深水區(qū)群樁基礎(chǔ)防沖刷措施

姬宏奎，王海偉

（1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊050020；2.中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山528403）

1 工程概況

池州長(zhǎng)江公路大橋跨江主橋位于歐山鎮(zhèn)下王莊村西側(cè)山頭，橋梁全長(zhǎng)5825.0m，包括跨長(zhǎng)江主通航孔斜拉橋、副通航孔連續(xù)剛構(gòu)橋、南岸大堤連續(xù)梁橋、引橋。長(zhǎng)江主通航孔橋設(shè)計(jì)里程為K20+693～K22+141，全長(zhǎng)1448.0m，采用等高塔不對(duì)稱(chēng)混合梁雙塔斜拉橋。大橋Z5#墩基礎(chǔ)采用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，承臺(tái)平面為59.3m×34.8m整體式四邊形帶圓弧承臺(tái)，高8.0m，頂標(biāo)高+5.0m，承臺(tái)采用C35混凝土，索塔基礎(chǔ)采用36根直徑3.0m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)82.0m，樁頂標(biāo)高-3.0m，樁底標(biāo)高-85.0m。 Z6#，Z7#基礎(chǔ)為深水高樁承臺(tái)，Z6#采用15根φ2.5m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)55.0m；Z7#墩為12根φ2.5m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)60.0m，均采用C30水下混凝土。

2 工程地質(zhì)

Z5#橋墩樁基覆蓋層以砂類(lèi)土為主，厚33.30～36.50m，表層為松散—稍密狀的粉細(xì)砂，其下為中密狀中砂，下部為密實(shí)狀礫砂及密實(shí)狀中砂，砂層中多含有卵礫石，卵礫石含量高達(dá)20%～30%，粒徑0.2～6cm?；鶐r為白堊系上統(tǒng)宣南組粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖、砂巖等巖層及其風(fēng)化層，巖面埋深33.3～36.5m，巖面極為平緩；Z6#，Z7#墩位于長(zhǎng)江輔助航道段，河床高程-1.0～0.0m，地勢(shì)向南岸逐漸抬高。該區(qū)覆蓋層較厚深度38.9～53.2m，主要以含軟礫石砂層為主，容易被沖刷。

3 沖刷防護(hù)必要性

池州長(zhǎng)江公路大橋南岸主橋Z5#，Z6#，Z7#基礎(chǔ)位于長(zhǎng)江主航道深水區(qū)，Z5#墩承臺(tái)處枯水期水深15.0～25.0m，洪水期水深25.0～30.0m，橋位處洪水期最大流速2.1m/s，枯水期最大流速1.5m/s，平均水流速度大。近幾年河床橫斷面變化，Z5#～Z7#河床斷面以沖刷為主。自大橋臨時(shí)鋼護(hù)筒施工以來(lái)受長(zhǎng)江洪水影響河床沖刷嚴(yán)重，迎水面平均沖刷深度達(dá)10.0m導(dǎo)致鋼護(hù)筒埋深減少較多沖刷后最大2m，為此，施工中采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)等措施以保證鋼護(hù)筒埋深成樁施工。由于工程投入人員（吊裝、護(hù)筒焊接）、機(jī)械（大型浮吊、液壓振樁錘）和材料（鋼護(hù)筒等）較多，嚴(yán)重影響工期制約關(guān)鍵線路的施工，且后期加固的成本極高，成橋后水中樁基礎(chǔ)隨著水流沖刷樁基礎(chǔ)裸露面增加，樁基自由高度增長(zhǎng)，隨著長(zhǎng)時(shí)間的沖刷，水中樁基礎(chǔ)自由長(zhǎng)度增加，樁基表面混凝土受到?jīng)_蝕，嚴(yán)重影響索塔樁基礎(chǔ)的耐久性和結(jié)構(gòu)安全。

本文重點(diǎn)圍繞Z5#，Z6#，Z7#墩鉆孔平臺(tái)基礎(chǔ)工程進(jìn)行分析，Z7#墩鉆孔平臺(tái)平面設(shè)計(jì)為47.5m×28.32m，棧橋采用φ820mm×10mm鋼管樁基礎(chǔ)，Z7#墩鉆孔平臺(tái)布置如圖1，圖2。

圖1 Z7#墩鉆孔平臺(tái)布置

圖2 Z7#墩鉆孔平臺(tái)縱斷面

4 沖刷防護(hù)

4.1 沖刷防護(hù)布置

抗沖刷防護(hù)根據(jù)沖刷數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及水下測(cè)量結(jié)果（沖刷范圍、沖刷深度），借鑒長(zhǎng)江主航道類(lèi)似工程防護(hù)經(jīng)驗(yàn)，將沖刷防護(hù)區(qū)域分為4個(gè)區(qū)域：

（1）群樁基礎(chǔ)防護(hù)區(qū)。

（2）群樁外上下游40m范圍核心區(qū)。

（3）核心區(qū)分別向上下游外延40m永久保護(hù)區(qū)。

（4）永久保護(hù)區(qū)分別向上下游外延30m護(hù)坦區(qū)。

防護(hù)布置如圖3。根據(jù)沉排船作業(yè)平臺(tái)長(zhǎng)度，Z5#橋墩核心區(qū)和永久防護(hù)區(qū)將垂直水流向250m寬度，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度280m的主航道（除樁群基礎(chǔ)）分為42塊依次沉放，主橋墩Z(yǔ)6#，Z7#因距離較近，墩中心距為100m彼此防護(hù)區(qū)重疊，因此采用聯(lián)合防護(hù)布置，將Z6#，Z7#橋墩聯(lián)合防護(hù)區(qū)內(nèi)核心區(qū)和永久防護(hù)區(qū)垂直水流向290m寬度，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度280m的主航道（除樁群基礎(chǔ)）分為54塊依次沉放，每塊排自上而下進(jìn)行沉排，袋裝砂和拋石隨后跟進(jìn)，如圖4。總防護(hù)區(qū)防護(hù)范圍四周采用拋石壓重，保證軟體排不被掀起?？紤]航道內(nèi)落淤過(guò)程及施工難度，選擇在長(zhǎng)江汛期結(jié)束后枯水期施工。

圖3 Z5#橋墩防護(hù)布置

圖4 Z6#，Z7#橋墩防護(hù)布置

4.2 沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)

護(hù)底防護(hù)結(jié)構(gòu)有剛性和柔性兩種性質(zhì)護(hù)底形式。鋼絲石籠和混凝土護(hù)底屬于剛性防護(hù)，軟體排則屬于柔性防護(hù)。

4.2.1 鋼絲石籠

在主航道護(hù)底工程中施工難度較大，且鋼絲耐久性不易保證，采用合金鋼絲可以大大延長(zhǎng)其壽命，但是造價(jià)較高；拋石防護(hù)應(yīng)用較多，因塊石粒徑大，塊石間空隙率較大，需要設(shè)置可靠的反慮防止拋石下的泥沙顆粒通過(guò)拋石孔隙被淘刷，在軟體排和拋石之間設(shè)置砂袋過(guò)渡層，以達(dá)到更好的防護(hù)效果。橋墩沖刷防護(hù)應(yīng)在吸取國(guó)內(nèi)外類(lèi)似大橋防護(hù)工程成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合橋位處水文、地質(zhì)條件和施工條件等確定可行有效的防護(hù)方案、防護(hù)時(shí)機(jī)及實(shí)施方案。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相似工程實(shí)例的調(diào)研和研究，護(hù)底結(jié)構(gòu)選型：

（1）群樁基礎(chǔ)處采用加長(zhǎng)袋裝砂+級(jí)配碎石+拋石壓重。

（2）核心區(qū)采用砂肋軟體排（380g/m2）+袋裝砂+拋石防護(hù)。

（3）永久保護(hù)區(qū)采用砂肋軟體排（230g/m2）+拋石防護(hù)，護(hù)坦采用拋石防護(hù)，護(hù)坦上下游采用1∶3的坡比與河床銜接。結(jié)構(gòu)如圖5，圖6。

圖5 樁群基礎(chǔ)沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)

圖6 核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)

4.2.2 袋裝砂

群樁基礎(chǔ)防護(hù)區(qū)采用8m×1.2m×0.6m長(zhǎng)條袋裝砂，核心區(qū)袋裝砂采用1.6m×1.6m×0.6m方形袋裝砂，袋裝砂采用河砂，粒徑大于0.07mm，土工編織袋內(nèi)層為毛氈、外層為丙綸的復(fù)合編織土工布。經(jīng)砂袋試拋試驗(yàn)，當(dāng)砂袋個(gè)重6.5t時(shí)，不再發(fā)生位移。主墩外側(cè)流速最大區(qū)域在鋪設(shè)6.5t時(shí)，呈穩(wěn)定無(wú)位移狀態(tài)，因此采用加長(zhǎng)袋裝砂（6.5t）。

根據(jù)類(lèi)似工程試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，處于相同區(qū)域，同一重量沙袋的形狀、鋪設(shè)方式所引起砂袋穩(wěn)定狀況差別較大。矩形砂袋采用豎向鋪設(shè)后比采用橫向鋪設(shè)穩(wěn)定。矩形砂袋豎向鋪設(shè)時(shí)，翻滾半徑較長(zhǎng)，不易縱向翻滾。此外，應(yīng)控制護(hù)底砂袋的充盈度，一般在0.7～0.8較好。考慮群樁基礎(chǔ)施工特點(diǎn)，采用加長(zhǎng)矩形袋裝砂尺寸8m×1.2m×0.6m，在每排鋼護(hù)筒之間拋投，可利用平臺(tái)鋼管樁、鋼護(hù)筒阻止其翻滾，達(dá)到較好穩(wěn)定性。

4.2.3 壓重塊石

根據(jù)試拋試驗(yàn)成果，單塊塊石最小穩(wěn)定重量定為18kg，考慮施工條件及水流復(fù)雜情況，采用單塊最小重量20kg。護(hù)面塊石規(guī)格20～80kg，且要求50～80kg塊石不少于50%。表層盡量選用較大粒徑的塊石護(hù)面。不同防護(hù)區(qū)域頂高程不同處銜接坡比不小于1∶3。

4.3 軟體排施工質(zhì)量控制

為滿足工程施工精度要求，采用倒垂線法及人工潛水方法進(jìn)行軟體排搭接檢測(cè)。探摸沉排完成后，監(jiān)理人員參加對(duì)每幅排的6點(diǎn)浮標(biāo)檢測(cè)，即排頭、排尾邊沿兩點(diǎn)，沿堤軸線排體邊沿兩點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，檢查排體的鋪設(shè)位置與上幅排的搭接寬度是否滿足設(shè)計(jì)要求，并作記錄。同時(shí)根據(jù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行潛水探摸，確保排與排之間搭接大于等于2m。按照上幅排布收縮最大處位置，在保障有2m排體搭接的基礎(chǔ)上，進(jìn)行下一幅排體檢測(cè)。

4.4 拋投壓重施工質(zhì)量控制

由于水流條件復(fù)雜和水下施工難度較大，水下拋投袋裝砂及拋石存在諸多不確定性，施工過(guò)程中及時(shí)測(cè)量拋后水下地形。每完成一個(gè)區(qū)域即進(jìn)行測(cè)量檢驗(yàn)，對(duì)誤差較大的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)拋，以保證達(dá)到設(shè)計(jì)的拋填厚度。

拋投過(guò)程中每天采用單波束測(cè)深儀觀測(cè)河床變化情況，分析拋投效果。同時(shí)每周采用多波速測(cè)深儀全面觀測(cè)拋投效果，該技術(shù)具有測(cè)量范圍大、速度快、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。能精確反映河床的細(xì)微變化。

軟體排施工及拋投檢測(cè)結(jié)果如表1。

表1 防護(hù)施工檢測(cè)結(jié)果

由檢測(cè)結(jié)果可知，軟體排鋪設(shè)、壓重料拋投均滿足要求。

防護(hù)施工在汛期后施工，由于河道落淤，沖坑有回填現(xiàn)象，防護(hù)施工時(shí)經(jīng)測(cè)量沖坑深度最大為4.3m，在鋪設(shè)軟體排之前將最大沖深處進(jìn)行拋石處理 （拋石厚度2m）后實(shí)施軟體排鋪排。防護(hù)施工完成后防護(hù)結(jié)構(gòu)層表面基本與原河床面持平。防護(hù)剖面如圖7。

圖7 防護(hù)后剖面河床剖面

4.5 防沖刷效果及后期維護(hù)

沖刷是與流場(chǎng)相關(guān)的，流場(chǎng)變化沖刷情況會(huì)隨著變化。因此采用多波速檢測(cè)方法，每年汛期前后檢測(cè)沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)沖淤情況，對(duì)于不滿足要求的防護(hù)部位，采用拋石補(bǔ)拋及綠格石籠護(hù)腳等修復(fù)措施。

根據(jù)后期沖刷測(cè)量結(jié)果，群樁基礎(chǔ)防沖刷防護(hù)區(qū)域邊緣及核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)、護(hù)坦區(qū)接觸部位有不同程度沖蝕，與設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)最大差值達(dá)0.8m。經(jīng)分析采用補(bǔ)拋4m×4m×1.2m綠格石籠網(wǎng)在防護(hù)區(qū)域四邊及各防護(hù)區(qū)域接茬部位進(jìn)行防沖刷管理維護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）長(zhǎng)江深水群樁基礎(chǔ)砂肋軟體排+袋裝砂+拋石防護(hù)組合成套防護(hù)施工技術(shù)，保證池州長(zhǎng)江公路大橋高效高質(zhì)量地完成施工。為類(lèi)似工程的橋墩沖刷處理提供借鑒。

（2）防水軟排施工對(duì)于測(cè)量定位的精度要求較高，對(duì)大型鋪排船、拋石船施工組織要求較高，小型項(xiàng)目難以承擔(dān)。建議繼續(xù)研究群樁沖刷防護(hù)措施及施工技術(shù)，以便于中小型工程能夠應(yīng)用。

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