東海大橋橋墩過(guò)度沖刷區(qū)域防護(hù)技術(shù)研究

王 瑜

（上海市交通建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，上海市200030）

0 引 言

東海大橋是我國(guó)第一座外海跨海大橋，2005 年建成通車，標(biāo)志著中國(guó)大橋建設(shè)由江河時(shí)代邁入到海洋時(shí)代，更是讓上海港跳出黃浦江，擁有了真正的深水碼頭岸線，為上海建成國(guó)際航運(yùn)中心提供了重要的硬件環(huán)境。該大橋位于杭州灣東北部水域，北接上海蘆潮港，南接小洋山島洋山深水港區(qū)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為高速公路，設(shè)計(jì)速度80 km，橋梁總寬31.5 m，為雙向6 車道，全長(zhǎng)約32.5 km。大橋的安全運(yùn)行事關(guān)重大，其中群樁基礎(chǔ)橋墩承臺(tái)周邊的沖刷坑是影響大橋結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素，國(guó)內(nèi)外歷史資料表明，橋墩基礎(chǔ)沖刷是河口及沿海地區(qū)橋梁普遍存在的問(wèn)題[1]。蘇通大橋主塔墩群樁基礎(chǔ)施工中，采用了拋投袋裝沙作防護(hù)，較好地解決了施工期間的橋墩沖刷問(wèn)題[2]，但建成通車以后北側(cè)橋墩附近河床沖刷嚴(yán)重，2017年對(duì)北引橋22 個(gè)受沖刷橋墩緊急實(shí)施了拋石防護(hù)[3]。我國(guó)對(duì)河流上的橋墩局部沖刷做過(guò)大量研究，但感潮河口及沿海地區(qū)的跨江跨海橋梁研究很少，東海大橋海域的自然環(huán)境條件極其復(fù)雜，橋墩區(qū)域沖刷受到水下構(gòu)筑物與水流、波浪和泥沙的共同作用影響，對(duì)于其沖淤變化機(jī)理缺少了解。相鄰的杭州灣跨海大橋也存在潮流沖刷問(wèn)題，2020 年底開(kāi)發(fā)了橋墩局部沖刷的DAS 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，希望通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)橋墩周邊海床面地形變化數(shù)據(jù)，開(kāi)展橋墩周邊沖刷狀況及開(kāi)展沖淤演變趨勢(shì)分析。

區(qū)別于蘇通大橋徑流為主的感潮河段，東海大橋海域潮流表現(xiàn)為明顯的往復(fù)流，流向基本垂直于東海大橋軸線。根據(jù)東海大橋海域歷年沖淤監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，大橋橋址水域除局部略有淤積外，普遍處于沖刷狀態(tài)，對(duì)比2017 年和大橋建設(shè)前2002 年的海床測(cè)圖，已發(fā)生累計(jì)平均沖深2.0～3.0 m, 最大沖深4～5 m[4]。大橋建成后，橋墩沖刷坑隨之出現(xiàn)并呈現(xiàn)逐年加深，部分樁基沖刷深度超過(guò)設(shè)計(jì)警戒值，樁身應(yīng)力接近容許值。沖刷坑形態(tài)表現(xiàn)多樣，其大小、方向、位置除了與自然條件相關(guān)外，還與墩臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸和群樁數(shù)量相關(guān)，總體呈現(xiàn)為迎水面和兩側(cè)沖刷大，發(fā)生有最大沖刷深度[5]。為避免局部沖刷深度進(jìn)一步增大而影響樁基安全，需對(duì)橋墩樁基承臺(tái)及周邊區(qū)域進(jìn)行護(hù)底防護(hù)，確保東海大橋的結(jié)構(gòu)和正常運(yùn)營(yíng)安全，國(guó)內(nèi)外相似工程的實(shí)踐案例較少。

1 工程方案

1.1 概述

東海大橋橋墩過(guò)度沖刷防護(hù)試驗(yàn)工程的原則是控制樁基區(qū)域的沖刷深度和范圍，增加海床抗沖刷能力，減少海床顆粒起動(dòng)。根據(jù)橋墩區(qū)域的沖刷形態(tài)，防沖刷保護(hù)范圍分為兩部分，一部分為沖刷坑主體的保護(hù)，另一部分為沖刷坑兩側(cè)的保護(hù)，沖刷坑兩側(cè)的保護(hù)主要是防止沖刷坑主體保護(hù)后，沖刷坑周邊水流形態(tài)發(fā)生變化，引起沖刷坑周邊的沖刷。東海大橋海域潮汐類型為非正規(guī)半日淺海潮，潮汐日不等現(xiàn)象較為明顯，落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)，平均水位0.23 m（國(guó)家85 高程，下同），平均高潮位1.86 m，平均低潮位-1.34 m，漲落潮流呈明顯的往復(fù)流，流向基本垂直于東海大橋軸線，設(shè)計(jì)最大底流速2.4 m/s。

1.2 護(hù)面塊體重量計(jì)算

考慮采用防護(hù)結(jié)構(gòu)表面拋塊石或袋裝混凝土增加海床的抗沖刷能力，穩(wěn)定重量計(jì)算有多種計(jì)算方法，常用計(jì)算方法有鐵道部科學(xué)研究院研究公式、美國(guó)高速公路管理局推薦的Richardson 方法、Chiew（1995 年）推導(dǎo)公式和《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 154—2018）護(hù)底塊石穩(wěn)定重量的規(guī)定，底流速按2.4 m/s 計(jì)，護(hù)面塊體重量結(jié)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 護(hù)面塊體重量結(jié)算結(jié)果

考慮施工海域流速較大且流場(chǎng)復(fù)雜，群樁阻水效應(yīng)水流挾沙能力進(jìn)一步加強(qiáng)，增加安全系數(shù)，護(hù)面材料的重量確定為100～150 kg，換算粒徑約為40～50 cm。設(shè)計(jì)采用100～150 kg 袋裝混凝土作為護(hù)面材料。

1.3 單個(gè)橋墩防護(hù)范圍計(jì)算

橋墩局部沖刷防護(hù)范圍考慮適用性，采用戴榮堯公式。戴榮堯建議從設(shè)置防護(hù)時(shí)渦帶的強(qiáng)度及其影響范圍所涉及的因素來(lái)研究防護(hù)尺寸，通過(guò)將試驗(yàn)資料點(diǎn)繪并經(jīng)曲線擬合，得以下計(jì)算式：

式中：L 為墩前防護(hù)長(zhǎng)度，m；K 為安全系數(shù)，采用K=1.3；v 為一般沖刷后墩前行近流速，m/s；h′為有效水深，h′≈h/2，m；h 為一般沖刷后水深，m；g 為重力加速度，m/s2；

經(jīng)計(jì)算，得到?jīng)_刷防護(hù)范圍為橋墩基礎(chǔ)周圍約10～15 m，具體根據(jù)不同橋墩結(jié)構(gòu)尺寸及目前沖刷區(qū)域確定防護(hù)范圍。

1.4 試驗(yàn)工程方案

為研究在不同自然條件和結(jié)構(gòu)形式下防護(hù)工程的技術(shù)工藝和防護(hù)效果，分別選取淺水區(qū)、深水區(qū)代表性橋墩開(kāi)展防護(hù)試驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)的東海大橋橋墩沖刷防護(hù)方案優(yōu)化和全面施工等提供科學(xué)依據(jù)。本次防護(hù)設(shè)計(jì)選取7 個(gè)典型橋墩，分別為PM135～PM137、PM434、PM435、PM437、PM438。

（1）PM135～PM136：處于蘆潮港側(cè)淺水區(qū)，填充沖刷坑主體。-19.00 m 以下拋投袋裝碎石作為反濾層，防止原沖刷坑底的淤泥及粉土底質(zhì)受紊流作用而被淘刷；表層拋填1.5 m 厚袋裝混凝土干混料作為護(hù)面，防止表面沖刷。

（2）PM137：處于蘆潮港側(cè)淺水區(qū)，填充沖刷坑及沖刷坑兩側(cè)。沖刷坑填充方案同PM135～PM136。兩側(cè)防護(hù)采用混凝土連鎖塊軟體排+ 柵欄板壓邊：連鎖塊尺寸0.48 m×0.48 m×0.20 m，間隔0.02 m，軟體排外側(cè)連續(xù)布置柵欄板壓邊，尺寸為6 m×6 m×0.40 m，間隔0.40 m。

（3）PM434～PM435：處于小洋山側(cè)深水區(qū)，填充沖刷坑及沖刷坑兩側(cè)防護(hù)，方案同PM137。

（4）PM437：處于小洋山側(cè)深水區(qū)，填充沖刷坑及四周防護(hù)，采用袋裝碎石+ 袋裝干混料+ 復(fù)合材料勾連體防護(hù)方案。主體防護(hù)區(qū)43.21 m×28.74 m（橫橋向×順橋向）自下而上依次為：-22.00 m 以下拋投袋裝碎石，-22.00～-20.50 m 拋投1.5 m 厚袋裝混凝土干混料，-20.50 m 以上拋投1.00 m 厚袋裝碎石。主體防護(hù)區(qū)四周分兩層外擴(kuò)拋投復(fù)合材料勾連體，分別是橫橋向外7.50 m、順橋向外6.25 m 拋投兩層復(fù)合材料勾連體（每平方米不少于8 個(gè)，單重約30 kg），再向外橫橋向7.50 m、順橋向6.25 m 拋投三層復(fù)合材料勾連體（每平方米不少于10 個(gè)，單重約30 kg）。

（5）PM438：處于小洋山側(cè)深水區(qū)，包括沖刷坑及四周防護(hù)，采用袋裝碎石+ 袋裝干混料+ 勾連體防護(hù)方案。主體防護(hù)區(qū)范圍48.01 m×35.06 m（橫橋向×順橋向）方案同PM437。主體防護(hù)區(qū)四周拋投勾連體，向外橫橋向15 m、順橋向12.5m 拋投三層勾連體（每平方米不少于10 個(gè)，單重約10 kg）。

2 施工工藝和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 軟體排鋪設(shè)

混凝土聯(lián)鎖塊軟體排是一種較為常見(jiàn)的固沙保灘的防護(hù)設(shè)計(jì)，在長(zhǎng)江口航道整治工程中普遍采用，采用專業(yè)鋪排船鋪設(shè)，施工工藝成熟。該工程受東海大橋橋墩結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力條件影響，軟排體鋪設(shè)方向?yàn)榇怪庇诖髽蜉S線方向，從內(nèi)向外鋪設(shè)。為有效防止施工船舶碰撞橋墩，鋪設(shè)時(shí)聯(lián)鎖塊運(yùn)輸船頂流靠檔鋪排船，軟體排鋪設(shè)時(shí)鋪排船由內(nèi)往外順流進(jìn)行鋪設(shè)。軟體排護(hù)底鋪設(shè)工藝流程如圖1 所示。

圖1 軟體排護(hù)底鋪設(shè)工藝流程圖

2.2 柵欄板安裝

施工區(qū)域水深較深，PM137 處泥面標(biāo)高-13～-15 m，PM434、PM435 處泥面標(biāo)高-19～-23 m，柵欄板在安裝過(guò)程中受水流影響易發(fā)生偏移，安裝難度較大。本工程專門開(kāi)發(fā)了定位系統(tǒng)軟件，對(duì)柵欄板施工安裝進(jìn)行深水精確定位。測(cè)量定位系統(tǒng)由傾斜儀和兩套GPS、紅外線掃描儀、吊桿和吊索等組成，其原理為利用受力鋼絲繩呈直線狀態(tài)，施工過(guò)程中通過(guò)測(cè)量鋼絲繩傾斜度，由水面上吊架坐標(biāo)推算水下柵欄板坐標(biāo)位置，并以圖像形式在軟件界面上顯示。操作人員監(jiān)控柵欄板、勾連體定位框的實(shí)時(shí)位置和與設(shè)計(jì)位置的相對(duì)關(guān)系，指揮吊車司機(jī)操縱起重設(shè)備，移動(dòng)調(diào)整至設(shè)計(jì)位置。水下柵欄板定位安裝流程如圖2 所示。

圖2 水下柵欄板安裝流程圖

2.3 袋裝碎石及干混料拋填

東海大橋橋墩跨度有50 m、60 m、70 m 等，減去墩臺(tái)寬度，橋墩間最小有效距離約40 m，一般非通航孔橋面以下有效凈空高度8.8 m，橋墩群樁基礎(chǔ)由8～20 根鋼管樁組成。針對(duì)該實(shí)際情況，傳統(tǒng)的網(wǎng)兜拋石、開(kāi)體駁拋石等施工工藝不能滿足設(shè)計(jì)施工要求，現(xiàn)有船機(jī)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)在橋下駐船施工，進(jìn)行沖刷坑核心區(qū)域拋填作業(yè)。施工專門設(shè)計(jì)研制了斜向溜筒拋石船[6]，對(duì)甲板駁改造設(shè)置斜向溜筒拋石機(jī)構(gòu)，其具備臺(tái)車橫移、溜筒旋轉(zhuǎn)變幅等功能。施工中可根據(jù)不同的水位及樁基情況，準(zhǔn)確地斜向插入樁群內(nèi)部，然后袋裝碎石、干混料由皮帶機(jī)喂料通過(guò)溜筒拋填至沖刷坑內(nèi)部，減少對(duì)樁基的沖擊及對(duì)保護(hù)層陽(yáng)極塊的刮蹭。同時(shí)，配套的三維監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示溜筒與任意鋼管樁的相對(duì)位置關(guān)系，并具有碰撞報(bào)警功能，避免了溜筒插樁作業(yè)時(shí)對(duì)下部基礎(chǔ)的影響。袋裝碎石及干混料拋填工藝流程如圖3 所示。

圖3 袋裝碎石及干混料拋填工藝流程圖

2.4 主動(dòng)勾連體安裝

主動(dòng)式勾連體外層為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，內(nèi)部為C30 混凝土，在深水區(qū)域人工直接拋投易受水流沖刷影響，水上拋投定位和漂移量很難精確控制。工程采用直徑1 m 的直溜筒進(jìn)行定點(diǎn)定量拋投，可精確定位至距泥面1 m 位置，按照設(shè)計(jì)的勾連體每平方模數(shù)，每平方8 個(gè)或10 個(gè)進(jìn)行數(shù)量控制。拋填采用網(wǎng)格化控制，每個(gè)網(wǎng)格1 m×1 m 進(jìn)行編號(hào)，通過(guò)錨機(jī)進(jìn)行船舶移動(dòng)定位。

3 工后監(jiān)測(cè)

東海大橋橋墩過(guò)度沖刷區(qū)域防護(hù)試驗(yàn)工程2019年5 月主體完成，監(jiān)測(cè)單位于7 月開(kāi)始工后測(cè)量，至2020 年3 月共開(kāi)展8 次多波束水深監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)拋填標(biāo)高明顯不到位的，利用袋裝干混料進(jìn)行補(bǔ)拋找平。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：

（1）PM135、PM136、PM137 橋墩區(qū)域沖刷仍有發(fā)展，對(duì)比2019 年12 月、2020 年1 月測(cè)量成果，低于設(shè)計(jì)標(biāo)高的范圍擴(kuò)大，PM137 橋墩樁基中部附近出現(xiàn)較大低于-16.0 m 標(biāo)高的區(qū)域。2020 年3 月測(cè)量成果表明橋墩樁基中部區(qū)域存在局部低洼坑。

（2）PM434、PM435 橋墩防護(hù)軟體排鋪設(shè)整體良好，少數(shù)壓排柵欄板有相互翹搭和超排布邊界情況。測(cè)量顯示2019 年8 月-11 月對(duì)低于設(shè)計(jì)標(biāo)高區(qū)域補(bǔ)拋后水下地形比較穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯的沖刷現(xiàn)象。

（3）PM437、PM438 橋墩沖刷坑周邊防護(hù)勾連體基本上按設(shè)計(jì)范圍拋投，且基本圍成“回”形區(qū)域，但PM438 橋墩西側(cè)存在約15 m 缺口。測(cè)量顯示2019年8 月至11 月對(duì)低于設(shè)計(jì)標(biāo)高區(qū)域補(bǔ)拋后水下地形比較穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯的沖刷現(xiàn)象。

（4）橋墩兩側(cè)防護(hù)范圍外的地形均有沖刷，PM434-PM435、PM437-PM438 附近沖刷較大，2018年6 月至2020 年3 月，平均沖刷深度約1.5 m；PM135-137 附近沖刷相對(duì)較小，2018 年6 月至2020 年3，平均沖刷深度約0.7 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）大橋橋墩過(guò)度沖刷區(qū)域的防護(hù)設(shè)計(jì)方案總體效果明顯，達(dá)到試驗(yàn)工程目的。東海大橋海域沖淤變化呈現(xiàn)為沖刷態(tài)勢(shì)，防護(hù)工程的實(shí)施，保證了橋墩防護(hù)區(qū)域的穩(wěn)定；填充結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，軟體排及勾連體保護(hù)區(qū)域水深未發(fā)現(xiàn)明顯變化；但橋墩防護(hù)范圍以外的沖刷仍在持續(xù)，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)做好定期監(jiān)測(cè)。

（2）監(jiān)測(cè)結(jié)果分析表明，沖刷坑拋填存在泥沙淘蝕、拋填料下沉的情況，實(shí)施了護(hù)面護(hù)灘防護(hù)的沖刷坑穩(wěn)定性明顯較好，因此防護(hù)措施的完整性對(duì)防護(hù)效果至關(guān)重要。由于海域水深流急，軟體排鋪設(shè)、柵欄板壓邊的施工工效低，有必要對(duì)設(shè)計(jì)方案或施工工藝進(jìn)行完善。

（3）拋填袋裝碎石和干混料施工中，水流波浪條件對(duì)施工安全質(zhì)量的影響干擾都很大，船舶錨泊定位難，拋填料整體平整度不佳，存在部分區(qū)域標(biāo)高低于設(shè)計(jì)要求。水下拋填料施工需研究進(jìn)一步改進(jìn)施工設(shè)備，提高樁群中心區(qū)拋填的安全控制和水下拋填質(zhì)量精度。

（4）護(hù)面使用袋裝干混料工程效果不佳。專項(xiàng)試驗(yàn)顯示，2019 年5 月17 日使用鋼絲網(wǎng)兜將干混料試驗(yàn)樣本吊放施工水域，2019 年12 月10 日取出檢查，編制袋完好，干混料部分凝結(jié)成塊體但較為松散，硬化強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。