水運(yùn)工程規(guī)范在橋梁防沖刷方面的應(yīng)用
——開陽高速公路那龍河大橋沖刷防護(hù)工程探討

◎ 王海林 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

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水運(yùn)工程規(guī)范在橋梁防沖刷方面的應(yīng)用
——開陽高速公路那龍河大橋沖刷防護(hù)工程探討

◎ 王海林 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

橋區(qū)沖刷是經(jīng)常出現(xiàn)的工程問題，威脅橋梁安全急需解決。但目前國內(nèi)尚無這方面的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，本文結(jié)合工程實(shí)例將水運(yùn)工程相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)引用至橋梁沖刷防護(hù)。

水運(yùn) 工程 橋梁 沖刷

1.沖刷防護(hù)工程簡(jiǎn)介

1.1工程概況

那龍河大橋是開陽高速公路陽東段的一座跨河大橋，橋長(zhǎng)229.4米，橋臺(tái)基礎(chǔ)為鋼筋砼鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。河段無通航要求。2#～11#墩位于河床內(nèi)，沖刷較嚴(yán)重，河床斷面以平均每年60～70cm的速度下切。為保證橋墩處土層不再被沖刷，從而地基能對(duì)樁基提供足夠的摩擦阻力，保證橋梁安全，需要對(duì)2#～11#橋墩進(jìn)行防沖刷處理。

1.2沖刷情況分析

綜合分析各種因素，那龍河大橋橋墩沖刷的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）橋墩自身引起水流流態(tài)局部變化引起沖刷，水流經(jīng)過橋墩附近時(shí)，水流大致分為表面渦流、向下射流、馬蹄形渦流、尾跡渦流，其中以向下射流與馬蹄形渦流為造成橋墩局部沖刷之主因。

（2）由于上游2000m處的水利工程的建設(shè)，攔截了其上游流域的泥沙，使向下游河段的輸沙量減小，增大了下游水流的挾沙能力。攔河壩離大橋較近，當(dāng)開閘放水時(shí)，橋區(qū)水流流速較急，水流的沖刷能力較強(qiáng)，橋區(qū)沖刷強(qiáng)度較大。

（3）河道挖沙所造成的河道不規(guī)則變形引起沖刷。采砂使河床局部變形，打破了水沙運(yùn)動(dòng)的平衡，水流流態(tài)變化引起溯源沖刷，進(jìn)而導(dǎo)致河床全面調(diào)整，影響河床穩(wěn)定。

2.水運(yùn)工程在沖刷防護(hù)中的應(yīng)用

2.1防護(hù)思路

橋墩沖刷防護(hù)工程的功能是在設(shè)計(jì)的水動(dòng)力條件下為橋墩樁基與原狀土共同作用提供保障。本工程具有搶險(xiǎn)性質(zhì)，設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠，耐久性強(qiáng)；沖刷防護(hù)效果滿足使用功能和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；合理確定防護(hù)范圍、平面布置和防護(hù)結(jié)構(gòu)，確保經(jīng)濟(jì)合理；應(yīng)考慮施工中不可避免的不均勻性對(duì)防護(hù)效果的影響；設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)潔明了，施工環(huán)節(jié)少；就地取材，備料容易；選用常用施工工藝，船機(jī)、設(shè)備調(diào)集方便；動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)：鑒于橋墩處沖刷情況的不斷變化，根據(jù)沖刷防護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，合理地調(diào)整設(shè)計(jì)。

本次防沖刷工程結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)從地形條件、施工條件、工程造價(jià)等多方面進(jìn)行考慮，選定拋石防護(hù)。目前積累了不少工程經(jīng)驗(yàn)，比較成熟，但很少運(yùn)用規(guī)范規(guī)程依據(jù)。

2.2防護(hù)方案

2.2.1平面分區(qū)

本工程沖刷防護(hù)范圍為2#～11#橋墩。在河流方向防護(hù)寬度為80 m，橋軸線方向防護(hù)總寬度為160m。整個(gè)防護(hù)區(qū)域分為核心區(qū)及護(hù)坦區(qū)，核心區(qū)布置于每個(gè)橋墩四周6m×40m，10個(gè)橋墩核心區(qū)面積共2400m2。其余防護(hù)范圍均為護(hù)坦區(qū)，即橋墩與橋墩之間以及防護(hù)區(qū)域的上下游段，護(hù)坦區(qū)面積共10400m2。本次工程合計(jì)總防護(hù)面積約1.28萬m2。如圖1。

2.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋墩局部沖刷防護(hù)采用“護(hù)底塊石+級(jí)配石層+護(hù)面塊石層”的防護(hù)結(jié)構(gòu)。2#～6#橋墩處于河流主河道，防護(hù)塊體順應(yīng)河床走勢(shì)，因此不需進(jìn)行整平，以盡量減小對(duì)河流形態(tài)的影響；7#～11#橋墩處于河流非主河道，河床起伏不大，需先順應(yīng)現(xiàn)有河床整平成斜面后再鋪填防護(hù)結(jié)構(gòu)。整個(gè)防護(hù)區(qū)域沿水流方向外側(cè)10m均要做厚度為0.5m、寬度為10m的護(hù)底。

圖1　

2#～6#橋墩直接在河床面40m×80m范圍內(nèi)覆蓋一層0.5m厚的混合級(jí)配碎石（規(guī)格為50～150mm），其倒慮作用可防止河床泥沙及裝砂袋年久老化后的中粗砂被河水淘走流失。最上層整個(gè)防護(hù)范圍內(nèi)覆蓋1m厚的30～100kg護(hù)面塊石，護(hù)面塊石沿核心區(qū)邊沿以1∶10的緩坡過渡至護(hù)底，其余邊坡均為1∶3。

7#～11#橋墩河床整平后，核心區(qū)在河床面覆蓋一層0.5m厚的混合級(jí)配碎石（規(guī)格為50～150mm），上層覆蓋1m厚的30～100kg護(hù)面塊石，護(hù)面塊石沿核心區(qū)邊沿以1∶10的緩坡過渡至護(hù)底，其余護(hù)坦區(qū)均為1m厚的10～100kg護(hù)面塊石，因護(hù)坦區(qū)下面因?yàn)闆]有級(jí)配碎石，所以塊石的最小規(guī)格要有所下降，取為10～100kg護(hù)面塊石。

橋墩局部沖刷后均有馬蹄形坑洞，在坑內(nèi)填充碎石，填充至與周邊河床齊平。如圖2。

2.3設(shè)計(jì)要點(diǎn)

近年來，很多學(xué)者及工程實(shí)際都對(duì)影響拋石防護(hù)效果的各種特征參數(shù)，如拋石中值粒徑D50、布設(shè)高度h、拋石厚度t、拋投范圍c 和拋石級(jí)配等進(jìn)行了研究，本文將水運(yùn)工程相關(guān)規(guī)范條文引入橋梁樁基沖刷設(shè)計(jì)，使方案更有依據(jù)和指導(dǎo)性。

（1）拋投范圍。根據(jù)大量的參考文獻(xiàn)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，防沖刷的范圍較廣，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性較好，對(duì)地形的適應(yīng)性強(qiáng)，減小了橋墩處的水流流速，水流沖刷后，河床上的大塊石逆水上移，減少了沖深，最大沖深點(diǎn)所在位置遠(yuǎn)離墩樁，增強(qiáng)了核心區(qū)塊石的穩(wěn)定性。因此橋墩防護(hù)的范圍越廣，防護(hù)的整體穩(wěn)定性越好，效果越佳。一般防護(hù)的范圍不小于2倍橋墩尺度，常用3～7倍橋墩尺寸?？紤]工程投資的影響，本工程防護(hù)范圍有所限制，河流方向防護(hù)寬度為80 m，橋軸線方向防護(hù)總寬度為160m。

（2）塊石規(guī)格。水運(yùn)行業(yè)中有幾本規(guī)范均對(duì)水流與塊石規(guī)格的關(guān)系進(jìn)行了規(guī)定：《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》（JTJ312-2003）及《港口及航道整護(hù)岸工程設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTJ300-2000）中，水流流速大于3m/s時(shí)，d=0.04×（建筑物最大表面流速）2?！兜谭拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）中，

圖2　

這些規(guī)范中塊石的粒徑都是與流速的平方成正比。

《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS154-1-2011）中對(duì)于護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量，當(dāng)最大底流速為2m/s時(shí)塊石的穩(wěn)定重量為60kg，當(dāng)最大底流速為3m/s時(shí)塊石的穩(wěn)定重量為150kg。

根據(jù)流速資料并結(jié)合幾年洪水期殘留塊體考察，本次外層塊石的取100kg。為了防護(hù)體更密實(shí)堅(jiān)固，要求級(jí)配良好，兼顧下層級(jí)配塊石的粒徑，每種材料粒徑層層相扣才能有效地防止淘刷。由此塊石粒徑的下限取為30kg。施工時(shí)應(yīng)注意，外層安放較大的塊石。

（3）塊石厚度。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，塊石厚度一般為3～5層，相關(guān)研究表明拋石層越厚，結(jié)構(gòu)整體性越好，防護(hù)效果也就越佳。按照100kg塊石厚度約1m，考慮橋區(qū)水深流急，為加強(qiáng)防護(hù)效果，適當(dāng)加大，但厚度過大，則減小了過水?dāng)嗝妫鸲胃绷?，因此給予適當(dāng)加大，取為1.2m。

（4）級(jí)配碎石厚度?！陡劭诩昂降勒o(hù)岸工程設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTJ300-2000）中規(guī)定級(jí)配碎石位于水上不小于0.4m，水下不小于0.6m。水上水下的區(qū)別主要考慮施工的誤差，本工程河水很淺，在枯水季節(jié)幾乎無水，因此取0.5m可以保證級(jí)配碎石的反濾作用。

（5）級(jí)配碎石粒徑。粒徑范圍應(yīng)根據(jù)下層要防護(hù)河床砂的粒徑。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)不均勻系數(shù)＜5則級(jí)配較差，不均勻系數(shù)＞10時(shí)則級(jí)配較好。本工程設(shè)計(jì)級(jí)配碎石的中值粒徑D50 為100mm左右，要求50～100mm的級(jí)配碎石占50％，100～150mm的級(jí)配碎石占50％。

（6）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。由于國內(nèi)尚無針對(duì)河床沖刷防護(hù)的正式的施工規(guī)范、規(guī)程和質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，本工程設(shè)計(jì)參照交通運(yùn)輸部《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS257-2008）的相關(guān)條文規(guī)定執(zhí)行。本工程對(duì)各結(jié)構(gòu)層按以厚度控制為主，以高程控制為輔的原則進(jìn)行驗(yàn)收，并提出標(biāo)高、厚度及邊線位置等的允許變差值。

2.4防護(hù)效果

那龍河大橋?qū)嵤┖蠼?jīng)過洪水的考驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，由于設(shè)計(jì)方案較為合理，橋區(qū)防護(hù)效果很好，有效地保護(hù)了樁基，保證了橋梁的安全。

［1］航道整治工程技術(shù)規(guī)范（JTJ312-2003）.

［2］港口及航道整護(hù)岸工程設(shè)計(jì)與施工規(guī)范（JTJ300-2000）.

［3］堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50286-2013）.

［4］防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范（JTS154-1-2011）.

［5］水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（JTS257-2008）.