大型橋梁沖刷防護(hù)工程損壞特性研究

高正榮，楊程生，唐曉春，俞竹青

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024; 2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局 蘇州分局，江蘇 蘇州 215006)

大型橋梁沖刷防護(hù)工程損壞特性研究

高正榮1，楊程生1，唐曉春2，俞竹青1

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024; 2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局 蘇州分局，江蘇 蘇州 215006)

以蘇通大橋?yàn)槔?，通過(guò)模型試驗(yàn)和沖刷防護(hù)工程及周邊河床地形的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)開(kāi)展了大型橋梁沖刷防護(hù)工程的損壞特性研究。研究結(jié)果表明，大型橋梁沖刷防護(hù)工程存在兩種損壞形式：防護(hù)工程防護(hù)區(qū)面層沖刷損壞和防護(hù)工程護(hù)坦邊坡坍塌損壞；防護(hù)工程的破壞主要發(fā)生在防護(hù)工程后1～2年內(nèi)。提出了以“損壞率”和“穩(wěn)定邊坡”分別表示兩種不同類型的破壞指標(biāo)。同時(shí)，提出了防護(hù)工程“成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線”概念，為監(jiān)測(cè)沖刷防護(hù)工程穩(wěn)定性制定定量目標(biāo)。研究結(jié)果還表明，在防護(hù)體穩(wěn)定后，防護(hù)區(qū)呈“洪季淤積、枯季沖刷”特點(diǎn)，這一變化對(duì)防護(hù)體穩(wěn)定影響有限。研究結(jié)果為類似工程設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、維護(hù)和相關(guān)研究提供參考。

沖刷防護(hù)工程；損壞形式；長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；模型試驗(yàn)；損壞率；面層沖刷；邊坡坍塌

Abstract:Taking Sutong Bridge as an example,long-term monitoring on scour protection engineering and riverbed terrain and model test are applied to study the failure mechanism of scour protection engineering.The results show that there are two forms of failure in scour protection for large bridges in tidal reach,which are erosion on surface and collapse of slope of aprons; and they usually occur in 1 to 2 years after engineering acceptance.Damage rate and steady slope are suggested for failure index for two forms of failure respectively.Meanwhile,shaping security reference line is proposed based on results of long-term monitoring.When the size of protection engineering is less than the shaping security reference line,failure would take place.Moreover,the results also show that changes of protection zone are caused by sediment erosion or siltation on surface after engineering adapted with surrounding current and terrain; and these changes have no significant effect on stability of protection engineering.The research results can provide references for bridge design and related studies.

Keywords:scour protection engineering; damage in the form; long-term monitoring; model experiment; breakage rate; surface scour; slope collapse

長(zhǎng)江河口地區(qū)由于江面寬闊、水流條件異常復(fù)雜，因此在該河段興建大型橋梁工程，橋墩基礎(chǔ)安全問(wèn)題尤為突出。蘇通大橋位于長(zhǎng)江河口地區(qū)，見(jiàn)圖1，主墩基礎(chǔ)處水深流急，漲、落潮動(dòng)力強(qiáng)勁且底質(zhì)抗沖性差，橋墩實(shí)施后基礎(chǔ)沖刷深度大。根據(jù)橋梁損毀情況統(tǒng)計(jì)，橋梁基礎(chǔ)沖刷是導(dǎo)致橋梁破壞的首要原因[1]。為提高蘇通大橋群樁橋基安全，其主塔墩實(shí)施了沖刷防護(hù)工程。Chiew[2]按防護(hù)機(jī)理把傳統(tǒng)的橋墩局部沖刷防護(hù)工程措施分為兩類：一類是實(shí)體抗沖；另一類是減速減沖。蘇通大橋根據(jù)橋墩自身特點(diǎn)以及其水文泥沙及底質(zhì)條件選擇了合適的實(shí)體抗沖防護(hù)措施[3-5]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橋墩局部沖刷防護(hù)措施研究較多[6-11]，橋墩實(shí)施防護(hù)工程后跟蹤監(jiān)測(cè)和相應(yīng)損壞機(jī)理研究甚少。Chiew[12]對(duì)拋石護(hù)底抗沖措施的結(jié)構(gòu)和破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，總結(jié)出拋石護(hù)底結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理由三部分組成：1)拋石剪力破壞：拋石重量不足以抵抗墩前向下水流和馬蹄形旋渦的綜合剪力作用，謂之剪力破壞；2)卷?yè)P(yáng)破壞：河床泥沙被向上紊動(dòng)帶動(dòng)，穿過(guò)拋石孔隙后卷?yè)P(yáng)流失，造成基層拋石坍塌，防止這種破壞要求設(shè)置合宜的反濾層；3)邊緣破壞：拋石層邊緣的不穩(wěn)定性以及邊緣河床泥沙易被沖刷成局部沖坑從而影響拋石層的穩(wěn)定性，防止這種破壞要求設(shè)置邊緣護(hù)坦。房世龍、陳紅就四面體透水框架群作為橋墩防護(hù)工程形式，進(jìn)行了潰敗機(jī)理的試驗(yàn)研究[13]，提出了四面體透水框架群的潰敗形式主要有整體潰敗和邊緣潰敗。江勝華等[14]對(duì)橋墩局部沖刷防護(hù)的塊石起動(dòng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為墩前河床底部流速約為0.5倍的行進(jìn)流速，墩側(cè)河床底部流速約為0.7倍的行進(jìn)流速，橋墩兩側(cè)的防護(hù)塊石更易走失，使得橋墩拋石防護(hù)的損壞有了一定的認(rèn)識(shí)。楊程生等[3]根據(jù)2004～2006年的防護(hù)區(qū)地形資料對(duì)蘇通大橋沖刷防護(hù)工程進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。許映梅等開(kāi)展了蘇通大橋沖刷防護(hù)工程及橋區(qū)河床河勢(shì)監(jiān)測(cè)研究工作[15]，重點(diǎn)研究了防護(hù)工程穩(wěn)定性、橋區(qū)河勢(shì)及橋軸線斷面變化情況。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)防護(hù)工程的損壞機(jī)理有了一定的認(rèn)識(shí)。本文通過(guò)蘇通大橋多年沖刷防護(hù)工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合前期防護(hù)工程模型試驗(yàn)研究結(jié)果[16]，對(duì)防護(hù)工程的損壞形式進(jìn)行了深入分析，揭示了沖刷防護(hù)工程的損壞形式，同時(shí)進(jìn)行了損壞率計(jì)算和護(hù)坦區(qū)邊坡坍塌演變特征分析，探討了防護(hù)區(qū)面層沖刷和護(hù)坦區(qū)邊坡坍塌機(jī)理，提出了防護(hù)體穩(wěn)定定量分析方法，為工程設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和營(yíng)運(yùn)管理提供有力支撐。

圖1 蘇通大橋河段河勢(shì)Fig.1 The river regime of tidal reach

1 蘇通大橋橋墩沖刷防護(hù)工程及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

1.1沖刷防護(hù)工程基本情況

基于蘇通大橋河段水動(dòng)力和河床底質(zhì)特點(diǎn)[4-5]，防護(hù)工程結(jié)構(gòu)型式采用袋裝砂+級(jí)配碎石+護(hù)面塊石三層防護(hù)，平面包括核心區(qū)、永久區(qū)和護(hù)坦區(qū)，北主墩防護(hù)尺寸280 m×380 m，南主墩280 m×350 m，總厚度3～4.5 m，級(jí)配碎石粒徑3～25 cm，其中3～10 cm、10～25 cm各占50%，護(hù)面塊石單塊穩(wěn)定重量不小于50 kg。南、北主墩防護(hù)方案平面布置見(jiàn)圖2和圖3。沖刷防護(hù)工程2003年7月開(kāi)始，2004年7月結(jié)束。拋投方式主要采用開(kāi)體駁船進(jìn)行拋投施工，局部補(bǔ)拋采用浮吊定點(diǎn)吊拋，核心區(qū)施工平臺(tái)內(nèi)永久防護(hù)采用預(yù)留孔拋投和軌道定點(diǎn)拋投相結(jié)合的方式進(jìn)行施工。

1.2主墩沖刷防護(hù)工程防護(hù)效果分析

蘇通大橋于2008年5月建成通車，其主墩基礎(chǔ)沖刷防護(hù)工程自2003年8月開(kāi)始施工，2004年7月工程驗(yàn)收。工程驗(yàn)收后每年在汛前4月份和汛后9月份，分別對(duì)南、北主墩防護(hù)區(qū)700 m×700 m范圍實(shí)施多波束地形測(cè)量[17]。至2015年4月一共進(jìn)行了27次測(cè)量。利用GIS技術(shù)[18]分析沖刷防護(hù)工程及其周邊地形沖淤變化、防護(hù)效果和防護(hù)工程穩(wěn)定性，總結(jié)了防護(hù)工程及其周邊河床的變化特點(diǎn)。

南主墩位于主航道深槽南側(cè),其周邊存在一層厚度為6.5～7.5 m的淤泥質(zhì)亞粘土,其抗沖性能[19]較好。南主墩沖刷防護(hù)工程實(shí)施后，有效地保護(hù)了南主墩周邊河床，減少了橋墩局部河床的沖刷，見(jiàn)圖4。

北主墩位于主航道深槽區(qū)北側(cè)，靠近主泓。地質(zhì)勘探表明，北主墩區(qū)域地質(zhì)以粉細(xì)沙為主，河床泥沙運(yùn)動(dòng)頻繁，易沖刷。北主墩沖刷防護(hù)工程實(shí)施后，有效地保護(hù)了主墩核心區(qū)河床，而北主墩防護(hù)體南、北兩側(cè)河床大幅沖刷，均形成10 m以上的沖刷溝，這種沖刷形態(tài)是典型的雙向流作用下的沖刷型態(tài)，與韓玉芳等的試驗(yàn)研究結(jié)果較類似[20]。同時(shí)受潮流加劇的影響，北主墩防護(hù)工程的東北角深槽增深23.5 m，為涉水建筑物引起的沖刷和深槽演變自然沖刷兩種效應(yīng)之和，見(jiàn)圖5。

圖2 南主墩沖刷防護(hù)方案平面布置(mm)Fig.2 Layout of the scouring protection project of the south main pylon pier (mm)

圖3 北主墩沖刷防護(hù)方案平面布置(mm)Fig.3 Layout of the scouring protection project of the north main pylon pier (mm)

圖4 2003-08-11～2008-05-24建橋前后南主墩周邊地形沖淤變化(m)Fig.4 Topographic changes around the south main pier before and after construction of the bridge (comparison between 2003-08-11and 2008-05-24)

圖5 2003-08-11～2008-05-24建橋前后北主墩周邊地形沖淤變化(m)Fig.5 Topographic changes around the north main pier before and after construction of the bridge (comparison between 2003-08-11and 2008-05-24)

1.3沖刷防護(hù)工程營(yíng)運(yùn)期穩(wěn)定性分析

圖6和圖7分別為自大橋通車截至2014年9月?tīng)I(yíng)運(yùn)期間南、北主墩防護(hù)區(qū)總體沖淤變化情況。營(yíng)運(yùn)期間南主墩防護(hù)區(qū)最大局部區(qū)域沖刷深度在4.6 m左右，位于南主墩上游的護(hù)坦和永久區(qū)的交界處，南主墩下游2 m以上的沖刷坑范圍較小?？傮w來(lái)看，沖刷區(qū)范圍占護(hù)坦區(qū)和永久區(qū)的面積比重甚微，見(jiàn)表1。南主墩各防護(hù)區(qū)內(nèi)85%以上的面積變化幅度在-1～1 m之間，局部區(qū)域也有2 m以上的淤積，沒(méi)有出現(xiàn)大范圍、大面積的沖刷現(xiàn)象。營(yíng)運(yùn)期間南主墩防護(hù)體總體變化不大，穩(wěn)定較好。

北主墩防護(hù)區(qū)最大沖刷深度為5.7 m，位于北主墩東北角護(hù)坦區(qū)，主墩核心區(qū)和永久區(qū)變化幅度集中在-1～1 m之間，2 m以上沖刷面積比重較小，2 m以上沖刷面積占護(hù)坦面積約2.87%。見(jiàn)表2。因此，沖刷略大的發(fā)生在護(hù)坦區(qū)，核心和永久區(qū)大部分區(qū)域變化幅度在1 m以內(nèi)，防護(hù)體較穩(wěn)定。

表1 南主墩防護(hù)區(qū)內(nèi)2008-05-24～2014-09-15特征統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical characteristics of south main pier protection zone during May 24,2008 to September 15,2014

圖6 南主墩沖刷防護(hù)工程營(yíng)運(yùn)期變化情況(m)(2008-05-24與2014-09-15對(duì)比)Fig.6 Changes of the south main pier scour protection engineering during operation period (comparison between 2008-05-24 and 2014-09-15)

圖7 北主墩沖刷防護(hù)工程營(yíng)運(yùn)期變化情況(m)(2008-05-24與2014-09-15對(duì)比)Fig.7 Changes of the north main pier scour protection engineering during operation period (comparison between 2008-05-24 and 2014-09-15)

表2 北主墩防護(hù)區(qū)內(nèi)2008-05-24～2014-09-15特征統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical characteristics of north main pier protection zone during May 24,2008 to September 15,2014

1.4沖刷防護(hù)工程及其周邊河床的變化特點(diǎn)

多年監(jiān)測(cè)顯示沖刷防護(hù)工程及其周邊河床的變化特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為一方面防護(hù)工程實(shí)施后防護(hù)體周邊河床的沖刷，由于主墩附近底質(zhì)不同，河床沖刷幅度和形態(tài)也不同。北主墩防護(hù)工程周邊河床的沖刷型態(tài)是典型雙向流作用下的沖刷型態(tài)。另一方面，隨著防護(hù)工程與周邊地形逐漸適應(yīng)，防護(hù)區(qū)及其周邊河床地形變化表現(xiàn)為“洪季淤積，枯季沖刷”[3]的現(xiàn)象。

2 沖刷防護(hù)工程模型試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)方法及內(nèi)容

對(duì)于跨江大橋橋墩沖刷問(wèn)題和防護(hù)問(wèn)題，用系列模型延伸法[21]研究至今已積累較豐富的經(jīng)驗(yàn)，研究成果已廣泛應(yīng)用于橋墩、沉井和圍堰的沖刷和防護(hù)之中。水文分析表明蘇通大橋河段落潮流起主要作用，本文和文獻(xiàn)[20]研究結(jié)果均認(rèn)為在往復(fù)流作用下的橋墩沖刷深度小于同級(jí)別單向流作用下的局部沖刷深度，據(jù)此研究主橋橋墩沖刷防護(hù)方案的防沖效果和沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性采用恒定流沖刷模型進(jìn)行試驗(yàn)較為適宜。

2.2試驗(yàn)設(shè)備及條件[16]

橋墩基礎(chǔ)沖刷防護(hù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ退劭傞L(zhǎng)36 m，寬5.0 m，動(dòng)床段處于水槽中部(長(zhǎng)7.5 m、寬5 m),進(jìn)口處設(shè)矩形薄壁量水堰，出口處用推拉式尾門，由人工微動(dòng)調(diào)節(jié)控制。在護(hù)坦穩(wěn)定試驗(yàn)中，由于要進(jìn)行大流量、大流速的沖刷試驗(yàn)，將該水槽寬度改造為 2.5 m，長(zhǎng)度及其他尺度不變。模型試驗(yàn)水文條件選取300年一遇和20年一遇，見(jiàn)表3。試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸卟捎?∶100和1∶130兩種。

表3 沖刷防護(hù)試驗(yàn)水文條件Tab.3 Hydrological conditions of erosion test

由于模型試驗(yàn)主要研究橋墩附近沖刷深度及形態(tài)，因此模型沙選擇主要考慮起動(dòng)相似λvc=λv以及水下休止角的相似。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泥沙采樣，橋墩底床泥沙中值粒徑d50=0.12～0.16 mm，試驗(yàn)選用武漢水院公式和唐存本公式計(jì)算起動(dòng)流速，經(jīng)比較，兩者公式得出的結(jié)果比較接近。經(jīng)比選采用天然沙作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕常兄盗絛50=0.22 mm，s=2.65 t/m3，蘇通大橋主墩處水深在19～31 m之間，經(jīng)計(jì)算天然沙的起動(dòng)流速在23～25 cm/s之間。模型采用天然沙，滿足相似條件的幾何比尺λho為1。

原型沙水下休止角按張紅武天然沙公式(d=0.061～9 mm)計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，原型沙φ=32.4°，模型沙φ=33.2°。

在圓筒中用顆粒沉降法測(cè)定模型沙的水下休止角為32°～34°，與公式計(jì)算結(jié)果接近。用該天然沙進(jìn)行橋墩局部沖刷試驗(yàn)基本滿足水下休止角相等的要求，保證了橋墩的局部沖刷形態(tài)相似。

2.3整體防沖工程的試驗(yàn)效果

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看[5，16]，橋墩防護(hù)后有效地保護(hù)了防護(hù)區(qū)內(nèi)河床地形免遭沖刷，如圖8所示。墩前側(cè)向繞流還會(huì)對(duì)防護(hù)體外未進(jìn)行護(hù)底的床面產(chǎn)生沖刷，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

2.4防護(hù)工程沖刷穩(wěn)定試驗(yàn)

恒定流沖刷模型[5，16]試驗(yàn)有兩個(gè)目的，1) 研究沖刷防護(hù)護(hù)面石料的穩(wěn)定性；2) 研究護(hù)坦特性，建立在特定區(qū)域速度與石料損壞比例以及護(hù)坦特性之間的函數(shù)關(guān)系。

1)面層石料穩(wěn)定性

為了直觀顯示沖刷防護(hù)護(hù)面石塊的損壞，先選出試驗(yàn)區(qū)域，表面大小范圍為10 cm×10 cm，在表面噴上少許噴漆，在鄰近區(qū)域噴上明顯不同的顏色，通過(guò)攝像分析確定各分區(qū)上石子移動(dòng)的數(shù)目，試驗(yàn)參數(shù)和流速見(jiàn)表4，各分區(qū)最大損壞比例為8%～10%，見(jiàn)圖9。

圖8 北主墩防護(hù)工程外側(cè)沖刷形態(tài)示意(300年一遇)Fig.8 Schematic form of scour protection works outside north main pier(300-year flood)

表4 模型試驗(yàn)的流速情況Tab.4 Flow conditions for model test

圖9 各個(gè)區(qū)域面層損壞與局部流速之間的函數(shù)關(guān)系(模型試驗(yàn)結(jié)果)Fig.9 Damage as function of local velocity and U2/gd (results of model test)

2)護(hù)坦邊坡穩(wěn)定性

護(hù)坦起著防止邊側(cè)坍塌、外推沖刷區(qū)和減少最大沖深的作用，護(hù)坦自身穩(wěn)定關(guān)系到整個(gè)防護(hù)工程的成敗。沖刷穩(wěn)定邊坡是衡量護(hù)坦穩(wěn)定與否的一個(gè)重要指標(biāo)，試驗(yàn)初期，護(hù)坦邊坡開(kāi)始逐漸坍塌，隨著時(shí)間的推移，護(hù)坦外側(cè)逐漸形成由護(hù)坦塊石和床沙共同形成的自然混合邊坡，最終形成沖刷穩(wěn)定邊坡。試驗(yàn)結(jié)果顯示除迎水面護(hù)坦因受邊側(cè)繞流影響導(dǎo)致邊坡稍緩?fù)?，護(hù)坦其余部位的穩(wěn)定邊坡均在1∶2.1～1∶2.6之間，見(jiàn)圖10。

圖10 護(hù)坦區(qū)外側(cè)沖刷穩(wěn)定性邊坡示意(模型試驗(yàn)結(jié)果)Fig.10 Schematic diagram of stable slope of the lateral scour of apron area (model test results)

3 蘇通大橋沖刷防護(hù)工程損壞特性研究

沖刷防護(hù)工程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果分析表明，防護(hù)工程實(shí)施后防護(hù)區(qū)變化主要有兩個(gè)方面：一方面防護(hù)區(qū)表面有一定的沖淤變化；另一方面是防護(hù)體周邊河床有一定的沖刷現(xiàn)象，北主墩防護(hù)工程護(hù)坦區(qū)有坍塌現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果和模型試驗(yàn)研究結(jié)果，并結(jié)合前人[12-13]對(duì)防護(hù)工程破壞的認(rèn)識(shí)，可對(duì)蘇通大橋沖刷防護(hù)工程的損壞形式分為兩種：一種主要是潮流對(duì)防護(hù)表面直接作用引起的防護(hù)區(qū)面層沖刷，稱為直接損壞；另一種主要是防護(hù)區(qū)外側(cè)的河床受到?jīng)_刷，從而使護(hù)坦區(qū)石塊下移對(duì)邊緣處造成的損壞，稱為間接損壞。

3.1南、北主墩防護(hù)區(qū)沖、淤量演變過(guò)程

為了掌握蘇通大橋沖刷防護(hù)工程直接損壞和間接損壞發(fā)生的時(shí)機(jī)，首先從防護(hù)區(qū)的沖、淤總量為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)防護(hù)區(qū)量值的變化規(guī)律，分析南、北主墩防護(hù)工程直接損壞的主要時(shí)間段，再進(jìn)一步判斷防護(hù)體的總體穩(wěn)定性。根據(jù)防護(hù)區(qū)歷次河床監(jiān)測(cè)地形與防護(hù)工程實(shí)施前(2003年8月15日實(shí)測(cè)防護(hù)區(qū))河床地形高程對(duì)比分析，計(jì)算出了防護(hù)區(qū)的淤積量和沖刷量，見(jiàn)圖11和圖12，其中2004年7月6日為工程驗(yàn)收時(shí)的計(jì)算值，見(jiàn)表5。北主墩防護(hù)區(qū)河床易沖刷，且沖刷量大，出現(xiàn)大面積的“沖刷區(qū)”，南主墩防護(hù)區(qū)河床抗沖性強(qiáng)且沖刷量小。沖刷量是相對(duì)于防護(hù)區(qū)起始河床而言的，該沖刷量是由于防護(hù)材料是分步拋投，每一次拋投后均引起周邊河床地形大面積沖刷，導(dǎo)致沖刷后地形高程已經(jīng)低于原始河床高程，即便在“沖刷區(qū)”拋投防護(hù)材料后仍然低于原始河床。由于淤積量是通過(guò)前后地形高程差來(lái)計(jì)算的，就導(dǎo)致沖刷區(qū)的防護(hù)體工程量無(wú)法計(jì)算出來(lái)，但“沖刷區(qū)”的防護(hù)體是存在的；此外，南、北防護(hù)工程還存在整體的不均勻沉降[4]。因此，2014年7月6日監(jiān)測(cè)計(jì)算的淤積量遠(yuǎn)小于實(shí)際拋投工程量和驗(yàn)收工程量，仍可以通過(guò)該淤積量過(guò)程線的變化來(lái)判斷南、北主墩沖刷防護(hù)工程總體變化及穩(wěn)定情況。

由圖11和圖12可知計(jì)算的防護(hù)區(qū)淤積量和沖刷量均是動(dòng)態(tài)變化的，由此可以判定在防護(hù)工程施工結(jié)束后防護(hù)區(qū)淤積量增大主要是防護(hù)區(qū)存在泥沙淤積現(xiàn)象。因此，2004年7月6日后的淤積量主要包含兩個(gè)方面的量值，一方面是防護(hù)區(qū)拋投防護(hù)材料的堆積量，另一方面是防護(hù)區(qū)的泥沙淤積量。而計(jì)算的2004年7月6日后的沖刷量同樣存在兩方面的量值，一方面是防護(hù)區(qū)面層的泥沙沖刷量，另一方面是部分防護(hù)體損失的量。

從2004-07-06～2005-04-07期間變化過(guò)程來(lái)看，南、北主墩防護(hù)區(qū)成型堆積量逐漸減小，而沖刷量逐漸增加，該沖刷量主要是以防護(hù)體損失量為主，在2005年4月7日達(dá)到歷次監(jiān)測(cè)的最小值，說(shuō)明該時(shí)間段是南、北主墩防護(hù)工程直接損壞和間接損壞發(fā)生的主要時(shí)期。在此后的監(jiān)測(cè)過(guò)程中防護(hù)區(qū)總淤積量均未低于該最小工程量，可以定義該最小淤積量為沖刷防護(hù)工程經(jīng)歷損壞后的“防護(hù)體穩(wěn)定工程量”，以此作為“防護(hù)體成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線”，若監(jiān)測(cè)的淤積量低于該“防護(hù)體成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線”，則說(shuō)明防護(hù)體發(fā)生新的損壞，反之則說(shuō)明防護(hù)體穩(wěn)定，這對(duì)判斷防護(hù)工程的穩(wěn)定具有重要意義。

圖11 南主墩防護(hù)區(qū)防護(hù)工程總體沖淤量隨時(shí)間變化過(guò)程Fig.11 The overall erosion and deposition of the south main pier protection zone in the process of time

圖12 北主墩防護(hù)區(qū)防護(hù)工程總體沖淤量隨時(shí)間變化過(guò)程Fig.12 The overall erosion and deposition of the north main pier protection zone in the process of time

表5 南、北主墩沖刷防護(hù)工程整體沖淤計(jì)算表Tab.5 The topographic erosion and deposition calculate of the scouring protection project of the north and south pier

南、北主墩防護(hù)工程總體發(fā)生較大損壞主要在2004-07-06～2005-04-07期間內(nèi)，損壞形式主要是防護(hù)體面層沖刷和邊坡坍塌。在2005年4月7日之后的淤積量未低于防護(hù)體成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線以下時(shí)，則防護(hù)體未出現(xiàn)新的損壞，防護(hù)區(qū)的沖淤變化主要是泥沙的沖、淤量變化，主要變化特點(diǎn)是“洪季淤積、枯季沖刷”，目前這種泥沙的沖淤變化對(duì)防護(hù)體的穩(wěn)定并未造成影響。

3.2防護(hù)區(qū)面層沖刷損壞

防護(hù)工程直接損壞主要是潮流對(duì)防護(hù)表面的直接作用引起的，面層沖刷主要是水下構(gòu)筑物的存在會(huì)使流速變快，河床剪應(yīng)力和摩阻流速增強(qiáng)。由于蘇通大橋位于徐六涇節(jié)點(diǎn)段，橋區(qū)水動(dòng)力條件強(qiáng)勁，河床底質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)頻繁，在橋墩周邊實(shí)施防護(hù)工程后，橋墩基礎(chǔ)和防護(hù)工程自身均使得附近河床剪應(yīng)力和摩阻流速增強(qiáng)；同時(shí)在施工過(guò)程中水拋面層塊石存在一定不均勻性，面層塊石有些起伏不平；在河床剪應(yīng)力和摩阻流速增強(qiáng)后致使面層塊石滑動(dòng)翻滾流失，而造成防護(hù)工程的損壞。由于北主墩區(qū)河床底質(zhì)易沖刷，北主墩兩側(cè)面層防護(hù)體損壞明顯大于上、下游區(qū)域，見(jiàn)圖5；南主墩防護(hù)工程面層損壞在區(qū)域上差別不明顯。為了更好地跟蹤防護(hù)區(qū)的面層損壞情況，基于多波束觀測(cè)精度的考慮，以防護(hù)區(qū)內(nèi)沖淤變化幅度在-1～1 m區(qū)間內(nèi)的區(qū)域面積和淤積區(qū)面積作為防護(hù)工程完好區(qū)，沖刷幅度大于1 m的沖刷區(qū)作為損壞區(qū)，即為直接損壞區(qū)。利用GIS技術(shù)對(duì)各沖淤等級(jí)進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得到各防護(hù)區(qū)沖刷幅度大于1 m的直接損壞區(qū)面積，該面積與防護(hù)區(qū)面積比即為損壞率，各區(qū)損壞率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6、表7。

表6 南、北主墩沖刷防護(hù)工程損壞率分區(qū)分時(shí)段統(tǒng)計(jì) %Tab.6 Statistical characteristics of south/north main piers breakage ratio in segments within different time quanta %

表7 各區(qū)面層損壞率監(jiān)測(cè)情況 %Tab.7 The surface layer damage monitoring %

蘇通大橋沖刷防護(hù)工程完成后，面層沖刷損壞主要發(fā)生在2004年7月6日～2005年4月7日，此后防護(hù)體總體基本保持穩(wěn)定，防護(hù)區(qū)變化主要是泥沙沖淤變化，南、北主墩防護(hù)體的面層損壞率基本可忽略。可見(jiàn)，南、北主墩總體損壞率分別為12.66%和18.46%。防護(hù)工程實(shí)際監(jiān)測(cè)的面層損壞高于模型試驗(yàn)值，這是由于水下施工難度較大、拋投不均勻而造成這種現(xiàn)象的主要原因。此外，實(shí)際監(jiān)測(cè)的損壞過(guò)程與模型試驗(yàn)結(jié)果較為一致，均發(fā)生在初期一定時(shí)間內(nèi)。2005年4月7日后，在防護(hù)工程與周邊水流適應(yīng)后，面層塊石也隨之穩(wěn)定，面層將繼續(xù)保持穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)近十年的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)認(rèn)為，在防護(hù)工程穩(wěn)定后，防護(hù)區(qū)面層的沖淤變化呈“洪季淤積、枯季沖刷”特點(diǎn)，目前未影響防護(hù)體的穩(wěn)定。

歐美使用的塊石護(hù)面維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[22]：“在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)核心區(qū)和永久區(qū)的損壞10%～20%是可以接受的；對(duì)于護(hù)坦，沿周長(zhǎng)約有50%的完全起動(dòng)是可以接受的”。目前監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，初期南、北主墩總體損壞率分別為12.66%和18.46%，之后防護(hù)一直較穩(wěn)定，未發(fā)生新的損壞。因此，蘇通大橋沖刷防護(hù)工程的直接損壞在可接受的范圍之內(nèi)，用損壞率概念對(duì)直接損壞來(lái)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)是較合理的。

3.3防護(hù)工程護(hù)坦區(qū)邊坡坍塌損壞

間接損壞是指主要防護(hù)區(qū)外側(cè)的河床受到?jīng)_刷，從而使護(hù)坦區(qū)石塊在潮流的作用下移動(dòng)而對(duì)邊緣處造成的損壞。由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果看，北主墩防護(hù)區(qū)護(hù)坦沖刷較嚴(yán)重發(fā)生的區(qū)域在防護(hù)區(qū)東北角，防護(hù)區(qū)兩側(cè)護(hù)坦也有一定損壞，見(jiàn)圖4和圖7，如護(hù)坦邊坡不能穩(wěn)定下來(lái)，這種損壞會(huì)導(dǎo)致永久區(qū)的防護(hù)結(jié)構(gòu)坍塌外移，最終會(huì)侵入核心區(qū)而導(dǎo)致防護(hù)工程失敗。

圖13為北主墩護(hù)坦東北角邊坡坍塌最嚴(yán)重區(qū)段的剖面圖(斷面位置見(jiàn)圖7)，防護(hù)工程驗(yàn)收后，防護(hù)體周邊河床逐漸沖刷，隨沖刷的加深，護(hù)坦邊坡開(kāi)始坍塌，并逐漸變陡，到2005年10月護(hù)坦外側(cè)河床沖刷達(dá)到最深處，護(hù)坦邊坡通過(guò)再平衡，最終形成“穩(wěn)定邊坡”。監(jiān)測(cè)顯示護(hù)坦外側(cè)河床沖刷深度雖有一定的調(diào)整，護(hù)坦穩(wěn)定邊坡為1∶2～1∶2.2，這與模型試驗(yàn)結(jié)果一致。防護(hù)體周邊沖刷并引起邊坡坍塌的過(guò)程表明，防護(hù)工程周邊沖刷和護(hù)坦邊坡坍塌主要發(fā)生在防護(hù)工程實(shí)施后的初期1～2年時(shí)間內(nèi)，經(jīng)一年后沖刷企穩(wěn)，達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定時(shí)間較面層沖刷穩(wěn)定時(shí)間略長(zhǎng)。

圖13 北主墩東北側(cè)護(hù)坦區(qū)邊坡坍塌沖刷演變Fig.13 Slope collapse scour evolution of apron area at the northeast side of the north main pier

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)顯示，護(hù)坦坍塌現(xiàn)象沒(méi)有持續(xù)發(fā)生，邊坡坍塌僅限發(fā)生于護(hù)坦區(qū)內(nèi)，永久區(qū)和核心區(qū)未出現(xiàn)坍塌沖刷，從而有效地保護(hù)了沖刷防護(hù)工程的總體安全，同時(shí)也驗(yàn)證了在蘇通大橋橋墩沖刷防護(hù)工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用“下沉護(hù)坦原理”[4]的必要性，即在護(hù)坡頂端或沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)周圍布設(shè)一定數(shù)量的散粒體材料(石料),運(yùn)用護(hù)坦與被防護(hù)的河床床面柔性接觸和散粒體材料可在護(hù)坡上重新分布的特點(diǎn)(見(jiàn)圖14) 。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)該處斷面雖有沖淤變化，但這種沖淤變化對(duì)護(hù)坦區(qū)穩(wěn)定影響有限。

圖14 依據(jù)下沉護(hù)坦原理的沖刷防護(hù)Fig.14 Sketch of the scouring protection structure using sinking protection-apron principle

3.4防護(hù)工程損壞機(jī)理分析

蘇通大橋南、北主墩防護(hù)工程的損壞形式主要是面層沖刷和邊坡坍塌兩種形式，不存在卷?yè)P(yáng)破壞形式。南主墩防護(hù)工程的面層損壞和邊坡坍塌主要發(fā)生在2004年7月～2005年4月期間，北主墩防護(hù)工程的面層損壞也發(fā)生在這一時(shí)期，但北主墩東北角的護(hù)坦變化一直延續(xù)至2005年10月，2005年10月后護(hù)坦穩(wěn)定邊坡基本形成。此后，防護(hù)區(qū)河床監(jiān)測(cè)結(jié)果表明南、北主墩防護(hù)工程保持較好的穩(wěn)定性，均未出現(xiàn)新的損壞。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了作者曾在“蘇通大橋主塔墩基礎(chǔ)沖刷防護(hù)工程穩(wěn)定性分析”一文[3]中提出的結(jié)論：“在2005年8月25日后南主墩沖刷防護(hù)工程總體上趨于穩(wěn)定，2005年10月16日后,北主墩防護(hù)區(qū)東北角的沖刷溝沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展,防護(hù)工程總體上趨于穩(wěn)定”。

因此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)蘇通大橋沖刷防護(hù)工程損壞過(guò)程和模型試驗(yàn)損壞過(guò)程基本一致，均發(fā)生在初期，這期間由于防護(hù)工程的實(shí)施河床剪應(yīng)力和摩阻流速增強(qiáng)，防護(hù)工程面層塊石有一定的損壞翻滾流失，與周邊水流適應(yīng)后面層塊石達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；與此同時(shí)護(hù)坦外側(cè)河床開(kāi)始沖刷，導(dǎo)致護(hù)坦邊坡坍塌，坍塌到一定程度后與周邊河床相適應(yīng)，達(dá)到穩(wěn)定邊坡?tīng)顟B(tài)。在防護(hù)工程與周邊水流以及河床適應(yīng)后，防護(hù)區(qū)的變化主要就是橋區(qū)泥沙的沖淤變化，呈“洪季淤積、枯季沖刷”特點(diǎn)，這種泥沙沖淤變化對(duì)防護(hù)工程穩(wěn)定影響不大。據(jù)此通過(guò)防護(hù)區(qū)淤積量監(jiān)測(cè)，判斷防護(hù)區(qū)淤積量與防護(hù)體成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線差別，進(jìn)而推斷防護(hù)工程出現(xiàn)了新?lián)p壞的可能性。就目前的模型試驗(yàn)結(jié)果和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，在未發(fā)生特殊水文年和橋區(qū)河段邊界調(diào)整的情況下，南、北主墩防護(hù)體穩(wěn)定性是有保證的。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)蘇通大橋沖刷防護(hù)工程的損壞形式主要是防護(hù)區(qū)面層沖刷損壞和護(hù)坦邊坡坍塌損壞。沖刷防護(hù)工程的兩種損壞形式主要發(fā)生在防護(hù)工程后的1～2年多時(shí)間內(nèi)。防護(hù)區(qū)面層塊石先穩(wěn)定，護(hù)坦邊坡后穩(wěn)定。

2)南、北主墩防護(hù)工程完成初期的總體損壞率分別為12.66%和18.46%，在可接受的范圍之內(nèi)，之后防護(hù)體一直較為穩(wěn)定，未發(fā)生新的損壞。

3)防護(hù)體隨沖刷的加深，護(hù)坦邊坡開(kāi)始坍塌變陡，隨后護(hù)坦邊坡再平衡，進(jìn)而形成“穩(wěn)定邊坡”。護(hù)坦區(qū)穩(wěn)定邊坡坡度在1∶2～1∶2.5之間，與模型試驗(yàn)結(jié)果一致。

4)首次提出了以“防護(hù)工程成型穩(wěn)定工程基準(zhǔn)線”作為判斷防護(hù)工程穩(wěn)定的一個(gè)新指標(biāo)，為監(jiān)測(cè)沖刷防護(hù)工程穩(wěn)定性創(chuàng)造定量目標(biāo)。

5)在防護(hù)體穩(wěn)定后，防護(hù)區(qū)呈“洪季淤積、枯季沖刷”特點(diǎn)，這一變化對(duì)防護(hù)體穩(wěn)定影響有限。

6)通過(guò)對(duì)蘇通大橋沖刷防護(hù)工程損壞特性的研究，為工程維護(hù)和營(yíng)運(yùn)管理提供有力支撐，為類似工程設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、維護(hù)和相關(guān)研究提供參考。

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(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China; 2.Suzhou Branch of Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau,Suzhou 215006,China)

TV866；U445.7

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.004

1005-9865(2016)02-0024-11

2015-05-23

高正榮(1963-)，男，江蘇海門人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事海岸工程及橋梁工程研究。E-mail：zrgao08@163.com