强地震极端灾害条件下跨海大桥水下基础结构冲刷机理研究

我国跨海大桥近年来及在今后中长期发展中已经并将继续迅速发展，波浪作用下大桥桥墩水下基础结构周围海床会产生较大局部冲刷，不利于大桥安全。强地震是长大交通工程安全的重要威胁，大桥结构及基础地基抗震设计研究较多，而强震还极有可能导致大桥基础附近海床的极端变形，有诱导局部冲刷加剧的危险，却未见相关研究。另外，海域环境波浪作用的大桥基础冲刷研究多为工程性个案研究，缺乏深入的理论和机理研究。本项目以多学科知识融合的理论分析、实验室试验、和数值模拟方法，通过研究海流-结构-海床耦合作用下的局部冲刷演变的内在动力机制，通过解释地形、土性质和海浪各类因素在海域环境大桥局部冲刷中的力学关系，研究局部冲刷的发展和极值预测。期望通过本项目，在海域环境大桥局部冲刷机理研究方面取得突破，并能预测极端地震灾害诱发的冲刷规律，为我国重大工程防灾提供科学依据。

采用理论分析、物理试验、数值模拟以及现场资料调研等方法，对极端形态海床演变对局部冲刷的影响、波流作用下局部冲刷的变化以及海床粘性土的局部冲刷规律3个主要计划内容开展了研究。. 将极端地形概化为开裂、错层形状，试验观测了其在水动力作用下的演变特征及规律，用数值方法模拟了演变过程的流场变化。开裂地形在清水条件下，水流切应力在裂缝内部及紊动强度较弱，上边缘增强，冲刷仅发生在上、下游边缘，范围较小；动床条件下，下游边缘初始水流切应力最大，床沙冲刷强烈，且距离较远，对附近桥墩局部冲刷有明显影响，当演变达平衡时，下游床面切应力小于临界值，而上游边缘切应力仍大于临界值。错层地形在跌水点当水流Fr数大于1时，发生溯源冲刷，冲刷平衡比降与流量成正比，冲刷厚度及距离与跌水面差成正比，增加附近桥墩的冲刷深度。. 波、流共同作用时，墩周紊动强度峰值较恒定流增强。近海岸边桥墩的孤立波流冲刷深度与KC数关系有关，当KC>6时，冲刷深度变化规律与Sumer平床条件的一致，但其计算式中系数m应取0.2。当KC<6时，仍发生冲刷，冲刷深度与KC数成线性关系。与以往文献关于平床冲刷的两个不同点，可能与近岸的波反射效应有关。. 海床细颗粒粘性泥沙甚至粘土与粗颗粒散沙的冲刷规律不同。粘性沙的冲刷与沙土的土力学性质参数有关。对调查原型冲刷资料进行分析，结果发现，粘性土（10<PI<17）及粘土（PI≥17）的冲刷深度与土的塑性指数不存在相关关系，与液性指数相关关系明确，也与土的内聚力有关。水流冲刷的土的独立性指标及其间关系有待深入研究。