東海大橋橋墩沖刷防護工程護底結構穩(wěn)定性試驗研究

楊媛媛，崔 成 ，邢 毅，左書華

(1.上海城投公路投資(集團) 有限公司,上海 200335; 2.交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津 300456)

隨著我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展和社會的需求，在沿海地區(qū)興建的跨海灣、河流和河口大橋已成為連接相關地域的重要交通通道。由于海灣、河流和河口的橋梁工程所處區(qū)域條件往往比較復雜，橋梁基礎受到風、浪、流等綜合因素的影響，橋墩周圍會發(fā)生局部沖刷，降低橋梁基礎的穩(wěn)定性，當局部沖刷達到一定深度時會威脅到橋梁結構的安全。根據(jù)橋梁工程所在水域的水流形態(tài)，橋梁基礎的局部沖刷一般分為單向流沖刷、潮汐往復流沖刷以及潮汐河口混合水流沖刷[1-3]。不同學者針對沖刷坑形成機理和沖刷演化過程等問題做了深入研究，認為漩渦是橋墩局部沖刷的主要因素，包括墩前垂直向下的水流，墩后尾流漩渦和墩兩側的立軸漩渦; 決定橋墩局部沖刷深度的動力條件是墩前角區(qū)主馬蹄渦強度大小[4-5]，不過至今也并沒有形成成熟或公認的預測預報公式。因此，為了確保橋梁施工和運行期橋梁基礎的安全，需要在橋梁建設時對橋梁基礎進行局部防護，其防護措施，一類是采用增加周邊床面抗沖能力的防護措施進行防護，另一類是減小水流沖刷力的工程措施達到防護目的。

常用的防沖刷方法是設置拋石護底，根據(jù)行業(yè)設計規(guī)范可以根據(jù)堤前最大底流速計算所需護底塊石的重量。隨著長江口航道整治工程中應用軟體排護底防沖刷取得成功以來，軟體排在護底工程中的應用越來越廣，具有排水性良好，保沙，低成本，便于大批量生產(chǎn)，施工便捷快速等優(yōu)點。除了用在航道整治和岸灘防護工程中，在近海防波堤護底工程中也有應用，如濱海港防波堤，但是在該工程的排體受力驗算中未考慮波浪作用[6]。僅考慮水流作用對軟體排結構自身穩(wěn)定性影響的研究較多[7-11]，與內(nèi)河水動力條件以水流為主不同，海洋環(huán)境中水動力條件多是波浪與水流共同作用為主，水動力環(huán)境更為復雜。軟體排的破壞部位一般位于排體邊緣和頭部，發(fā)生沖刷塌陷會出現(xiàn)排布損毀或者暴露等問題。何陽等[12]通過物理模型試驗研究了3種不同厚度混凝土塊軟體排在波浪和水流作用下的穩(wěn)定性，分析了特定流速下失穩(wěn)臨界波高。田鵬等[13]結合物理模型實驗結果和數(shù)值模擬結果，分析了軟體排失穩(wěn)的主要影響因素，基于力學平衡原理給出了波浪作用下壓載穩(wěn)定計算方法。網(wǎng)箱石籠結構是在由帶有韌性的合金鋼絲編制成的網(wǎng)箱內(nèi)填充一定數(shù)量的碎石制成。與混凝土澆筑塊體、柵欄板或者塊石護腳結構相比，網(wǎng)箱石籠是柔性的透水結構，受力性能良好。經(jīng)過物理模型試驗可知，同等重量的網(wǎng)箱石籠比混凝土澆筑塊體和柵欄板的壓載穩(wěn)定性好。另外石籠結構具有造價低，施工簡單快速，環(huán)境友好性的特點[14]。網(wǎng)箱石籠在河道治理中應用較多[15-16]。

此外，鉤連體是一種新型的消能防護結構，首次在長江深水航道中應用，現(xiàn)場觀測結果表明，該結構防護范圍內(nèi)泥沙促淤效果明顯，有一定防護作用。鉤連體利用本身構件來逐漸消減水流的動能，減緩流速，即使在水流沖擊下發(fā)生位移、滾動，也能保持高度不變，繼續(xù)發(fā)揮作用。復合材料優(yōu)點是耐久性能、耐疲勞性能、抗拉抗壓性能優(yōu)異，具備較強的防腐蝕能力，適用于海洋工程。

東海大橋北起上海浦東南匯的蘆潮港，跨越杭州灣北部海域，南至浙江省嵊泗縣崎嶇列島的小洋山，全長約32.5 km(圖1)，是上海國際航運中心深水港工程的重要組成部分，于2002年6月開工建設，2005年5月建成通車，橋梁基礎采用高樁承臺結構和圓形基樁形式。東海大橋建成后至今，多年海床掃測成果表明，部分橋墩周圍發(fā)生了明顯的局部沖刷現(xiàn)象，最大沖刷深度已達到或稍超出設計時預估的沖刷深度，自2009年以來最大沖刷深度超過和達到警戒點的數(shù)量逐年在增加，截止2018年沖刷坑底標高低于-19 m的橋墩數(shù)量則達到了284處，其中低于-20 m的有102處，已對橋梁結構安全構成一定的風險，為此迫切需要實施橋墩防護工程，確保橋梁安全運營。

圖1 東海大橋位置圖Fig.1 Location map of Donghai Bridge

本文針對東海大橋典型沖刷橋墩，采用鋪設無壓腳軟體排防護方案和軟體排輔助柵欄板和網(wǎng)箱石籠壓腳優(yōu)化方案及主動鉤連體防護方案，開展波浪與水流作用下的斷面試驗，分析護底結構的穩(wěn)定性，為橋墩防護設計提供科學依據(jù)。

1 物理模型試驗

1.1 試驗條件

根據(jù)本次典型橋墩試驗區(qū)水文全潮試驗結果，推算最大可能垂線平均流速1.98 m/s；水位采用平均水位0.23 m(國家85高程)；根據(jù)嵊山海洋站重現(xiàn)期波要素和《浙江省海塘工程技術規(guī)定》提供的浙北開敞海域的不同重現(xiàn)期波要素，使用MIKE 21軟件包中的 SW波浪數(shù)學模型推算的典型橋墩附近水域的100 a重現(xiàn)期波要素Hs=5.12 m,T=10.5 s。

1.2 試驗設備和儀器

試驗用水槽長90 m、寬3.0 m、高1.5 m。水槽一端配備液壓伺服不規(guī)則造波機及其控制系統(tǒng)，可產(chǎn)生試驗要求的不規(guī)則波浪和規(guī)則波浪，另一端設置消波框減少反射波浪。模型試驗采用可逆泵提供潮流動力，單臺泵可供最大穩(wěn)定流量800 m3/h，可滿足工程試驗段最大流速要求。采用BG-1型波高傳感器采集系統(tǒng)采集波面高度，采用Vectrino聲學多普勒點式流速儀測量流速。

1.3 模型設計

根據(jù)《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規(guī)程》(JTST 231-2-2010)和《波浪模型試驗規(guī)程》(JTJT 234-2001)，按正態(tài)重力相似準則設計模型。結合試驗結構尺度及設備性能等因素確定模型長度比尺，長度比尺設定為λ=30，則時間比尺λt=λ0.5=5.5，重力比尺λG=λ3=27 000。

橋墩結構模擬：采用木板制作墩身和承臺，采用PP-R管材模擬群樁。保證外形幾何尺寸相似。圖2給出了橋墩模型。防護結構模擬如下。

1.3.1 混凝土聯(lián)鎖塊軟體排

波浪作用下軟體排很容易發(fā)生翹起和翻卷失穩(wěn)。因此在波浪動力較強的海域，僅采用軟體排很難滿足穩(wěn)定性要求。東海大橋所在海域潮流動力強，漲落潮最大流速可達2 m/s左右；控制浪向主要為NNE(NE)-E向，大浪受臺風影響較大，距離工程區(qū)較近的大戢山測站實測到7.5 m波高；海床底沙主要為淤泥質(zhì)粉沙，中值粒徑為0.01～0.035 mm?？梢姡瑯騾^(qū)水動力強勁、泥沙環(huán)境復雜。因此為了滿足穩(wěn)定性需求，防止波浪和水流直接作用排體,需要輔助重物壓載排體邊緣和頭部。壓載排腳重物選用網(wǎng)箱石籠和柵欄板。

混凝土聯(lián)鎖塊軟體排的壓載塊尺寸選為48 cm×48 cm×20 cm，重量111 kg，對于壓載塊的模型概化應保證幾何尺度、重量、重心位置等均相似?？紤]到壓載塊的模型尺度和重量較小(模型尺度為16 mm×16 mm×6.7 mm，模型重量為4.0 g)，使用混凝土很難加工成滿足試驗需求的模型壓載塊，選用密度比混凝土略小的塑料(2.0×103kg/m3)作為制作模型壓載塊的原料加工比較方便，按照幾何相似模型尺寸16 mm×16 mm×6.7 mm，重量3.5 g比設計模型重量輕0.5 g，為滿足重量相似在壓載塊內(nèi)嵌入小鐵釘，通過上述方法近似模擬混凝土壓載塊。

排體選用棉布模擬，考慮到加筋條和系結條的模型尺度較小，無法嚴格按照原型構造進行模型加工，使用強力膠直接將壓載塊粘貼到棉布上。加工好的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排模型見圖3、圖4。

圖2 橋墩模型 圖3 混凝土聯(lián)鎖塊軟體排模型Fig.2 Model of pier Fig.3 Model of concrete interlocking block soft mattress

圖4 混凝土聯(lián)鎖塊軟體排防護方案圖Fig.4 Protection scheme of concrete interlocking block soft mattress

1.3.2 壓腳網(wǎng)箱石籠

壓腳網(wǎng)箱石籠尺寸為5 m×2 m×0.5 m，由合金鋼絲編制而成，內(nèi)填塊石，單個網(wǎng)箱整體重8.5～9.0 t。按模型比尺計算得到模型網(wǎng)箱尺度為16.7 cm×6.7 cm×1.7 cm，網(wǎng)箱整體重量315～333 g。加工好的壓腳網(wǎng)箱石籠模型見圖5。

圖5 網(wǎng)箱石籠模型Fig.5 Model of net cage

1.3.3 壓腳柵欄板

壓腳柵欄板尺寸為6 m×6 m×0.3 m(厚)規(guī)格，透空率38%，重16 t，采用水泥添加鐵絲和鐵粉制作模型，除保證外形幾何尺寸相似外，還保證重心位置及重量相似。按比尺計算模型柵欄板尺度為20 cm×20 cm×1.0 cm，重量594 g。加工好的壓腳柵欄板模型見圖6。

圖6 柵欄板模型Fig.6 Model of fence panels

1.3.4 鉤連體

采用含鋅鋼絲制作鉤連體保證足夠的剛度，含鋅鋼絲的密度大于水泥砂漿，通過在鋼絲表層涂油漆以保證鉤連體幾何和重量相似，單個鉤連體模型重量0.9 g，加工好的鉤連體見圖7。圖8給出了試驗布置圖。

圖7 鉤連體模型 圖8 試驗布置圖Fig.7 Model of active ground consolidator Fig.8 Sketch of physical experiment

2 試驗結果

2.1 鉤連體方案

為了進行比較分析，分別對鋪設15 000個鉤連體、鋪設20 000個、鋪設25 000個鉤連體方案開展物理模型試驗。圖9～圖10給出了試驗過程照片。表1給出了試驗結果匯總。

表1 鉤連體方案試驗結果Tab.1 Experimental result of scheme for active ground consolidator

圖9 純水流工況護底結構失穩(wěn) 圖10 波浪和水流組合作用下鉤連體護底結構失穩(wěn)Fig.9 Instability of bottom protection structure for active ground consolidator case under the action of current Fig.10 Instability of bottom protection structure for active ground consolidator case under the combined action of wave and current

從試驗過程和結果可以看出，鋪設15 000個鉤連體方案，在垂向平均流速1.98 m/s純水流作用下，鉤連體之間結合不夠緊密，在水流作用下有明顯的位移，逐漸有臨近的鉤連體勾結成團，露出部分底床，護底結構失穩(wěn)。該工況下，15 000個鉤連體方案不能對底床形成有效防護。

鋪設20 000個鉤連體方案，在垂向平均流速1.98 m/s純水流作用下，有個別鉤連體發(fā)生明顯位移，護底結構沒有發(fā)生明顯變形，能覆蓋整個防護區(qū)域，護底整體穩(wěn)定性較好。該工況下，20 000個鉤連體方案能對底床形成有效防護。在100 a重現(xiàn)期波浪(Hs= 5.12 m，T=10.5 s)與最大可能流(垂向平均流速為1.98 m/s)同向組合作用下，迎浪側大量鉤連體發(fā)生明顯的位移，大量鉤連體相互勾卷成團,露出較大范圍的底床，護底結構失穩(wěn)。波浪和水流反向組合作用下，順浪側有少量鉤連體相互勾卷成團,露出部分范圍的底床，護底結構失穩(wěn)。波浪引起的底流速和水流流速疊加，使作用護底結構的流速增大，從而引起護底結構失穩(wěn)。由于選用波要素為100 a重現(xiàn)期、波高較大、波浪非線性特性明顯，波浪產(chǎn)生的底流速在順浪向較大，因此護底結構迎浪側鉤連體失穩(wěn)率較大。該工況下，20 000個鉤連體方案不能對底床形成有效防護。

鋪設25 000個鉤連體方案，在垂向平均流速1.98 m/s純水流作用下，護底結構沒有發(fā)生明顯變形，能覆蓋整個防護區(qū)域，護底整體穩(wěn)定性較好。該工況下，20 000個鉤連體方案能對底床形成有效防護。在100 a重現(xiàn)期波浪(Hs= 5.12 m，T=10.5 s)與最大可能流(垂向平均流速1.98 m/s)同向組合作用下，護底結構沒有發(fā)生明顯變形，能覆蓋整個防護區(qū)域，護底整體穩(wěn)定性較好。該工況下，20 000個鉤連體方案能對底床形成有效防護。

2.2 軟體排方案

首先開展無壓腳常規(guī)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排在純水流作用下穩(wěn)定性試驗，流速選用最大可能流速，垂向平均流速1.98 m/s。從試驗過程(圖11～圖12)和結果可以看出，在純水流持續(xù)作用下，軟體排護底結構保持穩(wěn)定，能對底床形成有效防護。進一步在100 a重現(xiàn)期波浪(Hs= 5.12 m，T=10.5 s)與最大可能流(垂向平均流速1.98 m/s)組合作用下，試驗軟體排護底的穩(wěn)定性。從試驗過程(圖11)和結果可以看出，在波峰經(jīng)過排體邊緣時，排頭發(fā)生翹起，波峰經(jīng)過后排體回落。隨著波峰值的增加，排頭翹起幅度隨著相應增大，當隨機波列中較大波高作用排體時，排頭翹起幅度較大，瞬間顯著增加了水流與排體作用面積，翹起的排體在水流作用下發(fā)生向順流向翻卷，這種翻卷變形不能恢復，護底結構徹底失穩(wěn)，不能對底床形成有效防護。

圖11 水流作用下軟體排護底結構 圖12 波浪和水流組合作用下軟體排護底結構失穩(wěn)Fig.11 Bottom protection structure for concrete interlocking block soft mattress case under the action of current Fig.12 Instability of bottom protection structure for concrete interlocking block soft mattress case under the combined action of wave and current

與純水流作用不同，在波浪作用下會在排體上下表面形成壓力差，從而使排體翹起，進一步引起護底結構失穩(wěn)。為了能保持護底結構穩(wěn)定性，需要在排體邊緣壓載重物抵抗波浪作用產(chǎn)生的壓力差。

進一步考慮分別在排腳壓載重8.5～9.0 t的網(wǎng)箱石籠和重16 t的柵欄板兩組方案。分別在100 a重現(xiàn)期波浪(Hs= 5.12 m，T=10.5 s)與最大可能流(垂向平均流速1.98 m/s)組合作用下，試驗兩組優(yōu)化方案的穩(wěn)定性。圖13～圖14給出了試驗過程照片。從試驗過程和結果可以看出，在波浪和水流組合作用下，帶壓腳軟體排護底結構保持穩(wěn)定，能對底床形成有效防護。表2給出了軟體排護底方案各組工況試驗結果匯總。

圖13 波浪和水流組合作用下網(wǎng)箱石籠壓腳護底結構穩(wěn)定性 圖14 波浪和水流組合作用下柵欄板壓腳護底結構穩(wěn)定性Fig.13 Concrete interlocking block soft mattress case with net cage under the combined action of wave and current Fig.14 Concrete interlocking block soft mattress case with fence panel under the combined action of wave and current

表2 軟體排方案試驗結果Tab.2 Experimental result of scheme for concrete interlocking block soft mattress

兩組優(yōu)化方案對比，網(wǎng)箱石籠重量僅為柵欄板重量的0.56倍，就能保證護底結構的穩(wěn)定，是因為網(wǎng)箱石籠的透水性更好，能有效減小波浪作用下在結構上下表面形成的壓力差；并且網(wǎng)箱石籠結構是在由帶有韌性的合金鋼絲編制成的網(wǎng)箱內(nèi)填充一定數(shù)量的碎石制成。與混凝土澆筑塊體、柵欄板或者塊石護腳結構相比，網(wǎng)箱石籠有一定柔性，受力性能良好。

3 結論

通過系列工況波流作用下的斷面試驗，結果表明在東海大橋海域100 a重現(xiàn)期波浪(Hs=5.12 m，T=10.5 s)與最大可能流速(1.98 m/s)共同作用下：

(1)對于鋪設25 000個鉤連體方案，護底結構整體穩(wěn)定，對底床能形成有效防護。

(2)對于無壓腳的軟體排方案，軟體排結構迎浪側發(fā)生大幅度翻卷，護底結構失穩(wěn)，不能對底床起到有效的防護作用。

(3)對于軟體排方案分別輔助16 t柵欄板和9 t網(wǎng)箱石籠壓腳，護底結構保持穩(wěn)定，對底床起到有效的防護作用；網(wǎng)箱石籠重量為柵欄板重量的0.56倍，受力性能好，材料利用率高。