础为5根直径1.25 m桩。

②W2附近的110#桥墩、W3附近的159#桥墩承台尺寸均为6.3 m（顺桥向） × 9.3 m（横桥向），桩基础均为5根直径1.25 m桩。

③W4附近的190#桥墩、W5附近的210#桥墩承台尺寸均为8.0 m（顺桥向） × 13.0 m（横桥向），桩基础均为6根直径2.20 m桩。

④W5附近的214#桥墩（主桥）承台尺寸为23.5 m（顺桥向） × 23.5 m（横桥向），桩基础均为25根直径2.20 m桩。

⑤W6附近的245#桥墩承台尺寸为11.0 m（顺桥向） × 15.0 m（横桥向），桩基础为8根直径2.2 m桩。

2.2 冲刷深度和冲刷面积计算

韩海骞收集了潮流作用下杭州湾大桥、金塘大桥和沽渚大桥的实测冲刷数据，结合60多组水槽试验结果计算了桥墩的最大冲刷深度，并采用因次分析法，推导出潮流作用下桥墩局部冲刷深度公式［3］。即

式中：dse为桥墩局部冲刷深度；kx、ky为基础桩顺桥向、横桥向布置系数；D为最大水深条件下按水深加权的阻水宽度；u为最大流速；h为最大行进水深；d50为河床泥沙的平均中值粒径。

根据马蹄形涡流能量与冲刷坑内泥沙外移所需能量的平衡关系，孙志林推导了桥墩周围局部冲刷深度公式［4］［式（2）］，并采用杭州湾跨海大桥的实测桥墩局部冲刷深度数据和文献［5］的室内试验结果，对公式的准确性进行了验证。

式中：H为水深；ks为墩形系数；f(B0/D)为受桥墩影响的阻水宽度；ρs、ρw分别为泥沙、水流的密度；ϕ为泥沙水下休止角；P为泥沙孔隙度；Fr为水流的弗劳德数。

采用美国HEC-18公式［6］计算冲刷深度时，综合考虑桩基、承台、墩身对桥墩局部冲刷深度的贡献值，最后进行叠加，即

式中：K1为桥墩形状系数；K2为桥墩水流夹角系数；K3为河床床面系数。

JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》中黏性土河床桥墩局部冲刷深度计算公式为

式中：B为桥墩或承台的宽度；IL为冲刷坑范围内黏性土液性指数；v为一般冲刷后墩前行进流速；hP为桥下一般冲刷后最大水深。

为研究不同冲刷深度计算公式的差异，采用孙志林公式、韩海骞公式、美国HEC-18公式和JTG C30—2015中推荐的桥墩局部冲刷深度计算公式，考虑工程所在海域水流速度、泥沙粒径和桥墩宽度对于局部冲刷的影响，结合桥墩周围最大流速和对应水深对桥墩局部冲刷深度进行计算。结果见表2。

表2 百年一遇水位下桥墩周围局部冲刷深度

由表2可知：不管承台顺桥向尺寸如何变化，总体上孙志林公式和HEC-18公式计算的局部冲刷深度偏大，韩海骞公式计算值最小。因此，桥梁设计时宜采用规范公式计算局部冲刷深度。

Das等［7］进行了局部冲刷试验，根据试验数据推导出冲刷坑范围计算公式，即

式中：A为冲刷坑面积。

采用Das冲刷坑范围公式计算百年一遇水位时各桥墩处冲刷坑面积，结果见表3。可知：总体上顺桥向承台尺寸越大冲刷坑面积越大，214#桥墩处冲刷坑面积比其他测点处都大。

表3 百年一遇水位时各桥墩处冲刷坑面积

3 潮汐水流冲淤计算

工程所在海域的潮汐水流主要为正规半日潮，总体为往复流。由于泥沙运动的复杂性，其运移机理尚不清楚，本文采用半经验半理论的冲淤计算公式［8］，计算冲淤平衡后水深变化量（ΔH最终）。计算式为

式中：h1、h2分别为桥梁建成前后水深；V2、V2分别为桥梁建成前后垂线上水流平均流速。

桥梁建成后桥址区北洋涂向南弯折区水深下降了0.5 ～ 0.7 m，疏港公路北侧水深下降了0.3 ～ 0.4 m，大竹山附近水深下降了0.4 ～ 0.5 m，头门岛附近水深下降了0.6 ～ 0.8 m。

4 局部冲刷数值模拟

跨海铁路头门港大桥桥墩之间的冲刷为一般冲刷。根据JTG C30—2015中8.3节一般冲刷公式计算可得，头门港跨海大桥一般冲刷深度为3 ～ 5 cm。

4.1 建立模型

为了研究数值模拟方法用于局部冲刷分析的可行性，建立二维流场数值模型。因一般冲刷深度仅3 ～ 5 cm，分析局部冲刷时可不考虑一般冲刷的影响。

选取测点W3—测点W6附近四类桥墩（159#、190#、214#和245#）进行计算。水流入口设定流速边界，水流出口设定水位边界，两侧为固定边界，泥沙运移边界条件设置为0，即泥沙不运移。

初始水位设置为0，水中含沙量设置为0。时间步长取0.001 s，结果输出时间间隔为30 s。

4.2 计算结果分析

1）桥墩处水流速度

各测点附近桥墩处水流速度（v′）对比见图2。可知： 159#、190#、214#（主桥）、245#桥墩墩前水流速度分别为2.88、2.75、2.69、2.46 m/s，桥墩承台两侧最大绕流速度分别达到4.20、3.45、4.35、3.79 m/s。由于桥墩和承台阻水作用，水流达到承台正前方时流速减小；与墩前水流速度相比，承台两侧绕流的流速明显增大，并在承台后方形成一对漩涡。

图2 各测点附近桥墩处水流速度对比

2）桥墩处冲刷深度

159#、190#、214#（主桥）、245#桥墩处最大冲刷深度分别为5.90、7.19、8.67、7.07 m。

将数值分析所得局部冲刷深度与前文理论公式计算的冲刷深度进行对比，见表4。可知：承台顺桥向尺寸在8 ～ 11 m时，与孙志林公式计算值相比，数值模拟值和规范公式计算值更接近。这说明数值模拟结果具有一定的参考性，可用于局部冲刷分析。

表4 局部冲刷深度对比

5 结论

对跨海铁路头门港大桥7个典型桥墩局部冲刷深度、冲刷坑面积及建桥前后水深变化量进行了理论计算和数值模拟。主要结论如下：

1）不管承台顺桥向尺寸如何变化，孙志林公式和HEC-18公式计算值偏大，韩海骞公式计算的冲刷深度最小。桥梁设计时宜采用规范公式计算冲刷深度。

2）总体上承台顺桥向尺寸越大，冲刷坑面积越大。

3）跨海铁路头门港大桥桥墩间为一般冲刷，冲刷深度在3 ～ 5 cm，故分析该桥址处局部冲刷时可不考虑一般冲刷的影响。

4）承台顺桥向尺寸在8 ～ 11 m时，与孙志林公式计算值相比，数值模拟的桥墩局部冲刷深度与规范计算值更相近，可采用数值模拟方法进行桥墩局部冲刷分析。