閩清大橋橋墩沉井基礎(chǔ)沖刷計(jì)算與防護(hù)實(shí)例分析

■汪冰彬

（福州市閩清公路事業(yè)發(fā)展中心，福州 350800）

隨著交通需求的不斷增加，我國(guó)公路橋梁建設(shè)的規(guī)模和數(shù)量與日俱增[1]。 目前，在諸多大型越江橋梁工程中，多數(shù)橋墩建于水中，橋墩沉井基礎(chǔ)的應(yīng)用越來越廣泛，而局部沖刷也成為了影響橋梁基礎(chǔ)施工和運(yùn)營(yíng)安全的重要因素。 據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋墩沉井著床時(shí)，時(shí)而會(huì)在河床部位產(chǎn)生嚴(yán)重的局部沖刷，造成沉井“前沖后淤”現(xiàn)象；且在無(wú)防護(hù)的情況下，沉井周邊河床局部沖刷深度較大，不利于控制沉井著床姿態(tài)，極大的影響了橋梁的安全運(yùn)營(yíng)[2-4]。

為改善橋墩沉井基礎(chǔ)局部沖刷的問題，橋梁工作者們開展了諸多的探索和研究。 其中，鄭鋒利等[5]和楊程生等[6]通過封閉水槽試驗(yàn)研究了溫州甌江北口大橋中塔沉井的河床局部沖刷深度及沖刷形態(tài)，并指出采用拋填防護(hù)的方法可確保沉井平穩(wěn)安全著床；胡勇[7]和趙東梁等[8]以常泰大橋深水沉井基礎(chǔ)為例，分析了不同基礎(chǔ)截面的數(shù)值模型，并研究了不同施工階段的最大沖刷深度及沖刷形態(tài)，指出圓端型沉井基礎(chǔ)性能最佳，且在沉井入土后挖槽內(nèi)拋石防護(hù)可以顯著降低沉井附近河床的沖刷深度；崔一兵[9]針對(duì)滬通長(zhǎng)江大橋主航道橋29 號(hào)主墩局部沖刷大的問題提出采用拋填防護(hù)，施工后效果明顯；向琪芪[10]通過試驗(yàn)與理論模型分析，提出了懸浮狀態(tài)沉井局部沖刷深度計(jì)算方法。

然而，目前現(xiàn)役橋墩沉井基礎(chǔ)防護(hù)措施設(shè)計(jì)相關(guān)的文獻(xiàn)較少，同時(shí)考慮該種橋梁在長(zhǎng)期的水文變化下，基礎(chǔ)埋深早已不符合要求。 基于此，本研究以服役期內(nèi)的閩清大橋橋墩沉井基礎(chǔ)為例，對(duì)其開展局部沖刷計(jì)算評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)方案探討，以期為同類橋梁沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 橋梁概況

閩清大橋位于S308 線，全長(zhǎng)733.72 m，全橋共8 跨，橋型整體結(jié)構(gòu)見圖1（a）。 該橋上部結(jié)構(gòu)的主橋部分采用8 孔凈跨75 m 的空腹等截面箱形無(wú)較拱。 拱箱高度為1.34 m，拱矢高1/7，拱圈由6 個(gè)拱箱組成，拱上建筑由排架與空心板組成。 下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋墩（1# 墩為擴(kuò)大基礎(chǔ)，2～7# 墩為沉井基礎(chǔ)），空心重力式箱形臺(tái)，兩橋臺(tái)上分別為5 m×5 m 和4 m×5 m 空心板梁。 另外，該橋4#墩為圓形變截面， 墩頂尺寸半徑為9.25 m， 墩底尺寸為11.75 m，除4#墩外的其余墩均為腰型重力式墩，墩頂尺寸為9.85 m×3.8 m （2# 墩頂尺寸為9.85 m×4.2 m），墩身橫截面積從上到下以10∶1 的比例逐漸增大（2#墩為15∶1），實(shí)際墩基礎(chǔ)見圖1（b）。

圖1 閩清大橋概況

2 橋梁現(xiàn)狀評(píng)估

閩清大橋設(shè)計(jì)洪水頻率為50 年一遇，對(duì)應(yīng)洪峰流量為32 600 m3/s，設(shè)計(jì)水位23.479 m（羅零高程），2#～4# 墩流速為2.9 m/s，5#～7# 墩流速為2.2 m/s。 其中，該橋2#～7#橋墩采用沉井基礎(chǔ)，沉井基礎(chǔ)整體性好、剛度大，適用于需要承受較大豎向和水平荷載的深水基礎(chǔ)。

2.1 河床沖刷現(xiàn)狀

根據(jù)2021 年對(duì)該橋橋墩附近最深點(diǎn)與橋梁基礎(chǔ)底部的實(shí)測(cè)標(biāo)高可知，橋墩周邊沖刷最深點(diǎn)距橋墩水平距離均在5 m 以內(nèi)，且3#、4# 橋墩基礎(chǔ)埋深僅1.7～2.2 m。 2021 年閩清大橋橋墩附近的水下等值圖和2#～7#墩的河床斷面變化示意圖見圖2～3。

圖2 閩清大橋橋墩附近水下等值圖（85 高程）

圖3 河床斷面變化示意圖

2# 墩和4# 地質(zhì)情況及沖刷示意圖見圖4。由圖4 可知，現(xiàn)狀河床面已接近各墩位基地，沉井基礎(chǔ)埋深較小，亟需研究當(dāng)前沖刷對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響。

圖4 橋墩地質(zhì)情況及沖刷示意圖

3 橋墩局部沖刷計(jì)算

3.1 計(jì)算依據(jù)

根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015），橋下沖刷包括：河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷三部分。 從橋位河床斷面演變過程來看，橋址處自然演變較為劇烈，自然沖刷幅度較大， 工程河段自然演變規(guī)律和趨勢(shì)還需進(jìn)一步分析。 本研究?jī)H考慮現(xiàn)狀床面開展橋墩局部沖刷深度的計(jì)算。

3.2 局部沖刷計(jì)算方法

依據(jù)橋址斷面地質(zhì)鉆探資料， 計(jì)算公式采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015）中的65-1 修正式：

式中，hb為橋墩局部沖刷坑深度（m）；B1為橋墩計(jì)算深度（m）；ν0為河床泥沙起動(dòng)流速（m/s）；為河床土平均粒徑（mm），適用范圍為0.1～500 mm；ν 為一般沖刷后墩前行進(jìn)流速（m/s），適應(yīng)范圍為0.1～6 m/s；Kε為墩形系數(shù)；Kη為河床顆粒的影響系數(shù)；ν′0為墩前泥沙始沖流速（m/s）；n 為指數(shù)。

局部沖刷后高程與基礎(chǔ)底面高程對(duì)比見表1（羅零高程）。 計(jì)算結(jié)果表明即使采用沖刷坑外側(cè)河床面作為起始地形，2#、3#、4#、7#橋墩仍然存在沖刷至基礎(chǔ)底面以下或安全富余不足的情況，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

表1 局部沖刷后高程與基礎(chǔ)底面高程對(duì)比（羅零高程）（單位：m）

3.3 沉井基礎(chǔ)埋深評(píng)估

根據(jù)現(xiàn)行《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015），基底最小埋深需滿足規(guī)范見表2。

表2 基底埋深安全值（單位：m）

結(jié)合表1 的計(jì)算結(jié)果，可得到每個(gè)墩位處沉井基礎(chǔ)的實(shí)際埋深及最小埋深。 將實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，最終的評(píng)估結(jié)果見表3。 由表3 可知，3#、4# 基礎(chǔ)的埋深已不滿足規(guī)范要求，而2#、5#、6#、7# 基礎(chǔ)尚可滿足要求；3#、4#、7# 基礎(chǔ)已沖刷到基底，2#、5#、6#雖未沖刷至基底但不滿足最小埋深的要求。 綜上分析，該橋墩基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行沖刷防護(hù)來提高埋深儲(chǔ)備。

表3 2#～7# 沉井基礎(chǔ)埋深評(píng)估（單位：m）

4 河床沖刷防護(hù)

4.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范規(guī)程，在進(jìn)行橋梁河床沖刷防護(hù)時(shí)，需要滿足以下5 點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：（1）沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)安全且耐久；（2）沖刷防護(hù)效果滿足使用功能和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；（3）沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)需結(jié)合施工工藝和施工力量；（4）沖刷防護(hù)需合理確定防護(hù)范圍和防護(hù)結(jié)構(gòu)，盡可能降低工程投資；（5）沖刷防護(hù)需結(jié)合監(jiān)測(cè)成果，合理設(shè)計(jì)。

4.2 橋墩沖刷防護(hù)方案比選

結(jié)合目前橋墩現(xiàn)有的沖刷防護(hù)方案，河床面的防護(hù)可分為消能減沖、護(hù)底抗沖[11-12]。 其中，消能減沖在上下游設(shè)置防護(hù)樁群，能折減流速，將沖刷坑位置前移，減小基礎(chǔ)范圍內(nèi)的沖刷深度；護(hù)底抗沖則是利用拋石、砂袋、軟體排等結(jié)構(gòu)來抵抗橋墩前沖擊水流產(chǎn)生的底部向下漩輥，并將橋墩基礎(chǔ)側(cè)繞流產(chǎn)生的最大流速區(qū)調(diào)整到防護(hù)區(qū)外圍，達(dá)到折減最大沖刷深度的效果。

然而，在工程實(shí)踐中，消能減沖措施實(shí)際運(yùn)用并不多，且存在明顯缺陷。 如水流方向改變或河流變化都會(huì)使得原先設(shè)計(jì)的犧牲樁防護(hù)效果大大減小。 而淹沒翼墻的防護(hù)措施也可歸為犧牲樁防護(hù)，只是采用的犧牲物不同，其主要是將一定幾何尺寸的底檻或角檻埋置于橋墩迎水面上游一定距離處，以消散來水的能量，從而起到防護(hù)作用。 與犧牲樁相同， 該方法受到水流方向變化的影響也較大，當(dāng)水流變化達(dá)到一定程度時(shí)， 可能徹底失去防護(hù)作用。 綜上所述，最終確定閩清大橋橋墩基礎(chǔ)沖刷防護(hù)方案為護(hù)底抗沖。

4.3 沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)

在護(hù)底抗沖方案中，平面布置需根據(jù)各部分所處位置和功能作用進(jìn)行設(shè)計(jì)。 一般可將整個(gè)防護(hù)區(qū)分為核心區(qū)和護(hù)坦區(qū)2 個(gè)部分[13]。 核心區(qū)為橋墩外圍基礎(chǔ)與土共同作用所需的平面尺度；護(hù)坦區(qū)為核心區(qū)外圍以適應(yīng)河床沖刷變形的床面，同時(shí)確保核心區(qū)范圍的穩(wěn)定。 結(jié)合沉井基礎(chǔ)埋深評(píng)估結(jié)果可知，需要對(duì)臨近規(guī)范要求的3#、4#、7#進(jìn)行處置。 其中，3#橋墩基礎(chǔ)處床面高程約為-7.0～-2.9 m；4# 橋墩基礎(chǔ)處創(chuàng)面高程約為-8.1～-3.9 m；7# 橋墩基礎(chǔ)處床面高程約為-2.4～-0.9 m。

結(jié)合評(píng)估報(bào)告和實(shí)測(cè)水下地形情況， 3#、4#、7#橋墩防護(hù)總平面布置示意圖見圖5。 其中， 圖5（a）為3#、4# 橋墩的防護(hù)平面布置示意；圖5（b）為7#橋墩的防護(hù)平面布置。由圖5（a）可知，3#橋墩為腰形墩接鋼筋混凝土沉井基礎(chǔ)，沉井平面外尺寸為12.7 m（橫橋向）×7.2 m（順橋向）的圓端形。 床面防護(hù)核心范圍由橋墩中心線處向左右上下游各擴(kuò)展15 m 的近似圓端形區(qū)域，拋石頂高程-2.74 m 達(dá)到局部沖刷坑外河床平均高， 四周坡面按1∶3 放坡至河床面。4#橋墩為防爆圓形空心墩接鋼筋混凝土沉井基礎(chǔ)，沉井平面外尺寸為直徑14.2 m 的圓形。 床面防護(hù)核心由橋墩中心線向左右、 上下游各擴(kuò)展18 m 的近似圓形區(qū)域，拋石頂高程為-2.80 m 基本達(dá)到局部沖刷坑外河床平均標(biāo)高， 四周按1∶3 放坡至河床面。 由圖5（b）可知，7# 橋墩床面防護(hù)同3#橋墩處理，其拋石頂高程為0.32 m 基本達(dá)到局部沖刷坑外河床平均高，四周按1∶3 放坡至河床面。

圖5 3#、4#、7# 橋墩防護(hù)總平面布置示意

4.4 拋投及補(bǔ)拋施工工藝

拋石總體采用駁船配合挖機(jī)拋石施工，利用定位船進(jìn)行定位拋投。 拋投程序上采用分格法，按單元格依次進(jìn)行拋投，單元格的劃分根據(jù)施工時(shí)所采用駁船的船體尺寸確定。 采取“專船定位、合理掛擋、定量拋投、多次拋勻”的施工方法，即根據(jù)設(shè)計(jì)圖確定的拋石范圍，按設(shè)計(jì)拋石厚度，核定拋投的數(shù)量，再以專用定位船拋錨定位，裝運(yùn)袋裝碎石或塊石的船只按規(guī)定掛靠在定位船上，對(duì)拋區(qū)進(jìn)行多次拋投，使工程達(dá)到“準(zhǔn)、足、勻”的拋投標(biāo)準(zhǔn)。 駁船配合反鏟挖機(jī)拋石施工示意圖見圖6。

圖6 駁船配合反鏟挖機(jī)拋石施工示意圖

當(dāng)拋投到一定程度， 根據(jù)河床測(cè)量的地形情況，需要對(duì)低凹處采取導(dǎo)管法進(jìn)行補(bǔ)拋找平，具體操作見圖7。 其中，在補(bǔ)拋過程中，應(yīng)當(dāng)適時(shí)對(duì)補(bǔ)拋情況進(jìn)行測(cè)量，直到達(dá)到要求為止。

圖7 導(dǎo)管法補(bǔ)拋示意圖

3#、4#、7#墩沖刷防護(hù)示意圖見圖8。 由圖8 可知，各橋墩根據(jù)不同的基礎(chǔ)埋深分別進(jìn)行了拋石填補(bǔ)平齊，先后進(jìn)行了駁船配合反鏟挖機(jī)拋石和導(dǎo)管法補(bǔ)拋找平作業(yè)，確保拋石基地整體穩(wěn)固。

4.5 施工質(zhì)量要求

拋投及補(bǔ)拋施工作業(yè)結(jié)束后，需要進(jìn)行施工質(zhì)量檢測(cè)與驗(yàn)收， 并遵循下述要求進(jìn)行施工質(zhì)量控制：（1）拋填時(shí)，施工人員要勤對(duì)水位，勤對(duì)導(dǎo)標(biāo)，以保證拋石船舶的安全和拋石邊線的準(zhǔn)確；（2）拋填應(yīng)選擇水流較小的時(shí)段進(jìn)行，分級(jí)分層施工；（3）為避免惡劣天氣對(duì)填心石的破壞，護(hù)面塊體施工應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)；（4）施工監(jiān)測(cè)。 其中，施工監(jiān)測(cè)包括日常檢測(cè)、控制檢測(cè)和跟蹤檢測(cè)[14]。 日常性檢測(cè)需要在施工期對(duì)驗(yàn)收分區(qū)進(jìn)行河床檢測(cè)，分析填心塊石、袋裝碎石、塊石的成型，并將此作為驗(yàn)收的依據(jù)，周期為每天；控制檢測(cè)需要對(duì)防護(hù)體及外側(cè)100 m 區(qū)域的穩(wěn)定性、河床沖淤情況進(jìn)行整體觀測(cè)，周期為半個(gè)月；跟蹤檢測(cè)需要在工程實(shí)施完成后進(jìn)行定期檢測(cè)，為效果評(píng)價(jià)和總結(jié)提供依據(jù)。

4.6 施工驗(yàn)收與效果評(píng)估

由于在進(jìn)行沖刷防護(hù)材料的拋投時(shí)，會(huì)發(fā)生沖陷、 局部沖刷以及拋投成型后的整體密實(shí)沉降，因此需要以“厚度為主、高程為輔”為方針制定質(zhì)量控制和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，并按以下成型合格率驗(yàn)收原則和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收：（1）驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)貫徹“厚度、拋投量為主、高程為輔”的方針，厚度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)考慮到水下施工的難度，建議對(duì)超拋部分區(qū)域作合格處理；（2）在成型厚度計(jì)算中應(yīng)考慮拋投中的沖陷深度， 沖陷深度應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和試拋確定；厚度計(jì)算式為：成型厚度=實(shí)測(cè)累計(jì)成型堆積平均厚度+沖陷深度；（3）驗(yàn)收合格的標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)核心區(qū)驗(yàn)收合格率不低于90%。

本工程質(zhì)量參照 《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS 257-2008）、《航道整治工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ 314-2004）、《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 154-1-2011）的相關(guān)條文進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。結(jié)果表明：材料試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)抽樣組滿足《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS 257-2008）附錄C 第8 項(xiàng)“拋回填和砌筑材料”中塊石、料石及碎石的要求；用測(cè)探儀測(cè)量得到拋石以及離坡斷面標(biāo)高的允許誤差滿足規(guī)范要求； 用測(cè)深水砣測(cè)量的碎石倒濾層厚度均值約為1.0 m 滿足要求（≥0.8 m）；外邊緣邊線位置的允許偏差也滿足要求（-1500～+2000 m）；且核心區(qū)的驗(yàn)收合格率高達(dá)98%。

5 結(jié)語(yǔ)

在跨江、跨河、跨海橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)免不了遇到水文變化、河床沖刷等問題，為保證沉井基礎(chǔ)橋墩整體穩(wěn)定性、安全性，需要確保一定的基礎(chǔ)埋深，而局部沖刷對(duì)基礎(chǔ)埋深影響較大。 為應(yīng)對(duì)此類問題，本研究針對(duì)閩清大橋橋墩沉井基礎(chǔ)，開展了河床沖刷作用后的基礎(chǔ)埋深評(píng)估計(jì)算以及相應(yīng)的防護(hù)技術(shù)探討，并通過計(jì)算與評(píng)估結(jié)果可知，當(dāng)河床斷面降低危及基礎(chǔ)層面時(shí)，可采用拋石放坡技術(shù)，以及拋石放坡工藝流程。 結(jié)果表明，在采取防護(hù)技術(shù)后，該橋墩河床防沖刷效果明顯，核心區(qū)驗(yàn)收合格率高達(dá)98%。為同類現(xiàn)役的沉井基礎(chǔ)橋梁沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)提供了參考。