長(zhǎng)江深水航道中鋼圍堰施工沖刷防護(hù)

吳啟和 ，柯杰

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)交通運(yùn)輸需求量迅速增加，大型跨海、跨江大橋越來(lái)越多[1]。江海水域由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜，常采用大型鋼圍堰為跨海、跨江橋梁基礎(chǔ)施工提供安全可靠的作業(yè)條件。鋼圍堰刃腳埋入河床的深度是施工設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，必須保證施工中河床發(fā)生水流沖刷條件下，圍堰不會(huì)發(fā)生移動(dòng)、傾斜或失穩(wěn)。

鋼圍堰施工過(guò)程中，圍堰結(jié)構(gòu)會(huì)造成河道局部水流條件的變化，改變水流方向及流態(tài)并產(chǎn)生壅水，常常會(huì)形成垂向螺旋流[2]，對(duì)圍堰周?chē)暮哟泊裁娈a(chǎn)生一定的切應(yīng)力，河床床面發(fā)生沖刷，逐步形成沖刷坑，影響圍堰入土深度，進(jìn)而影響橋梁基礎(chǔ)的施工安全和質(zhì)量。尤其是易沖地質(zhì)水域，大型鋼圍堰施工引起水流形態(tài)變化造成的沖刷更為嚴(yán)重，圍堰施工過(guò)程中的整體安全性會(huì)受到較大程度影響。因此，預(yù)測(cè)分析大型鋼圍堰在施工過(guò)程中河床的沖刷特征和防護(hù)措施的有效性，對(duì)于橋梁基礎(chǔ)施工安全和質(zhì)量具有重要意義。

吳門(mén)伍[3]通過(guò)制作圍堰下沉模擬物理試驗(yàn)，分析了天興洲大橋圍堰下沉不同階段，圍堰周?chē)髁魉?、紊?dòng)強(qiáng)度及河床局部沖淤情況，從而預(yù)測(cè)圍堰下沉?xí)r河床局部沖刷深度。劉達(dá)[4]建立清遠(yuǎn)水利樞紐工程的施工導(dǎo)流動(dòng)床物理模型，研究了河道和導(dǎo)流圍堰外側(cè)的河床沖刷規(guī)律，分析圍堰結(jié)構(gòu)型式對(duì)圍堰外側(cè)沖刷形態(tài)的影響。齊梅蘭[5]通過(guò)物理試驗(yàn)，研究了鋼圍堰入水的相對(duì)高程對(duì)床面局部最大沖刷深度的影響，綜合考慮多方面影響因素，推導(dǎo)了局部沖刷深度的計(jì)算公式。吳修鋒[6]建立曹娥江大閘圍堰的二維水沙數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析圍堰施工期引起的河床沖淤變化。

學(xué)者們的研究主要集中在圍堰施工引起的河床沖刷問(wèn)題上，針對(duì)圍堰施工階段河床的防護(hù)措施研究較少，尤其是針對(duì)深水航道易沖刷地質(zhì)條件下圍堰沖刷特征及沖刷防護(hù)效果的研究更為稀缺。本文根據(jù)沌口大橋深水基礎(chǔ)大型鋼圍堰施工實(shí)例，建立河床沖刷及防護(hù)的物理模型試驗(yàn)，分析施工不同階段河床沖刷情況，并制定防護(hù)措施、研究防護(hù)效果，為大型鋼圍堰施工提供理論依據(jù)，并為以后深水航道易沖刷地質(zhì)條件下圍堰施工及河床沖刷防護(hù)提供施工參考。

1　工程概況

沌口大橋采用雙塔斜拉結(jié)構(gòu)形式，主橋基礎(chǔ)位于長(zhǎng)江深水航道中，采用大型鋼圍堰整體浮運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)定位下沉的施工工藝進(jìn)行深水基礎(chǔ)施工。主墩雙壁鋼圍堰外形呈長(zhǎng)八邊形柱體，順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)為55.3 m，迎水寬為29.1 m；鋼圍堰頂標(biāo)高為+25.7 m，底標(biāo)高為-0.5 m，巖面標(biāo)高為-8.0 m；雙壁結(jié)構(gòu)厚1.5 m，底部設(shè)置4.5 m高的X形封底隔艙。鋼圍堰的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1　鋼圍堰結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structural drawing of steel cofferdam

當(dāng)?shù)厮臈l件：近50多年平均流量為22 700 m3/s，年平均含沙量0.55 kg/m3，年平均輸沙量約3.9億t，歷年實(shí)測(cè)最高水位為29.73 m，最低水位為10.08 m。根據(jù)2010年水文勘測(cè)局的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，橋位處洪期（7月）最高水位24.4 m，流速2.3 m/s，枯期（2月）水位12.3 m，流速1.06 m/s。

跨江主橋深水基礎(chǔ)位于長(zhǎng)江深水航道的河床易沖區(qū)域，河床覆蓋層為散粒粉細(xì)沙，在水流動(dòng)力作用下容易被沖移位，造成河床覆蓋層厚度減少。大型鋼圍堰下沉過(guò)程中，不同入水深度，水流形態(tài)不同，造成的河床沖刷形態(tài)也不同。

2　概化模型設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外研究涉水建筑物[7]周?chē)植繘_刷問(wèn)題主要通過(guò)系列模型延伸法或局部正態(tài)模型兩種途徑。鋼圍堰下沉施工中底部床面的沖刷問(wèn)題采用系列模型延伸法，具有較高的適用性與可信度。

地質(zhì)條件：橋墩所在區(qū)域土層由礫沙、粉沙、細(xì)沙和中沙等組成，其中粒徑d在0.075～0.25 mm的細(xì)沙占絕大部分，故本試驗(yàn)原型沙的主要參數(shù)選取為：粒徑d50=0.20 mm，容重γs=2.65 t/m3。

圍堰處水深為10～20 m，通過(guò)試算得出鋼圍堰模型采用煤粉滿(mǎn)足相似條件的幾何比尺λh0=12（λhi為幾何比尺，其中i為編號(hào)，i=0，1，2）。綜合考慮試驗(yàn)條件及試驗(yàn)精度問(wèn)題，模型試驗(yàn)采用λh1=50和λh2=100兩種幾何比尺。

試驗(yàn)采用40 m×5 m的寬水槽進(jìn)行，動(dòng)床段尺寸為12 m×5 m，床面鋪沙厚度0.6 m。橋墩基礎(chǔ)布置在試驗(yàn)段中央。

通常情況下，在模擬碎粒體無(wú)黏性泥沙局部沖刷試驗(yàn)中，一般經(jīng)歷的時(shí)段在2～3 h時(shí)，橋墩局部沖刷坑達(dá)到?jīng)_刷基本平衡狀態(tài)[8]。本試驗(yàn)觀測(cè)表明：試驗(yàn)橋墩附近床面沖刷達(dá)到?jīng)_刷基本平衡狀態(tài)約2.5 h。沖刷后的床面地形，通過(guò)測(cè)針和地形界面儀，輔以攝像設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

為研究主橋深水基礎(chǔ)大型鋼圍堰施工全過(guò)程河床沖刷形態(tài)的變化，整個(gè)試驗(yàn)分為預(yù)備試驗(yàn)、沖刷試驗(yàn)及沖刷防護(hù)試驗(yàn)三個(gè)組別進(jìn)行。試驗(yàn)組別及試驗(yàn)?zāi)康囊?jiàn)表1。

表1　大型鋼圍堰施工物理模型試驗(yàn)組別Table 1　Physical model test group of large steel cofferdam construction

3　模型試驗(yàn)及分析

1）建立系列模型試驗(yàn)（兩種幾何比尺1∶50和1∶100），對(duì)不同比尺模型試驗(yàn)的沖刷深度進(jìn)行分析，采用系列模型延伸方法計(jì)算沖刷系數(shù)（本試驗(yàn)計(jì)算出的沖刷系數(shù)為n=0.202），并延伸至符合嚴(yán)格相似的λh0=12，最終推算出原型實(shí)際最大沖深。模型沖刷特征及延伸推算見(jiàn)表2、圖2。

表2　模型沖刷特征Table2　Scour characteristics of model

圖2　系列模型延伸圖Fig.2　Seriesmodel extension diagram

下述試驗(yàn)均采用1∶50比尺模型，所用數(shù)據(jù)均由模型局部沖深換算成原型實(shí)際沖刷深度。

2）改變鋼圍堰入水后自浮懸空的高度、垂直作用于鋼圍堰迎水面的水流平均流速，研究鋼圍堰懸浮高度不同時(shí)，河床沖淤形態(tài)發(fā)生變化的起沖流速。不同入水深度、不同流速條件下的河床局部沖刷特征見(jiàn)表3。

表3　不同入水深度的河床起沖流速Table 3　The scouring velocity of river bed with different entry depth

試驗(yàn)表明：水深條件一定時(shí)，底部河床面的沖刷主要受?chē)呷胨疃龋ㄟ^(guò)水?dāng)嗝妫┖痛怪弊饔糜趪哂娴乃髌骄魉儆绊懀簢呷胨疃仍缴?，河道過(guò)水?dāng)嗝鏈p小越多，河床的起沖流速就越小。流速1.4 m/s條件下，圍堰入水3 m造成的過(guò)水?dāng)嗝鏈p小并未引起河床面發(fā)生沖刷，入水4 m后河床起沖。在入水深度達(dá)到8.7 m，河床面沖刷較為明顯：在流速1.4 m/s條件下，圍堰前部和兩側(cè)迎水區(qū)河床為主要沖刷區(qū)域，最大沖坑深2.4 m，位于圍堰堰底上游迎水前部，堰底床面明顯低于圍堰周?chē)哟裁?。圍堰?cè)面沖坑集中于偏上游迎水區(qū)，最大坑深2.1 m。圍堰側(cè)面下游背水區(qū)由于水流條件減弱，局部呈輕微淤積狀態(tài)，最大淤積高度0.3 m，位于堰底下游背水中部。

3）設(shè)定河床起沖流速，改變圍堰入水懸浮高度，研究圍堰入水下沉和著床過(guò)程中圍堰周?chē)哟驳木植繘_刷深度及影響范圍。圍堰下沉期間河床沖刷程度和特征見(jiàn)表4。

表4　鋼圍堰下沉期對(duì)河床的影響程度和特征Table 4　The influence degree and characteristics of the steel cofferdam on theriver bed during sinking period

試驗(yàn)顯示：水文條件一定時(shí)，河床面的沖刷形態(tài)及最大沖刷深度與鋼圍堰底部距河床面的間距有關(guān)：間距越大，圍堰對(duì)河床的影響越??；越接近河床，其影響越大。鋼圍堰切入床面0.5 m后，水流在靠近圍堰上游邊壁時(shí)，由于圍堰底部不能過(guò)流，因此沿邊壁向兩側(cè)分流，形成典型的雁翼狀沖淤形態(tài)，最大沖深3.4 m，局部沖刷影響范圍在上游迎水面5～6 m，最大沖深點(diǎn)形成在迎水面兩側(cè)角附近。圍堰中軸線(xiàn)向下游為淤積區(qū)域，兩側(cè)最大淤高約1 m，下游正后方區(qū)域，由于圍堰遮擋成為緩流區(qū)，形成淺淤區(qū)，淤高0.5 m。

圖3　鋼圍堰沖刷防護(hù)措施布置示意圖Fig.3　Layout of scour protection measuresfor steel cofferdam

4）防護(hù)措施研究。本試驗(yàn)研究在圍堰處水深11 m、流速1.4 m/s條件下，考慮采用袋裝砂防護(hù)體消除緊靠鋼圍堰周?chē)裁娴臎_刷，確保鋼圍堰著床穩(wěn)定。防護(hù)布置方案為：緊靠圍堰邊壁第1環(huán)圈、第2環(huán)圈的袋裝砂，從上游迎水面鋪設(shè)到圍堰下游折角端，鋪設(shè)2層，總高1.2 m；單個(gè)砂袋尺寸：1.75 m×1.75 m×0.6 m、重量為2 t。外緣第3環(huán)圈、第4環(huán)圈的袋裝砂，從上游迎水面鋪設(shè)到圍堰的中部，鋪設(shè)1層，單個(gè)砂袋尺寸：1.5 m×1.5 m×0.5 m、重量為1.6 t。圍堰邊壁外共鋪設(shè)4環(huán)圈，寬6.5 m，具體防護(hù)布置及防護(hù)效果見(jiàn)圖3～圖4。

圖4　鋼圍堰沖刷防護(hù)措施試驗(yàn)結(jié)果Fig.4　Test results of scour protection measuresfor steel cofferdam

試驗(yàn)表明：圍堰上游迎水面的砂袋處于穩(wěn)定狀態(tài)；施工平臺(tái)附近因打設(shè)了管樁，產(chǎn)生一定的阻流作用，圍堰邊壁外的砂袋處于穩(wěn)定狀態(tài)；未打設(shè)施工平臺(tái)一側(cè)，最大流速區(qū)距離外側(cè)砂袋較近，外緣部分砂袋發(fā)生位移、滑落，但內(nèi)圈作為壓腳的砂袋保持穩(wěn)定狀態(tài)。外圈少量砂袋發(fā)生位移和滑落是由于防護(hù)體沒(méi)有全覆蓋局部沖坑所致，防護(hù)體外緣較大的沖深導(dǎo)致邊緣砂袋發(fā)生位移和滑落，這種情況不影響鋼圍堰的穩(wěn)定。

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)圍堰終沉后局部地形的沖刷情況，以及防護(hù)體施工后河床演變情況，試驗(yàn)中采集了防護(hù)體施工前后圍堰周?chē)裁娴臎_刷狀態(tài)數(shù)據(jù)。圍堰沖刷防護(hù)前、后的狀況對(duì)比如圖5所示。

圖5　鋼圍堰沖刷防護(hù)前后效果對(duì)比（+淤積，-沖刷）Fig.5　Comparison of steel cofferdam before and after scour protection(+siltation,-erosion)

由圖可見(jiàn)，圍堰終沉后未采取防護(hù)措施，水流在圍堰前端形成分流，兩側(cè)局部流速增大，在圍堰兩側(cè)迎水區(qū)形成典型的雁翼狀沖刷形態(tài)，兩側(cè)河床形態(tài)相似，最大沖深3.4 m；在背水區(qū)呈微淤，淤高約1 m；河床整體呈現(xiàn)迎水區(qū)沖刷背水區(qū)淤積趨勢(shì)，沖淤影響區(qū)域在兩側(cè)30 m范圍內(nèi)，主要的沖刷區(qū)域集中在圍堰4～5 m的迎水區(qū)河床。若在圍堰周?chē)?.5 m范圍采用防護(hù)措施，河床的主要沖刷區(qū)域明顯向外側(cè)移動(dòng)，最大沖坑距圍堰18 m，沖深2.4 m。試驗(yàn)表明，防護(hù)體能對(duì)圍堰周邊河床面形成較好保護(hù)，減弱河床沖刷程度，保證圍堰穩(wěn)定，此外也能減少?lài)叻獾讜r(shí)底部的防水封堵工作。

4　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及驗(yàn)證

根據(jù)物理模型試驗(yàn)分析結(jié)果，圍堰終沉到位時(shí)，圍堰兩側(cè)沖刷最嚴(yán)重，圍堰外壁向外6.5 m范圍內(nèi)沖刷深度最大為3.4 m，圍堰下游沖刷不明顯。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程實(shí)際泥面觀測(cè)結(jié)果，圍堰下沉后，河床沖刷深度基本與圍堰終沉底標(biāo)高齊平（即-0.5 m），因此，為防止河床繼續(xù)沖刷，同時(shí)考慮后續(xù)鋼護(hù)筒及封底施工，在圍堰上、下游端及兩側(cè)首先拋填0.7～0.8 m厚的碎石，形成平整河床面，然后在拋填碎石上靠近圍堰外壁側(cè)使用砂袋進(jìn)行處理。實(shí)際施工過(guò)程中的防護(hù)措施見(jiàn)圖6。施工過(guò)程中實(shí)測(cè)資料顯示，圍堰采用防護(hù)體后，河床局部沖刷地形與概化模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，圍堰兩側(cè)最深沖坑深度為2.8 m，與預(yù)測(cè)結(jié)果較為相符。

圖6　鋼圍堰現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)措施示意圖Fig.6　Layout of on-sitescour protection measures for steel cofferdam

通過(guò)采取防護(hù)措施，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)潛水員定期檢查河床面及防護(hù)體情況，圍堰安全著床并終沉到位，成功進(jìn)行主墩深水基礎(chǔ)施工。

5　結(jié)語(yǔ)

1）在深水航道易沖地質(zhì)條件下，大型鋼圍堰的施工會(huì)引起河床劇烈的沖刷形態(tài)變化。在試驗(yàn)地形及水文條件下，底部河床面的沖刷形態(tài)及最大沖坑與圍堰的入水深度具有正相關(guān)關(guān)系，入水深度越大，影響越大；水深條件一定時(shí)，底部河床面的沖刷主要受?chē)呷胨疃龋ㄟ^(guò)水?dāng)嗝妫┖痛咕€(xiàn)平均流速影響；圍堰入水深度越深，河道過(guò)水?dāng)嗝孀兓酱?，河床的起沖流速就越小。

2）對(duì)比沖刷防護(hù)體施工前、后的河床形態(tài)，證明防護(hù)體能對(duì)圍堰入土區(qū)河床面形成較好保護(hù)，減弱河床沖刷程度，縮小施工影響沖刷區(qū)域，同時(shí)防護(hù)體能夠?yàn)閲咛峁┮欢ǖ姆€(wěn)固作用，減少?lài)叻獾讜r(shí)底部防水封堵工作。

3）根據(jù)沖刷試驗(yàn)結(jié)果，制定圍堰施工過(guò)程的防護(hù)措施，研究防護(hù)措施對(duì)河床沖刷的效果。成功應(yīng)用于工程實(shí)例中，確保了主橋鋼圍堰深水基礎(chǔ)的順利施工。為以后深水航道易沖刷地質(zhì)條件下的圍堰施工及河床沖刷防護(hù)提供依據(jù)。

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