深水圓端型沉井基礎(chǔ)沖刷防護(hù)研究

趙 東 梁，馮 先 導(dǎo)，韓 鵬 鵬，陸 榮 偉

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430048； 2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430048； 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430048； 4.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004)

0 引 言

橋墩沖刷問題的本質(zhì)為橋墩周圍流場作用下的泥沙輸移[1]，橋墩沖刷過程一般分為自然演變沖刷、一般沖刷、局部沖刷3個獨(dú)立部分[2]。橋墩等水工結(jié)構(gòu)物壓縮河床斷面的水流過流面積，引起橋位處河床的沖刷，稱為一般沖刷。橋墩阻擋水流后，導(dǎo)致行進(jìn)水流從橋墩兩側(cè)加速繞流產(chǎn)生復(fù)雜的漩渦結(jié)構(gòu)，在橋墩周圍分離出三維邊界層，產(chǎn)生高紊動、高流速特性的局部水流，由這種水流造成的橋墩附近沖刷稱為局部沖刷[3]。一般沖刷和局部沖刷交織在一起同時發(fā)生，過程十分復(fù)雜[4]。許多學(xué)者對橋墩沖刷做了大量研究，如Arenson等[5]研究了大跨度橋梁3類沖刷占橋下總沖刷量的占比；Hughes等[6]分析了橋梁樁基礎(chǔ)的沖刷承載性能；鄭鋒利等[7]通過封閉水槽試驗研究了沉井著床期間的河床局部沖刷深度及沖刷形態(tài)；Coleman等[8]探討了埋深對沉井沖刷深度的影響；倪飛等[9]研制了一種模型橋墩局部沖刷地形等值線自動繪制裝備；高文廉[10]基于FLUENT對圓柱體橋墩的定床、動床水流沖刷情況進(jìn)行了計算分析；劉震卿[11]基于流體動力學(xué)開展了橋梁墩臺局部沖刷的研究，并對常用的沖刷防護(hù)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述；Xiang等[12]對海中不同截面形狀的橋梁基礎(chǔ)在單向流和潮流引起的局部沖刷進(jìn)行了實驗研究；熊文等[13]提出了一種基于動力特征識別的橋墩沖刷狀態(tài)分析理論。研究發(fā)現(xiàn)，超過半數(shù)的橋梁損毀與沖刷有關(guān)[14]，局部沖刷對橋墩底部沖刷坑深度的影響遠(yuǎn)大于其他兩種沖刷，可見局部沖刷是橋梁垮塌的主要原因之一[15]。因此，橋墩局部沖刷也成為研究的重點(diǎn)。

局部沖刷受水流形態(tài)、床沙組成、橋墩墩型、河床形態(tài)等多因素共同影響。大型橋梁橋墩沖刷一般通過物理模型試驗預(yù)測沖刷深度，也可通過規(guī)范公式進(jìn)行計算。目前，國內(nèi)外學(xué)者總結(jié)了大量的橋墩局部沖刷深度計算公式[16]，其中大多是基于水槽試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測資料建立的經(jīng)驗公式或半理論半經(jīng)驗公式，具有一定的局限性[17]；同時，國內(nèi)外的橋墩局部沖刷公式差異較大，特別是針對復(fù)雜橋墩結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果差距較大[18]。

橋墩局部沖刷分析常采用的方法包括原位觀測、水槽試驗和數(shù)值模擬[4]。原位觀測通過對橋墩局部沖刷進(jìn)行長期的連續(xù)現(xiàn)場監(jiān)測，能夠有效地觀測到局部沖刷坑隨時間的變化情況。水槽試驗有助于研究沖刷過程中的各種流動現(xiàn)象和沖刷機(jī)理，歸納局部沖刷深度的影響因素及規(guī)律，方便指導(dǎo)工程應(yīng)用，但試驗中縮尺模型帶來的尺度效應(yīng)、特殊流動條件下的沖刷研究目前仍是水槽試驗面臨的難題。數(shù)值模擬方法能夠有效避免水槽試驗中設(shè)備擾動、模型縮尺效應(yīng)、復(fù)雜流動等問題，幫助深入分析復(fù)雜湍流和局部沖刷的作用機(jī)理，但橋墩局部沖刷模擬結(jié)果的精度很大程度上取決于選擇的泥沙輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型和湍流數(shù)學(xué)模型[4]。

針對橋梁施工中沉井基礎(chǔ)的沖刷問題，高正榮等[19-20]通過物理模型試驗研究了鋼沉井下沉過程中的局部沖刷機(jī)理和沖刷形態(tài)，并針對滬通大橋29號沉井下沉施工易沖刷的問題，開展了河床預(yù)防護(hù)試驗研究。楊程生等[21]針對甌江北口大橋中塔沉井在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地質(zhì)條件下的局部沖刷問題開展了物理模型試驗研究，揭示了淤泥粉質(zhì)黏土在水流作用下的沖蝕剝離形態(tài)，為試驗中模型砂的選擇提供了重要依據(jù)。

實際工程中往往地質(zhì)條件復(fù)雜，各類土層相互交叉，為數(shù)值模擬、模型試驗的沖刷問題研究帶來很大的難度，并且采用數(shù)值模型研究粉質(zhì)黏土的沖刷問題本身存在很大的不確定性。因此，本文針對常泰長江大橋中塔5號沉井的沖刷防護(hù)問題，開展室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場原位沖刷實測的對比分析研究，為深水大型沉井基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)措施提供參考。

1 工程概況

常泰長江大橋連接江蘇省常州市和泰州市，為主跨1 176 m的雙層斜拉橋。5號主塔基礎(chǔ)為目前世界上最大的水中圓端型沉井基礎(chǔ)，位于長江主航道北側(cè)靠泰州一側(cè)。沉井長軸中軸線與水流常流向有6°的夾角；沉井底面尺寸95.0 m×57.8 m，圓端半徑28.9 m；沉井頂高程7.0 m，底高程-65.0 m，總高72.0 m；沉井外井壁厚1.8 m，內(nèi)井壁厚2.0 m，隔墻厚度為1.4 m。5號墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 5號墩沉井結(jié)構(gòu)(單位：cm)

1.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件是影響局部沖刷的重要因素，5號墩沉井位于主航道北側(cè)，地形平穩(wěn)。河床平均標(biāo)高-14.50 m。-14.50～-17.22 m為表層松散粉砂層；-17.22～-27.25 m 為粉質(zhì)黏土層，其中-17.22～-24.50 m存在分布不均的硬塑粉質(zhì)黏土層；-27.25～-33.65 m為中密細(xì)砂層；-33.65～-39.89 m為中密粉砂層；-39.89～-50.33 m為密實細(xì)砂層；-50.33～-56.83 m 為密實中砂層；-56.83～-65.00 m為密實粗砂層，持力層為密實粗砂層。

1.2 實測流速

橋位斷面垂線平均最大流速為1.93～2.10 m/s(20 a一遇洪水)，枯水期垂線平均最大流速低于1.05 m/s?？菁敬蟪焙椭谐毕嗖畈淮螅骄涑绷魉贋?.5～0.8 m/s，平均漲潮流速小于0.57 m/s。沉井施工從2019年12月28日出塢浮運(yùn)開始，至2020年12月28日終沉結(jié)束。整個施工階段，與沉井基礎(chǔ)沖刷防護(hù)關(guān)系密切的關(guān)鍵施工工序有2020年1月22日完成的定位著床、2020年3月初進(jìn)行的拋石防護(hù)。2019年12月至2020年9月，根據(jù)現(xiàn)場所測流速進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到沉井位附近各月平均流速和平均流速大于1.0 m/s及1.5 m/s的概率如圖2所示。

圖2 5號墩附近各月現(xiàn)場實測流速

2 模型試驗

2.1 試驗方案

模型試驗在長34 m、凈寬4.8 m的水槽中進(jìn)行，泥沙動床段長5 m、寬4.8 m，鋪沙厚度0.6 m，橋墩基礎(chǔ)布置在試驗段的中央。模型設(shè)計時，綜合考慮流速、雷諾數(shù)、水深、水下休止角、橋墩壓縮比等基本條件，確定模型幾何比尺為1∶100，水流連續(xù)相似，流速比尺為1∶10。模型沙經(jīng)過竇國仁公式[17]換算后，采用中值粒徑為0.68 mm的木屑代替。整個模型試驗，模型沙為單一介質(zhì)，沒有考慮實際地質(zhì)條件的泥沙分層和黏性土層的影響。

原始河床面試驗是假定沉井自-14.5 m標(biāo)高原始河床面入土無限深，在1.0，1.5，2.0，2.5 m/s 4組原型流速對應(yīng)的模型流速沖刷2.5 h后，研究河床沖刷狀態(tài)。

挖槽是沉井浮運(yùn)到位前在沉井墩位處開挖基坑，開挖深度為11.5 m，基坑底標(biāo)高到-26 m；開挖范圍為沉井外圈放寬10 m，基坑底與河床面放坡坡比為1∶3。挖槽沖刷模型試驗中，沉井著床入土后，采用1.0，1.5，2.0，2.5 m/s 4組原型流速對應(yīng)的模型流速沖刷2.5 h至床面穩(wěn)定。

挖槽防護(hù)是在沉井入土后，在沉井周圍的基坑內(nèi)填充1m厚的防護(hù)層，防護(hù)層采用中值粒徑為0.184 mm的天然砂。

2.2 試驗結(jié)果分析

(1)原始河床面試驗。在1.0，1.5，2.0，2.5 m/s對應(yīng)的模型流速沖刷后，沉井外壁5 m范圍距離內(nèi)最大沖刷深度河床面高程分別為-28.8，-36.0，-41.8，-44.7 m，沉井前端和兩側(cè)均發(fā)生較大的沖刷，沉井后端尾部沖刷較小。

(2)挖槽試驗。在1.0 m/s流速作用下，基坑底最大沖刷深度為2.0 m，沖深后的高程為-28.0 m，基坑外沉井后端的河床上最大沖刷深度為3.5 m，沖深后的高程為-18.0 m；在1.5 m/s流速作用下，基坑底最大沖刷深度為8.0 m，沖深后的高程為-34.0 m；在2.0 m/s 流速作用下，基坑底最大沖刷深度為14.0 m，沖深后的高程為-40.0 m，基坑外沉井后端的河床上最大沖刷深度為18.0 m，沖深后的高程為-32.5 m；在2.5 m/s流速作用下，基坑底最大沖刷深度為17.4 m，沖深后的高程為-43.4 m。沉井在2.0 m/s流速作用下的模型試驗沖刷狀態(tài)如圖3所示。

圖3 2.0m/s流速作用下的模型試驗沖刷狀態(tài)

(3)挖槽防護(hù)試驗。在1.5 m/s流速作用下，沉井周邊防護(hù)區(qū)基本不發(fā)生沖刷，防護(hù)效果較好，在防護(hù)區(qū)外側(cè)出現(xiàn)沖刷，最大沖刷深度在8.0 m左右；在2.0 m/s流速作用下，沉井前方防護(hù)區(qū)基本不沖，最大沖刷發(fā)生在沉井兩側(cè)，最大沖刷深度為4.0 m左右，在防護(hù)區(qū)外側(cè)最大沖刷深度為13.0 m；在2.5 m/s流速作用下，沉井前方防護(hù)區(qū)基本不沖，兩側(cè)及后方防護(hù)區(qū)發(fā)生沖刷，最大沖刷深度為6.0 m左右，在防護(hù)區(qū)外側(cè)最大沖刷深度為16.0 m。沉井在1.5 m/s流速作用下的模型沖刷狀態(tài)如圖4所示，1.5 m/s流速作用下的沖刷等深線變化結(jié)果如圖5所示。

圖4 1.5 m/s流速作用下挖槽防護(hù)模型試驗沖刷狀態(tài)

圖5 1.5 m/s流速作用下挖槽防護(hù)沖刷等深線變化

3組物理模型試驗中沉井附近最大沖深結(jié)果如圖6所示。可以看出：不同流速作用下，挖槽的最大沖刷深度略小于同一流速下原始河床沖刷深度，說明單一土層地質(zhì)條件下，通過沉井定位著床前在河床上挖槽來降低河床最大沖刷深度的效果不明顯；沉井入土后挖槽內(nèi)拋石防護(hù)可以顯著降低沉井附近河床的沖刷深度；2.5 m/s流速作用下，沉井入土后河床的最大沖刷深度為-44.7 m，這一數(shù)據(jù)對制定沉井下沉施工策略具有重要意義。汛期到來前，若沉井刃腳底標(biāo)高下沉到-44.7 m之下，可有效避免沉井發(fā)生傾斜、偏位風(fēng)險。

圖6 最大沖刷深度

3 現(xiàn)場實測分析

3.1 河床沖刷現(xiàn)場實測結(jié)果

圖7(a)～(c)所示3次基坑開挖后的掃測圖均發(fā)生在沉井定位著床前，其中圖7(a)～(b)發(fā)生在沉井浮運(yùn)到位前，圖7(c)發(fā)生在沉井浮運(yùn)到位后。由圖7(a)～(b)可以看出，在基坑開挖完成后10 d的時間，基坑底沖刷大約0.5 m；由圖7(b)～(c)可以看出，沉井浮運(yùn)到位前后近一個月時間內(nèi)，基坑底部并沒有發(fā)生明顯的沖刷或淤積。

圖7(d)為沉井定位著床后當(dāng)天的掃測圖，顯示著床當(dāng)天沉井前端兩側(cè)和后端靠岸側(cè)發(fā)生輕微沖刷，沖刷深度約1.0 m；至圖7(e)拋石防護(hù)前，沉井前端兩側(cè)最大沖深達(dá)到-28 m高程。

2020年3月初完成拋石防護(hù)施工，在開挖的基坑內(nèi)沉井周圍拋填粒徑5～15 cm的碎石，拋填厚度為1 m。圖7(f)～(i)顯示，拋石防護(hù)之后約4個月的時間，沉井前端兩側(cè)未出現(xiàn)明顯的沖刷。圖7(j)～(k)顯示：7月中下旬至8月，沉井后端靠岸側(cè)和沉井靠岸側(cè)中部出現(xiàn)一定程度的沖刷，最大沖深底標(biāo)高達(dá)到-30.0 m；7、8月份沖刷程度相比5、6月份要嚴(yán)重一些，最大沖深增加2～3 m，與圖2中所示7、8月份水流流速較大有關(guān)；最大沖刷深度發(fā)生在沉井靠岸一側(cè)，這是因為沉井長軸線與水流主流向存在6°夾角所致。圖7(k)～(l)顯示，8～10月，隨著水流流速的降低，河床沖刷基本保持穩(wěn)定，局部最大沖刷深度在往復(fù)潮流作用下出現(xiàn)約1 m的回淤。

圖7 沉井施工過程沖刷實測結(jié)果

3.2 實測結(jié)果與模型試驗對比分析

將沉井施工過程河床沖刷分為出塢浮運(yùn)-拋石防護(hù)前、拋石防護(hù)后-汛期前、7～8月份汛期3個階段，現(xiàn)場實測與模型試驗結(jié)果對比分析如表1所列。

表1 現(xiàn)場實測與模型試驗沖刷結(jié)果對比分析

現(xiàn)場實測沖刷結(jié)果與挖槽試驗的結(jié)果驗證了沉井施工前利用挖槽來防止沖刷的必要性。在挖槽物理模型試驗中，原型流速1.0 m/s作用下基坑外沉井后端河床沖刷后高程為-18.0 m，位于粉質(zhì)黏土層中，1.0 m/s 的流速與沉井定位著床下沉初期流速相近，如果不進(jìn)行施工前挖槽，沉井在下沉初期極有可能面臨難以下沉的風(fēng)險；且粉質(zhì)黏土層中夾雜的硬塑黏土層分布高差較大，極易造成下沉初期沉井傾斜偏位。試驗中在原型流速2.0 m/s作用下，基坑外沉井后端河床上最大沖刷深度為18 m，沖深后高程為-32.5 m，此中2.0 m/s的流速與7、8月份實測最大流速相近，考慮7、8月份沉井下沉狀態(tài)，假如在未挖槽狀態(tài)下到7月份沉井刃腳底標(biāo)高在-32.5 m以上，沉井結(jié)構(gòu)就會存在傾斜、結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險。

現(xiàn)場實測沖刷結(jié)果與挖槽試驗、挖槽防護(hù)試驗的結(jié)果同樣驗證汛期前拋石防護(hù)的重要性。挖槽物理模型試驗中，原型流速2.5 m/s作用下基坑底最大沖深后高程為-43.4 m；現(xiàn)場實測7、8月份最大沖深底標(biāo)高為-30.0 m，拋石防護(hù)有效降低了沖刷深度。挖槽防護(hù)試驗中，原型流速2.5 m/s作用下，基坑底最大沖深后高程為-32.2 m，大于實測基坑最大沖刷標(biāo)高-30 m。造成差異的原因一方面是7、8月份實測流速達(dá)到2.5 m/s的概率??；另一方面是試驗中采用單一土層，而實際地質(zhì)層中存在抗沖刷能力較強(qiáng)的硬塑黏土層。

4 結(jié) 論

(1)研究表明：通過在河床上挖槽來降低河床最大沖刷深度效果不明顯，而沉井入土后挖槽內(nèi)拋石防護(hù)可以顯著降低沉井附近河床的沖刷深度。

(2)物理模型試驗可以較好地預(yù)測河床沖刷形態(tài)，得出最大沖深極值，為制定沉井下沉施工工序提供參考。

(3)在含黏土層、不連續(xù)硬塑粉質(zhì)黏土層的復(fù)雜地質(zhì)條件下，在河床開挖基槽可以有效降低沉井前期施工時發(fā)生傾斜、偏位的風(fēng)險。