珠江黄埔大桥桥墩冲刷局部动床模型试验研究

1 试验的目的及研究技术路线

　　被誉为华南第一桥的广州东二环高速公路珠江黄埔大桥，横跨广州出海水道的大濠沙河段，由北汊主跨383米独塔斜拉桥（目前世界同类型桥梁中排名第一）和南汊主跨1108米悬索桥组成。其兴建将为广州东面重要的经济带打通通往番禺的交通要道，使这些地方与珠江三角洲的物流更加畅顺，对减缓广州市区的交通压力有重要作用。我院完成的“珠江黄埔大桥工程定床河工模型试验研究”（下称定床河工模型），通过不同水文组合的定床模型试验以及该河段的河床演变分析认为，原设计的珠江特大桥工程的三个方案都不会对河势及整体的河床演变产生影响，因此，建议下阶段重点进行桥墩冲刷的正态局部模型试验。定床模型试验的成果及建议也得到评审专家的肯定。桥墩冲刷试验的主要目的是研究在设计的水文条件下，桥墩冲刷坑的极限冲刷深度和范围，为设计提供依据，以保证桥梁的安全。

2 试验河段水文、泥沙特性分析

　　2.1基本水文、泥沙资料

　　2.1.1径流

　　桥区水道是广州出海水道即珠江正干至伶仃洋的组成部分。广州出海水道上段位于西北江三角洲北缘，下段为西北江三角洲与东江三角洲的交汇水道，是一条跨越河口至河口湾的潮汐水道，它既受河流动力作用，又受河口湾潮流入侵的控制，具有水丰沙少和潮流控制为主的动力特性。

　　广州出海水道的径流由两部分组成：一部分来自于北江和西江的径流，经三水水文站由平洲水道的沙洛围、大石河、花地涌进入广州片网河，据我们分析其流量约占三水和马口流量之和的7.1%～7.4%，这是主要的径流来源；另一部分来自流溪河、白坭河以及洪水期北江芦苞水闸和西南水闸的分洪流量，这一部分流量经老鸦岗从西航道汇入广州片网河。西、北江在思贤滘首次连通，其来水重新组合分配经三水、马口水文站进入西、北江三角洲。三水与马口站的分流比近年发生了较大的变化，至今，不管洪水还是枯水，三水的分流量约占三水与马口流量之和的26%，由此可计算得进入广州片网河的径流约占三水站流量的27.3%～28.5%。

　　据三水水文站（1951～1997年）统计表明，多年最大平均流量为8030m3/s，多年平均流量为1373m3/s，历年最大流量为16200m3/s（1994.6.20），多年平均迳流量为433.10亿m3。

　　流溪河的多年平均迳流量为27.66亿m3，多年平均流量为87.7m3/s。白坭河的多年平均迳流量为14.40亿m3，多年平均流量为45.8m3/s。由此计算得广州出海水道的多年平均迳流量约为243亿m3，多年平均流量为770m3/s。

　　根据《西、北江下游及其三角洲网河河道设计洪潮水面线》（试行）计算成果，流经广州出海水道的300年至5年一遇的设计洪水流量约为8400 m3/s～5300m3/s

　　2.1.2潮汐

　　珠江河口的潮汐为不规则半日潮，在一个太阴日内两涨两落，且两次高低潮位和潮差各不相同，涨落潮历时亦不相等。纳潮量的大小反映潮汐动力的强弱，因纳潮量大小主要由潮差和纳潮面积组成的潮棱体体积决定，珠江干流出海航道的潮流动力自口门往上游逐渐减少。根据实测资料，口门内大虎站单潮最大纳潮量约5.47亿m3，至桥区附近黄埔电厂单潮最大纳潮量减至6060万m3，最大涨、落潮流量分别由大虎站42500m3/s和34300m3/s减至黄埔电厂位置4775m3/s和3675m3/s，最大涨、落潮流速分别由大虎站1.12m/s和1.01m/s减至黄埔电厂0.75 m/s和0.71m/s。经相关推算，拟建桥位附近年纳潮总量254亿m3，其山潮比为0.96仍略小于1，反映潮流整体强于径流。黄埔特征潮位历年变化见图1，实测最高潮水位为2.38m，最低潮水位为-1.93m，高潮位平均值0.73m，低潮位平均值-0.89m。

图1黄埔特征潮位历年变化

　　2.1.3泥沙特征

　　珠江流域的泥沙特点是含沙量少，输沙量大。珠江进入河口区多年平均含沙量为0.284kg/m3，

　　平均每年向河口区输出推移质泥沙440～880′104t，悬移质泥沙8872′104t，溶解质3000′104t。经估算悬移质泥沙约有20%在三角洲网河区落淤，流入口门和口门外海滨的悬沙约7098′104t。据统计，珠江干流由虎门出口的年均含沙量仅为0.109kg/m3，占珠江流域的38%，约为三水站多年平均含沙量0.197kg/m3的55%；输沙量为658′104t /年，占全流域的9.3%，远小于径流比重18.5%，这说明了本水道水丰沙少的特点。汇入虎门的悬移质泥沙中，桥址下游区由东江输入泥沙占总量44.6%，比东江汇入径流的比重38%强，结合沙湾水道因主要承泄北江径流，而北江水含沙量相对较大（为东江的1.5倍、流溪河的2.46倍），说明虎门的输沙来源主要为桥位下游各汊道，这进一步突出了桥址附近水道的水丰沙少特征。

　　2.2 试验河段历次水文泥沙测验成果分析

　　本试验研究收集了桥区多次的水文泥沙测验成果，包括1977年7月～8月桥区水文泥沙测验、1999年7月桥区水文泥沙测验、1999年6月～7月珠江三角洲大同步水文测验、2003年8月试验河段水文泥沙测验的成果。对之进行分析，可更清楚的了解桥区的水流运动和泥沙特性。历次的测量成果显示：

　　（1）大濠洲北汊断面（菠萝庙水道）的涨、落潮流速强度基本相当，实测最大涨潮流速0.91m/s；南汊断面（主河道）的平均潮流速总是落潮大于涨潮，其实测最大落潮流速为0.90m/s。

　　（2）黄埔站实测最大涨潮流速0.96m/s，最大落潮流速1.06m/s；利用潮流椭圆要素计算全潮流最大可能流速介于0.52m/s～1.18m/s。

　　实测各测点平均含沙量在0.05 kg/m3～0.10kg/m3之间，落潮含沙量一般均大于涨潮含沙量；实测最大含沙为0.26kg/m3，最小含沙量为0.01kg/m3。上述平均含沙量结果与历史统计资料（0.109kg/m3）基本相当，表明该河段泥沙运动趋势没有发生突变。

　　（3）黄埔左、右汊最大落潮流量都在5000m3/s～7500m3/s之间，最大涨潮流量则在5500m3/s～8000m3/s之间，最大涨潮流量一般大于落潮流量。

　　2.3桥区水流运动特性及流速特性

　　桥区河段为典型的分汊河道，涨落潮主流也不尽一致，存在相互的分汇流，流态相对比较复杂。

　　洪水或落潮时，铁桩水道的来流与洪圣沙南汊来流汇合沿铁桩水道下段的黄埔右汊下泄，与黄埔左汊从洪圣沙与大濠洲之间的大濠沙水道分流下来的水流汇合后，通过大桥所处的大濠洲右汊，再与黄埔左汊水道经菠萝庙水道的分流汇合后，由赤沙水道进入狮子洋；涨潮时则沿上述水道逆流而上。由2003年8月实测水文资料分析可知：黄埔左、右汊的涨落潮分流比相当，黄埔左汊相对占优；大濠洲右汊则绝对占优，涨落潮的分流比都约为80%，菠萝庙水道则约为20%；洪圣沙与大濠洲之间的大濠沙水道，涨、落潮的分流比为35%和32%；　洪圣沙南汊的过流量较小，涨、落潮的分流量只占总来流量的6.8%和5.1%。

　　从流速分布上看，不管落潮还是涨潮，各汊水道的主流都居中或靠左侧主槽，右侧边滩流速则相对较小。根据定床模型率定和试验组次的实测流速统计，落潮时，黄埔右汊V2垂线流速最大，最大流速达到1.2m/s；涨潮时，黄埔右汊V2垂线和黄埔左汊V3～V4垂线的最大流速也超过1.0m/s。其他断面及垂线的流速测值都在1.0m/s以下。大濠洲右汊V3垂线附近，在落潮流量较大，水位较低时，最大流速也超过1.0m/s。

　　由于所设计的桥墩承台是埋在河床下面的，加之河中布置的桥墩也较少，因此，桥墩的阻水面积占桥轴线断面过水面积的百分比较小。各种水位下，北汊桥桥墩的阻水面积占桥轴线断面左汊过水面积的百分比不超过1.09%；南汊桥桥墩的阻水面积占桥轴线断面右汊过水面积的百分比不超过1.06%。

　　从实测工程前后的流速比较可见，推荐方案桥墩对所处河道的流态及流速分布的影响甚微；流态及流速的变化仅限于桥墩周围附近，这主要影响桥墩局部冲刷坑的深度和范围。各汊的分流比基本上也没有变化。

　　桥墩附近的流态观测及流速测量显示：由于各方案的桥墩均布置在流速较小的淤积边滩上，无论涨潮还是落潮，桥墩对附近的水流的流速流态的影响相对较小。建桥后南北汊各主桥墩附近的流速分布特征表现为：北汊桥南塔墩，落潮时，桥墩所在断面流速主流居中略靠右，桥墩附近的流速大些，介于0.33m/s～0.63m/s之间；涨潮时，桥墩所在断面流速分布主流靠左侧主槽，桥墩附近的流速小些，介于0.25m/s～0.29m/s之间，北汊桥南塔墩附近试验所测流速最大值为0.63m/s。南汊河道，无论涨潮还是落潮，桥墩所在断面流速主流均位于河道的左侧主槽，南汊桥北塔墩附近流速大些，涨、落潮流速均介于0.26m/s～0.55m/s之间，试验所测流速最大值为0.55m/s；南汊桥南塔墩偏离主流区，桥墩附近流速小些，涨、落潮流速均介于0.26m/s～0.45m/s之间，试验所测流速最大值为0.45m/s。

3 试验河段河床演变分析

　　3.1试验河段的河势

　　试验河段为珠江三角洲广州片网河汇入狮子洋的过渡段。广州片网河在此段汇合后，形成复杂的江心洲分汊河道，这些江心洲经过历史的演变和人为活动的影响，自然和人为并洲、筑堤，现已形成洪圣沙——踮艚洲江心岛和大濠洲岛，一般大洪水都已不过水。

　　桥址上游的洪圣沙——踮艚洲江心岛把黄埔水道与铁桩水道分隔开来（见附图2），并由大濠沙水道和西侧的洪圣沙南水道相互沟通；桥址处的大濠洲岛又把河道分为南北两汊，南汊为大濠沙水道，北汊为菠萝庙水道，在下游的墩头基附近汇合为单一水道——赤沙水道。

　　3.2试验河段近年河床演变分析

　　对试验河段河床进行了历史演变和1977年至1999年、1999年至2003年的近期演变分析表明；桥区河道相对稳定，自1977年以来，桥区水道的河床演变受控于自然的缓慢淤积与人为活动的影响。其演变特征表现为：河道平面形态稳定，深槽与边滩分布基本稳定；深槽扩宽变深，主要是航道整治、等级提高和航道疏浚维护的结果，与此同时，也改变水流动力分布和影响相邻水域冲淤变化；南侧凸岸边滩淤涨抬高，但边滩的淤涨又受到深槽扩宽变深的抑制。各时段的河床演变有所差别：1977年至1989年10多年间，滩槽形态基本保持稳定微变的趋势，其变化主要表现为深槽有所扩宽刷深，边滩有所淤涨抬高；而到了1999年，深槽刷深幅度明显增大，边滩淤高的幅度明显；2003年和1999年相比，除局部人为影响外，边滩基本上变化不大。值得注意的是桥墩所处边滩近年的淤积趋势为：北汊桥南塔墩所处的边滩（即左汊右侧边滩）呈缓慢淤积趋势，南汊桥北塔墩所处边滩（即右汊左边滩）略有冲刷，应充分注意该桥墩的防护，南汊桥南塔墩所处边滩（即右汊右边滩）呈缓慢淤积趋势。主槽则表现为自然淤积和人为航道维护疏深并存。

　　3.3建桥后对河床演变的影响分析

　　定床河工模型试验研究表明：推荐的方案建桥前后桥区河段的流态、流速基本上没有变化，流态、流速的变化仅限于桥墩周围局部，从而影响桥墩的冲刷坑的大小及深度。而河床演变分析表明，桥区的河床形态、深槽与边滩稳定，因此，黄埔大桥的修建不会对河势及整体的河床演变产生影响。鉴于此，动床试验主要进行桥墩冲刷的正态局部模型试验。

4 东圃等三座大桥主桥墩附近河床冲刷情况分析

　　为更准确模拟桥墩周围复杂的水流结构及其对河床的冲刷而产生的桥墩冲刷坑的深度和范围，对珠江特大桥附近河段的东圃大桥、番禺大桥、洛溪大桥的主桥墩附近300m×500m河床范围进行水下地形测量，以便分析附近已建桥梁的桥墩冲刷坑的情况，为开展本工程桥墩冲刷模型试验和工程的设计提供必要的参考依据。测量结果表明：

　　东圃大桥、番禺大桥主桥墩周围10m～15m外未发现有明显的冲刷坑。出于安全考虑，测量船未能太靠近桥墩，距桥墩最近的测点与桥墩的距离也有10m~15m，黄埔大桥桥墩冲刷动床模型的极限冲刷试验结果显示：黄埔大桥冲刷坑的范围在桥墩周围16m的范围内。故东圃大桥、番禺大桥及洛溪大桥贴近桥墩的冲刷坑可能都未能测量出来。但从测量结果可以判定：东圃大桥、番禺大桥若有桥墩冲刷坑其大小不会大于桥墩周围10m～15m的范围。

　　洛溪大桥主桥墩左侧由于有一高出河床约2m、长约10m的不可冲刷的障碍物，因而在桥墩的左侧障碍物的前方及下游形成类似丁坝挑流而造成的冲刷坑，冲刷坑的深度为2.0m～4.2m，长度往下游达150m、往上游约35m，宽度为30m～70m。

5 桥墩冲刷局部动床模型设计

　　5.1 模型设计的原则

　　局部的冲刷模型，尤其如本试验所关心的桥墩冲刷坑问题，原则上应采用大比尺的正态模型，按重力相似设计模型以保证水流运动的相似，并满足阻力的相似。由于悬移质对桥墩极限冲刷坑的影响很小，动床模型只考虑推移质和床沙，并重点保证泥沙的起动相似。

　　5.2 几何比尺的确定

　　根据试验研究的目的、内容和要求，以及模型试验的相似理论，本试验按重力相似准则设计成正态模型，即采用佛汝德（Froude）数相似条件。综合考虑泥沙模拟的相似要求和桥墩的大小、本河段水流和泥沙特性、试验场地等条件，确定模型的几何比尺为：

　　5.3 模型沙的选择及泥沙相似比尺

　　模型沙选取性能稳定，粒径变化范围大，且在动床模型中常用的电木粉作为模型沙，电木粉的比重为gs=1.48t/m3，干容重为go=0.45～0.5t/m3。

　　根据实测桥位处的天然床沙、南汊桥的钻孔各层河床质的情况，经反复计算和配制的模型沙基本可满足起动相似和沉降相似，并使模型沙与原体河床质级配曲线基本平行。

　　天然沙起动流速按沙玉清公式计算。

　　其中，天然沙取e=0.4，计算得到其不同深度平均起动流速为0.40 m/s～0.53m/s。

　　水槽试验结果表明：当模型水深为0.025m～0.075m（相当于原型水深为1m～3m时），模型沙的起动流速为Vom=0.073m/s～0.094m/s。

　　故起动流速比尺为5.51～5.68，表5-2 模型设计各项比尺平均为5.60，与模型流速比尺6.325 相近。为了满足泥沙的起动相似，放水试验时，抓住主要矛盾，可适当改变流速、流量比尺，满足阻力相似，　让重力相似有些偏离。

6 各桥墩试验成果分析

　　本研究根据试验任务的要求和所要解决问题的侧重点，在上一阶段整体定床模型试验及附近河道已建桥梁桥墩冲刷调查分析的基础上，根据南汊桥南、北主墩和北汊桥南塔墩所处河道位置在各种水文条件下的流速，选取流速较大、水位较低的较危险的水文组合，并适当考虑加大流速的水文组合，进行极限冲刷试验。

　　根据上面水文泥沙测验资料分析可知，本河段是潮汐动力占优的河段，桥区水道水流为往复形式，洪季水流动力以径流为主，中水期以落潮流为主，枯季涨潮流大于落潮流。由于桥区水道纳潮量较大，潮差较大，中枯季的涨落潮流速略大于洪季的落潮流速，根据历次的实测水文资料，统计桥位附近河段最大的流速均小于1.0m/s。

　　定床模型试验中不同试验组次中各主桥墩附近的实测最大流速表明：在各种洪水频率（包括300年一遇洪水）和涨落潮的水文组次中，由于洪水期水位较高，而洪水流量与中枯季大潮涨落潮最大流量相当，故最大流速并不一定出现在洪水期，反而大潮落急和涨急时流速为最大。如300年一遇的洪水中，除了北汊桥南塔墩出现最大流速比其他中枯季大潮涨落潮流速大外，南汊桥南、北塔墩附近流速均比中枯季大潮涨急和落急时小。中枯季大潮落急时水位约为0.0m左右，涨急时则为0.5m左右。模型试验实测南汊桥南塔墩附近水域的水流流速均小于0.45m/s，南汊桥北塔墩附近水域的水流流速均小于0.55m/s，北汊桥南塔墩附近水域的水流流速均小于0.63m/s。模型试验采用单向流并适当加大流速的方法进行冲刷试验，　如此得到的试验结果是偏于安全的。根据上面的分析，确定三组桥墩的冲刷试验组次如表6-1所示：

表6-1 桥墩冲刷局部动床模型试验组次

　　6.1 南汊桥南塔墩的极限冲刷坑试验

　　南汊桥南塔墩的极限冲刷模型试验分别以表6-1组次1、2两种不同的控制条件进行冲刷试验。

　　试验冲刷坑的平剖面图见图3，组次1、2试验在上游侧承台的周围形成一定范围、一定深度的冲刷坑，下游侧承台的周围冲刷坑较浅，范围较小，两组试验的冲刷坑形状是相似的，具体的冲刷范围及深度如表6-2。

表6-2 不同组次试验南汊桥南塔墩冲刷坑范围及深度单位：m

　　注：冲刷深度=桥轴线的床面高程－冲刷坑的最低点高程（下同）。

　　组次2中加大1.2倍流速的条件下，原体冲刷时间约30小时，冲刷坑达到极限平衡。由表6-2可见，南汊桥南塔墩的最大冲刷深度为4.4m，与定床模型报告按规范公式计算的结果接近（计算值为4.0m～4.5m），冲刷坑范围在承台周围13.5m内。由于南汊桥南塔墩位于河道的右侧边滩上，离主河槽和右侧堤围较远，从试验实测的桥墩冲刷坑可见，其范围不大，深度较小，所引起的局部河床的变化不会影响航道的稳定，不会危及右侧堤围的安全。而且，大桥所在河道在各种水文组合中，南汊桥南塔墩所处的右侧边滩的流速相对较小，在大桥所处河道上下游的河床不发生较大演变的前提下，南汊桥南塔墩的桥墩冲刷坑应能控制在模型试验所测得的冲刷坑大小和深度范围内。前述河床演变分析表明，南汊桥南塔墩所处的边滩近年呈缓慢淤涨抬高的演变趋势，这对南汊南塔墩的安全是有利的。

表6-3 不同组次试验南汊桥北塔墩冲刷坑范围及深度单位：m

　　6.2 南汊桥北塔墩的极限冲刷坑试验

　　南汊桥北塔墩位于左岸堤外水下边滩，中心轴线离左岸堤脚距离仅29.3m，离主槽约40m。左岸堤坡的结构形式对桥墩附近水流流态会有一定影响，对冲刷坑的范围及深度也会产生一定影响，为了能更真实地反映堤岸、桥墩及冲刷坑的相互影响，试验中按实测地形对左岸堤坡进行模拟，塔墩分别按表6-1中的组次3～5三种不同的控制条件进行冲刷试验。

　　试验结果显示：组次3、4、5试验在上游侧承台的周围形成一定范围、一定深度的冲刷坑，下游侧承台的周围冲刷坑较浅，范围较小，三组试验的冲刷坑形状也是相似的，具体的冲刷范围及深度见表6-3，组次5的试验冲刷坑平剖面见图4。

　　天然河道大濠沙水道左岸为凹岸，左岸水下边滩较窄，主河槽位于河道左侧，而南汊桥北塔墩正位于大濠沙水道的左岸堤外水下边滩上，离主河槽约40m，离左侧堤围较近（桥墩轴线离左侧堤脚距离29.3m）。该桥墩位于主流区的边缘，与南汊桥南塔墩相比流速较大，水流对桥墩冲刷作用也会大些。由表6-3可见，南汊桥北塔墩的最大冲刷深度为6.73m，冲刷坑范围在承台周围12.15m内。试验最大桥墩冲刷坑的左侧边缘离堤脚仅有7.94m，深度6.73m，离右侧主河槽约20多m，深度6.73m。由于桥墩左侧冲刷坑离左岸堤脚较近，会对堤坡的稳定造成一定影响，应对桥墩周围及左岸堤脚进行一定的抛石防护，确保堤围的稳定和大桥的安全，右侧冲刷坑离主河槽的距离也较近，也应对其采取必要防护措施，以避免桥墩冲刷坑所引起的局部河床的变化影响航道的稳定。此外，从上述的河床演变分析知道，大濠沙凹岸（左岸）边滩近年的演变趋势为略有冲刷，桥墩冲刷坑所引起的局部河床变化将会加速该边滩冲刷后退的速度，因此，必须引起高度的重视，做好必要的防护措施，确保堤围和大桥的安全。

6.3 北汊桥南塔墩的极限冲刷坑试验

　　北汊桥南塔墩中心轴线离右岸堤脚距离亦较近（32m），右岸堤坡的结构形式会对桥墩冲刷坑产生一定影响，为了能更真实地反映堤岸、桥墩及冲刷坑的相互影响，试验中对右岸堤坡进行模拟，塔墩分别按表6-1中组次6～7二种不同的控制条件进行冲刷试验。

表6-4 不同组次试验北汊桥南塔墩冲刷坑范围及深度单位：m

北汊桥南塔墩的冲刷范围及深度见表6-4。

　　河演分析显示，菠萝庙水道近年变化较大，右岸边滩为天然河道的凸岸，近年呈淤积趋势，北汊桥南塔墩正位于菠萝庙水道的右岸边滩上，桥墩轴线离左侧主河槽约20m，离右侧堤围堤脚约32m，该桥墩位于主流区的边缘，流速相对较大，水流对桥墩冲刷作用明显。由表6-4可见，北汊桥南塔墩的最大冲刷深度为6.75m，冲刷坑范围在承台周围16.08m内。试验最大桥墩冲刷坑的右侧边缘离堤脚仅7.21m，深度6.75m，左侧冲刷坑的边缘到达主河槽的右侧，深度达6.75m。由于桥墩右侧冲刷坑离右岸堤脚较近，会对堤坡的稳定造成一定影响，应对桥墩周围及右岸堤脚进行一定的抛石防护，确保堤围的稳定；左侧冲刷坑到达主河槽的右侧，桥墩冲刷坑所引起的局部河床变化会影响航道及河床的稳定，必须引起足够的重视，采取必要防护措施，以避免桥墩冲刷坑所引起的局部河床的变化而带来整个河床断面较大的变化，对航运及右岸堤坡造成不利的影响。

7 结论

　　局部冲刷试验成果表明：南汊桥南、北塔和北汊桥南塔三个主桥墩的极限冲刷坑深度和横向影响范围与黄埔大桥桥址附近类似桥墩冲刷坑观测结果相近，试验成果可信。