陳 剛 ，何 昆 ，楊元平 ，楊火其

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，河口、海灣地區(qū)橋梁不斷涌現(xiàn)，日益成為聯(lián)系沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的紐帶。錢塘江河口是世界上典型的強(qiáng)涌潮河口，涌潮強(qiáng)度和景觀多樣性居世界之首[1]，最大涌潮高度3.5 m，實(shí)測最大測點(diǎn)流速12 m/s。惡劣的自然條件決定了錢塘江河口橋梁的設(shè)計難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它橋梁工程，其中強(qiáng)涌潮作用于橋墩的壓力顯著增加橋梁工程的動力荷載。曾劍[2]等研究了建橋?qū)τ砍备叨鹊挠绊懀粭钣莱3]在錢江二橋南岸利用施工棧橋和橋墩樁基護(hù)筒進(jìn)行涌潮壓力觀測；李穎[4]在嘉紹大橋進(jìn)行涌潮壓力現(xiàn)場測量；邵衛(wèi)云等[5]對錢塘江六橋橋墩所受的正面涌潮壓力及回頭潮壓力全過程進(jìn)行動態(tài)測試；楊火其[6]開展涌潮對方樁的正向作用力室內(nèi)試驗(yàn)。但由于涌潮行進(jìn)方向變化多樣，河床地形和水文條件各不相同，目前對涌潮壓力的理論分析和認(rèn)識仍存在一定差異。

由于建筑物的形狀和大小直接影響建筑物受到的涌潮作用力的大小及其分布特征，現(xiàn)階段針對特定型式的建筑物進(jìn)行模型試驗(yàn)是取得涌潮作用力最為直接可靠的方法。本文利用涌潮水槽模型試驗(yàn)研究某大橋墩身涌潮作用力分布及其變化特點(diǎn)，所受最大涌潮壓力分布范圍，以及強(qiáng)涌潮正向、斜向作用下分別位于迎潮面和隱蔽區(qū)的橋墩墩身受力差異。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在長50 m、寬4 m 的涌潮水槽中進(jìn)行（見圖1）。生潮設(shè)備采用多臺水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，由總線工控機(jī)利用積分分離的PID 算法，通過多臺水泵向模型提供水流。潮前水流過程的模擬通過外接水位儀、流速儀進(jìn)行監(jiān)測，試驗(yàn)要求的低潮位和涌潮高度由水泵的進(jìn)出水量及時間控制。

涌潮高度與傳播速度測量采用電容式波高儀，開展動態(tài)水位測量，測量分辨率0.01 mm，測量誤差＜±1%，數(shù)據(jù)采集的時間間隔為0.01 s。采用硅橫向壓力傳感器進(jìn)行橋墩墩身不同高程的涌潮壓力測量；總力傳感器安裝于橋墩墩身背潮面，總力測量采用S 型拉力、壓力傳感器，測量設(shè)備見圖2。

圖1 涌潮水槽圖

圖2 測量設(shè)備圖

2.2 模型設(shè)計

模型比尺、橋墩結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)方案及水文條件選取是涌潮模型設(shè)計的關(guān)鍵因素：

（1）模型采用水平和垂直比尺為1:50 的正態(tài)模型；

（2）根據(jù)錢塘江河口防洪、航運(yùn)及橋梁安全的要求，未來擬建橋梁承臺等阻水較為明顯的結(jié)構(gòu)將埋于河床床面以下，因此涌潮作用時，主要受力結(jié)構(gòu)為橋梁的墩身，橋墩墩身結(jié)構(gòu)形式為倒角圓矩形。本文模擬2 種橋墩寬度，分別為方案①5.0 m、方案②3.5 m；一組涌潮斜交30.0°工況；此外為探討位于隱蔽區(qū)內(nèi)的橋墩受力情況，試驗(yàn)還設(shè)計了2 組同類型橋墩分列于上下游兩側(cè)，相距36.8 m。試驗(yàn)組合見圖3。

圖3 試驗(yàn)組合圖 單位：cm

（3）根據(jù)錢塘江河口地形及水文條件，試驗(yàn)水文條件為低水位1.5 ～ 4.0 m 組合涌潮高度1.5 ～ 3.3 m。試驗(yàn)方案及水文條件見表1。

表1 試驗(yàn)方案及水文條件表

2.3 涌潮的模擬與驗(yàn)證

潘存鴻等[7]根據(jù)一維連續(xù)性方程和動量方程推導(dǎo)涌潮傳播速度與上下游水深的關(guān)系，建立涌潮傳播速度的解析計算公式：

式中：c為涌潮傳播速度，m/s；uu為上游（潮前）流速，m/s；h為水深，m；下標(biāo)d和u分別表示下游側(cè)（海側(cè)）和上游側(cè)（河側(cè)）；ξ為涌潮高度，m；g為重力加速度，m/s2。

黃靜等[8]人對涌潮水槽進(jìn)行較為系統(tǒng)的驗(yàn)證，本次試驗(yàn)經(jīng)水槽率定，涌潮試驗(yàn)的傳播速度與理論計算公式的成果相對較為吻合，涌潮模擬精度良好，驗(yàn)證結(jié)果見表2。

表2 涌潮傳播速度驗(yàn)證結(jié)果表

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 涌潮作用力分布

根據(jù)錢塘江河口涌潮特征，在一定的地形條件下，涌潮水流的控制條件為潮前水深以及涌潮高度。影響橋墩作用力的主要涌潮水流條件為低潮位以及涌潮高度，涌潮作用力沿垂線分布試驗(yàn)結(jié)果見表3 和圖4。

表3 涌潮作用力沿垂線分布表

試驗(yàn)研究表明，涌潮沖擊橋墩過程中流體運(yùn)動和自由面變化非常復(fù)雜，會出現(xiàn)水沖擊、界面破碎以及復(fù)雜的漩渦運(yùn)動等現(xiàn)象，不同高程涌潮壓力差異較大，橋墩受到的涌潮最大作用力位置與低潮位關(guān)系密切，以涌潮高度Z與水深H的比值Z/H為縱坐標(biāo)，測點(diǎn)壓強(qiáng)P與最大點(diǎn)壓強(qiáng)Pmax的比值P/Pmax為橫坐標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）圖4（a）為涌潮高度2.9 m 時，幾種不同低水位下橋墩迎潮面涌潮作用力的垂線分布特征，從圖4（a）可以看出，涌潮壓力垂線分布為拋物線型，壓力最大值發(fā)生在低潮位附近，其值以上和以下逐漸減小，涌潮對橋墩的最大作用力約在低潮位上0.0 ～ 0.4 倍涌潮高度位置；

（2）涌潮高度1.0 倍以上水深垂線范圍內(nèi)，涌潮壓力減小，其值與最大壓力的比值不超過0.2；

（3）涌潮沖擊橋墩瞬間，不同高程測點(diǎn)受到的壓力可分解為涌潮沖擊力、涌潮水體造成的靜水壓力2 部分。對橋梁工程而言，涌潮沖擊是動力荷載明顯加劇的主要因素，靜水壓在涌潮過后相互平衡。因此進(jìn)一步分析涌潮沖擊力部分（見圖4（b）），可見橋墩受涌潮作用時，低水位以下涌潮壓力明顯較小。

圖4 涌潮作用力沿垂線分布圖

3.2 涌潮作用力研究

圖5 為典型涌潮作用力及水位時程變化圖。從圖5 可見，涌潮作用瞬間，總力計測得一明顯峰值，該峰值基本與涌潮沖擊橋墩的時刻同步，本文以涌潮作用時出現(xiàn)的最大壓力值為研究對象。

涌潮作用力的時程過程較為復(fù)雜，首先，涌潮來臨之前，試驗(yàn)顯示總力總體較??；涌潮來臨瞬間，存在一個明顯的突變上漲過程；涌潮過后，總力依然有明顯變化，變幅接近50%的最大值。

圖5 涌潮作用力及水位時程變化圖

根據(jù)前面涌潮作用力分布可知，涌潮壓力主要分布在低水位以上1.0 倍涌潮高度的范圍內(nèi)。此外淺水長波和駐波理論表明，涌潮點(diǎn)壓力與涌潮高度成正比，理論上涌潮作用力可根據(jù)點(diǎn)壓力隨水深方向積分進(jìn)行估算，因此初步判斷涌潮作用力的大小與涌潮高度的平方相關(guān)。圖6 為各試驗(yàn)組合下涌潮作用力與潮頭高度平方的關(guān)系圖，可以看出，兩者有很好的線性相關(guān)性。

圖6 涌潮作用力與涌潮高度平方的關(guān)系圖

3.3 涌潮作用力的計算公式

根據(jù)總力試驗(yàn)結(jié)果可知，涌潮最大作用力主要與橋墩（墩身）阻水寬度、涌潮高度、涌潮行進(jìn)方向、橋墩墩身相對位置等有關(guān)，其中：

（1）涌潮作用力與橋墩墩身阻水寬度、涌潮高度的平方成正相關(guān)；

（2）位于隱蔽區(qū)內(nèi)的橋墩墩身，其涌潮作用力略小于迎潮面橋墩墩身，可用折減系數(shù)表述。

為探討橋墩（墩身）涌潮最大作用力，依據(jù)量綱和諧原理，對總力試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行擬合：

在涌潮前部直立水墻與樁柱接觸的瞬間，涌潮沖擊力最大，假設(shè)：

如考慮涌潮與橋墩（墩身）角度的影響，取水流方向受力寬度B1：

對ρ·g簡化，可得：

式中：F為橋墩總力（kN）；H為涌潮高度（m）；A為墩型系數(shù)，與橋墩（墩身）結(jié)構(gòu)型式有關(guān)；K1為上游、下游墩的遮掩系數(shù)；S為受力面積（m2）；B1為涌潮作用時橋墩（墩身）的受力寬度（m）；L、B分別為墩身的長、寬（m）；a為涌潮與橋墩軸線的夾角（°）。

經(jīng)擬合，本文墩型系數(shù)A取12.0；K1迎潮面橋墩取1.00，隱蔽區(qū)墩取0.96。

圖7 為上述公式計算值與試驗(yàn)值的比較圖（圖中斜線為y=x的45°理想線）。結(jié)果表明，試驗(yàn)值與計算值分列于y=x斜線附近，吻合程度較好。

圖7 涌潮作用力計算值與試驗(yàn)值比較圖

4 結(jié) 語

本文通過對強(qiáng)涌潮作用下橋墩墩身的受力試驗(yàn)研究，得知：

（1）涌潮對橋墩作用力最大值發(fā)生在低潮位附近，位于低潮位上0.0 ～ 0.4 倍涌潮高度位置，往上和往下的涌潮作用力逐漸減??；

（2）涌潮作用力的大小主要與橋墩（墩身）寬度、涌潮高度、涌潮行進(jìn)方向、橋墩墩身相對位置等有關(guān)，建立的經(jīng)驗(yàn)公式可用于相關(guān)設(shè)計參考。