蘇通大橋北主墩河床防護(hù)層對水下沖刷邊坡穩(wěn)定的影響

付鵬程，陳志堅(jiān)

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100)

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，對于大型橋梁工程，洪水引起的橋梁基礎(chǔ)的局部沖刷是導(dǎo)致橋梁破壞的最重要原因[1-2]。橋墩的建造會(huì)導(dǎo)致過水?dāng)嗝鏈p小，無疑會(huì)改變橋墩附近一定范圍的水沙運(yùn)動(dòng)情況，橋墩周圍水流速度的增大會(huì)加劇河床面的沖刷。沖刷通常由自然沖刷、過水?dāng)嗝鏈p小導(dǎo)致的沖刷、橋墩周圍的局部沖刷三個(gè)方面構(gòu)成[3]。蘇通大橋于2008年5月通車，由于上下游的一系列圍墾活動(dòng)，例如南通側(cè)的南通航母主題公園2015年施工建設(shè)，導(dǎo)致蘇通大橋橋位河段過水?dāng)嗝娲蠓鶞p小，加劇了河床面的沖刷問題，使得原有沖刷坑繼續(xù)加深。因此，本文以通車運(yùn)營期間蘇通大橋北主墩河床地形地貌圖監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用FLAC3D軟件，分析在有無河床防護(hù)層狀態(tài)下，北主墩附近沖刷形成的邊坡的穩(wěn)定性，論證了河床防護(hù)層的有效。

1 工程概況

蘇通大橋連接江蘇省蘇州市和南通市，西距江陰大橋82 km，東距長江入?？?08 km，是國家高速公路沈海高速的過江樞紐，蘇通大橋跨江部分長8 146 m，主跨長1 088 m，為迄今為止世界第二大跨徑的斜拉橋。

橋位區(qū)江面寬約6 km，長江深槽偏于南側(cè)，河流彎曲方向指向南岸，即凸岸位于左岸，凹岸位于右岸，因此，北部南通一帶為邊灘淤積區(qū)，南岸為邊灘沖蝕區(qū)，中間為新通海沙南河道沖蝕及深槽侵蝕區(qū)。橋位區(qū)的地層為總厚度達(dá)300 m的一套河湖、濱海相第四系松散沉積物，巖性為粉細(xì)砂、粘土質(zhì)砂土、砂質(zhì)粘土[4]。

2 河床沖刷防護(hù)方案及破壞方式

2.1 河床沖刷防護(hù)方案

蘇通大橋橋位區(qū)采用護(hù)底抗沖措施，即在河床上鋪設(shè)輔助材料，從而減小河床土體的沖刷。根據(jù)蘇通大橋群樁基礎(chǔ)與土體共同作用機(jī)理和建設(shè)前局部沖坑形態(tài)特征，將北主墩整個(gè)河床防護(hù)區(qū)域分為核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)和護(hù)坦區(qū)，沖刷防護(hù)平面布置圖如圖1。

(1)核心區(qū)。

圖1 北主墩河床防護(hù)層平面分區(qū)(m)Fig.1 North main pier riverbed protection plane division

是保證基樁入土深度和樁基承載力的核心區(qū)域，也是局部沖深最大的區(qū)域，必須進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。核心區(qū)范圍為群樁基礎(chǔ)與施工臨時(shí)平臺(tái)樁基及周邊20 m，尺寸為170 m×60 m。其沖刷防護(hù)工程由三層組成：第一層是鋪設(shè)于河床面上并經(jīng)過鋼護(hù)筒插打的袋裝砂，主要起預(yù)防護(hù)作用；第二層是級配碎石，鋪設(shè)于袋裝砂上，主要起反濾和找平作用；第三層是塊石，鋪設(shè)于級配碎石層上，起大動(dòng)壓載作用。防護(hù)結(jié)構(gòu)體為2 m袋裝砂(預(yù)防護(hù))+1 m散拋級配碎石+1.5 m塊石，邊坡1：3。

(2)永久防護(hù)區(qū)。

也稱樁-土共同作用區(qū)域，是樁土共同作用比較強(qiáng)烈的區(qū)域，是保證基礎(chǔ)受力、傳力機(jī)理不發(fā)生重大變化的重要區(qū)域。范圍為核心區(qū)外圍上下游40 m，南北45 m。防護(hù)結(jié)構(gòu)體為1 m袋裝砂+1 m散拋級配碎石+1.5 m塊石，邊坡1：3。

(3)護(hù)坦區(qū)。

也稱樁-土共同作用外區(qū)域，該區(qū)域?qū)θ簶痘A(chǔ)受力的影響不大，但對其防護(hù)后能起到適應(yīng)河床沖刷變形，減小永久防護(hù)區(qū)的河床沖刷的功能，防護(hù)的結(jié)構(gòu)為護(hù)袒結(jié)構(gòu)。范圍為永久防護(hù)區(qū)外圍45 m，防護(hù)結(jié)構(gòu)體為一層1 m袋裝砂+二層1 m散拋級配碎石+三層1.89 m塊石(內(nèi)側(cè)20 m)/3.15 m(外側(cè)20 m)，邊坡為1：3[5-7]。

2.2 河床防護(hù)層破壞形式

河床防護(hù)層的破壞形式可以分為以下三種：

(1)面層破損。

群樁基礎(chǔ)的存在使得局部水流速度加快，河床附近流速加快使得防護(hù)層附近的河床剪應(yīng)力和摩阻流速增大，防護(hù)層最上層的護(hù)面塊石由于單塊體積大，在施工時(shí)無法保持其平整，在河床剪應(yīng)力和摩阻流速增大的情況下使得塊石翻滾流失，造成面層破損。

(2)邊緣坍塌。

防護(hù)區(qū)外側(cè)的天然河床受到局部沖刷，逐漸逼近護(hù)坦區(qū)，使得護(hù)坦區(qū)邊緣的石塊在水流影響下向防護(hù)區(qū)域外移動(dòng)，對邊緣處造成損壞[8]。

(3)滑動(dòng)破壞。

隨著護(hù)坦區(qū)邊緣的沖刷加深，坡度變陡，沖刷邊坡的上緣逐漸向防護(hù)中心逼近，邊坡坡度也在沖刷作用下不斷變陡，最終使得防護(hù)層失效，發(fā)生滑動(dòng)破壞。

3 監(jiān)測結(jié)果

北主墩河床的沖刷和淤積的監(jiān)測自2008年通車運(yùn)營開始，利用多波束雷達(dá)掃測，可以得到宏觀尺度的河床形貌信息，利用水深傳感器，可以獲取細(xì)觀尺度的河床形貌信息，對不同尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)和分解，得到更精細(xì)和靈活的地形地貌信息。具體河床形貌圖為圖2 。

2-a 2016年4月2-b 2016年9月

2-c 2015年1月 2-d 2015年10月圖2 北主墩河床形貌圖Fig.2 North main pier riverbed morphology

2016年4月與2015年1月兩個(gè)觀測時(shí)間均為河流的枯水期，河床面以沖刷為主，對比觀測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然核心區(qū)的防護(hù)體處于穩(wěn)定狀態(tài)、河床形貌未見改觀，河床沖刷防護(hù)效果良好，但主墩護(hù)坦區(qū)外圍的北側(cè)，局部沖刷增強(qiáng)，深泓區(qū)存在從北向南擴(kuò)展、串通，并從下游側(cè)和北側(cè)逼近、包圍北主墩護(hù)坦區(qū)的趨勢。而且，主墩護(hù)坦區(qū)東北角的外圍存在局部沖刷深度進(jìn)一步加深趨勢，河床面高程已低于-40 m，從而在主墩護(hù)坦區(qū)東北角形成陡坡地形，不利于護(hù)坦區(qū)穩(wěn)定。

對比2015年10月的觀測結(jié)果，2016年9月份洪季過后的觀測表明，上述深沖刷坑存在明顯上串趨勢，主墩北側(cè)護(hù)坦區(qū)外圍的陡坡區(qū)域擴(kuò)大，嚴(yán)重威脅到群樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定。

4 計(jì)算分析

4.1 模型建立及參數(shù)選取

本文采用FLAC3D進(jìn)行水下邊坡的計(jì)算，計(jì)算選取的對象為2016年4月和2016年9月北主墩河床，模擬計(jì)算的范圍如圖2-a、2-b所示，計(jì)算的坐標(biāo)零點(diǎn)均在矩形范圍的左下角。為將分析區(qū)域內(nèi)沖刷最深處納入計(jì)算范圍，取圖2-a模擬范圍為539 m×349 m，圖2-b模擬范圍為566 m×316 m。模擬的內(nèi)容分別為現(xiàn)有狀態(tài)和防護(hù)層失效下，2016年4月和9月北主墩的河床邊坡的穩(wěn)定性。

表1 XK117鉆孔土層參數(shù)表(部分)Tab.1 XK117 drilling soil parameters table(part)

表1為蘇通大橋詳勘階段北主墩橋位區(qū)XK117鉆孔所對應(yīng)的地層參數(shù)表，表格中的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ是由固結(jié)快剪試驗(yàn)得到的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

表1中列出的是詳細(xì)的土體分層，其中⑤2、⑤1、⑤2三層參數(shù)相近、性質(zhì)相似，且層厚都很小，故將其合并，合并后的土層參數(shù)按合并前各層土的厚度進(jìn)行加權(quán)平均確定，且將合并后土層厚度精確到m。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》可知，砂土的泊松比經(jīng)驗(yàn)值范圍為0.25～0.30，此模型中泊松比取值為：粉細(xì)砂0.28，中粗砂0.26[9]。進(jìn)而，根據(jù)式1由壓縮模量計(jì)算得到變形模量

(1)

式中：E0為變形模量；Es為壓縮模量；μ為泊松比。

防護(hù)區(qū)地層由袋裝砂、級配碎石、護(hù)面塊石組成，其中對沖刷起到防護(hù)作用的是袋裝砂，因在袋裝砂的拋投之后，使用了鋼護(hù)筒進(jìn)行插打，袋裝砂被鋼護(hù)筒擠入地基土，袋裝砂層的抗沖刷性能在三層防護(hù)層中最好，因此模型使用的防護(hù)區(qū)土體參數(shù)將袋裝砂的參數(shù)為主要參考。其中，黏聚力和內(nèi)摩擦角的參數(shù)參考了楊敏的研究[10]。由于防護(hù)區(qū)的三層防護(hù)厚度很小，建模不利于模型計(jì)算收斂，故將三層合并為一層進(jìn)行計(jì)算，核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)、護(hù)坦區(qū)的厚度分別為4.5 m、3.5 m、4.5 m。

表2 有防護(hù)層模型使用土體參數(shù)Tab.2 Soil parameters used by the protective layer model

表3 無防護(hù)層模型使用土體參數(shù)Tab.3 Soil parameters used by unprotected layer models

根據(jù)高正榮的調(diào)查，蘇通大橋北主墩河床防護(hù)體表面有一定的沖刷損壞，且護(hù)坦區(qū)邊緣有坍塌跡象[8]，從監(jiān)測結(jié)果也可看出，北主墩東北角的水下邊坡已逼近護(hù)坦區(qū)邊緣。因此，此次模擬將考慮：

(1)防護(hù)層為現(xiàn)有狀況，模型取值如表2，區(qū)域劃分如圖3-a；

(2)防護(hù)層完全失效，即防護(hù)層被全部沖走，替換為非防護(hù)區(qū)河床表面土體，模型取值如表3，區(qū)域劃分如圖3-b。

3-a 有防護(hù)層3-b 無防護(hù)層圖3 數(shù)值模擬各區(qū)域示意圖Fig.3 Numerical simulation area diagram

4.2 模擬結(jié)果分析

圖4為蘇通大橋北主墩范圍2016年4月有防護(hù)層、2016年4月無防護(hù)層、2016年9月有防護(hù)層、2016年9月無防護(hù)層的數(shù)值模擬云圖。

4-a 2016年4月有防護(hù)層4-b 2016年4月無防護(hù)層

4-c 2016年9月有防護(hù)層4-d 2016年9月無防護(hù)層圖4 數(shù)值模擬云圖Fig.4 Contours of numerical simulation

對比圖4-a、圖4-c可以看出，在模擬的范圍內(nèi)，水下地形X軸位移最大的區(qū)域皆位于防護(hù)區(qū)外緊鄰的東北角，2016年4月有防護(hù)層情況下防護(hù)區(qū)外東北角X軸最大位移為0.25 m，2016年9月有防護(hù)層情況下防護(hù)區(qū)外東北角X軸最大位移為0.225 m，且X軸方向位移圍繞防護(hù)區(qū)外東北角逐漸減小，說明該區(qū)域是整個(gè)圖中最不穩(wěn)定的區(qū)域，這與圖2-a、圖2-c此區(qū)域的河床形貌圖中的區(qū)域相吻合。圖4-a中，最不利滑面的安全系數(shù)為1.48；圖4-c中，最不利滑面的安全系數(shù)為1.40。

對比圖4-b、圖4-d可以看出，對于無防護(hù)層的情況，在模擬的范圍內(nèi)，水下地形X軸位移最大的區(qū)域也位于防護(hù)區(qū)外緊鄰的東北角，2016年4月無防護(hù)層情況下防護(hù)區(qū)外東北角X軸最大位移為0.225 m，2016年9月無防護(hù)層情況下防護(hù)區(qū)外東北角X軸最大位移為0.325 m，該區(qū)域也是整個(gè)圖中最不穩(wěn)定的區(qū)域，圖4-b中，最不利滑面的安全系數(shù)為1.29；圖4-d中，最不利滑面的安全系數(shù)為1.22。

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范SL386-2007》，破壞后給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境帶來重大影響的1級邊坡，在正常運(yùn)行條件下安全系數(shù)取1.30～1.50[11]。因此，對于2016年4月和9月有防護(hù)層的情況下，邊坡是穩(wěn)定的。而對于最不利沖刷條件下，河床防護(hù)層被沖刷殆盡，2016年4月和9月的安全系數(shù)分別為1.29和1.22，均小于1.30，可認(rèn)為水下邊坡不穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文基于2016年蘇通大橋北主墩4月和9月的河床地形數(shù)據(jù)，將有防護(hù)層和無防護(hù)層兩種情況對比，利用FLAC3D對北主墩邊坡進(jìn)行模擬分析，得到以下結(jié)論：

(1)2016年4月枯水期和9月豐水期兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，蘇通大橋北主墩范圍內(nèi)最不穩(wěn)定水下邊坡都緊鄰防護(hù)區(qū)東北角，可認(rèn)為防護(hù)區(qū)東北角為最危險(xiǎn)區(qū)域。

(2)2016年9月豐水期北主墩范圍內(nèi)的最不穩(wěn)定水下邊坡安全系數(shù)要低于2016年4月枯水期的最不穩(wěn)定水下邊坡安全系數(shù)，說明2016年9月北主墩安全性最差。

(3)在正常沖刷條件下，2016年4月和9月北主墩范圍最不穩(wěn)定水下邊坡安全系數(shù)分別為1.48和1.40，均大于1.30，水下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；在最不利沖刷條件下，2016年4月和9月北主墩范圍最不穩(wěn)定水下邊坡安全系數(shù)分別為1.29和1.22，均小于1.30，可認(rèn)為水下坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。說明河床防護(hù)層對北主墩水下邊坡穩(wěn)定性有顯著作用。