水中建筑結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)沖刷防護研究綜述

閆正余, 田 華, 康 文, 周 超, 刁聞宙, 張 鵬, 寇海磊*

(1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2. 青島海大建設(shè)工程檢測鑒定中心，山東 青島 266100；3.青島市市北區(qū)濱海新區(qū)管理委員會，山東 青島 266011)

引 言

隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，河流、海洋等復(fù)雜環(huán)境已逐漸成為又一個重要建設(shè)領(lǐng)域。近年來，河流及近海等一些水域環(huán)境下的工程建設(shè)迅速發(fā)展。港珠澳大橋的建設(shè)，近海海域海洋平臺的建設(shè)等標(biāo)志著我們在水域環(huán)境下的工程建設(shè)日趨成熟，但是水域環(huán)境比起陸地環(huán)境更加復(fù)雜，影響工程建設(shè)的因素也更加多元。海洋平臺基礎(chǔ)會改變其周圍波流條件，造成海床泥沙高度變化，對平臺安全穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[1]。對于水域環(huán)境中的建筑物，不僅要考慮建造過程中的經(jīng)濟適用性，其安全穩(wěn)定性更是重中之重，因此對建筑物基礎(chǔ)底部的沖刷等相關(guān)問題的研究對其安全穩(wěn)定性尤為重要[2]。

國內(nèi)外由于沖刷而導(dǎo)致橋梁坍塌造成經(jīng)濟損失、人員傷亡的事故不在少數(shù)。黑龍江鐵力西是一座等截面懸鏈線雙曲拱橋大橋，始建于1973年，建成后一直正常運行服役，但在2009橋體發(fā)生坍塌，對事故現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)橋墩基礎(chǔ)在長期水流沖刷作用下其周圍有較大沖刷坑存在，分析發(fā)現(xiàn)是局部沖刷坑的存在降低了橋體的整體穩(wěn)定性，使其在洪水作用下坍塌。美國田納西州卡溫頓附近的哈奇河大橋于1989年洪水期間倒塌，同樣造成人員傷亡，事故調(diào)查原因顯示該橋梁樁基在長期水流沖刷作用下樁徑已有較大的縮減，樁基承載能力減弱，最終于洪水期間坍塌[3]。由沖刷引起的基礎(chǔ)樁基破壞，見圖1。

圖1 實際工程樁基沖刷

1 結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的沖刷

1.1 沖刷引起的原因

沖刷是過流水流流過引起河床、海岸泥沙懸起運移的現(xiàn)象。沖刷按其類型通常分為三類：一般沖刷、局部沖刷和收縮沖刷。一般沖刷是指水流流經(jīng)河道時，河床上部泥沙在水流的沖刷下懸浮運移到下游，導(dǎo)致河床深度變化的沖刷形式；局部沖刷是指水中結(jié)構(gòu)物的存在改變了結(jié)構(gòu)物周圍的水流流場，使得結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)周圍泥沙急劇運移變化且會形成沖刷坑的沖刷形式。局部沖刷相比一般沖刷和收縮沖刷，其沖刷深度大將近一個數(shù)量級[4]。在分析沖刷問題時，局部沖刷是眾專家學(xué)者們研究的重點。

局部沖刷多發(fā)生于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底部與河(海)床泥沙交界處。水域環(huán)境結(jié)構(gòu)物建成后，其水下部分會對經(jīng)過流場造成干擾，水流狀態(tài)及水流流速等皆會發(fā)生改變，其較為顯著的變化是會在結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)周圍產(chǎn)生回旋渦流、下降水流、馬蹄形水流等一些流速湍急的過流水流，這些急速水流使樁周水流的攜沙能力強于上游水流攜帶泥沙而下的能力，樁周泥沙起動運移到一定程度達到?jīng)_於平衡，最終形成沖刷坑。沖刷坑減少了結(jié)構(gòu)物與河(海)床泥沙之間的有效接觸面積，會對結(jié)構(gòu)物的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[5]。橋梁樁基、海洋平臺基礎(chǔ)沖刷示意圖見圖2。

圖2 基礎(chǔ)沖刷示意圖

1.2 沖刷深度理論計算

影響水域環(huán)境結(jié)構(gòu)物局部沖刷的因素眾多，比如結(jié)構(gòu)物水下部分與流體之間、流體與河(海)床泥沙之間耦合作用等，給局部沖刷問題的研究帶來了諸多困難，其中局部沖刷深度一直是眾多專家學(xué)者的研究方向。前人的研究發(fā)現(xiàn)使人們對局部沖刷、對局部沖刷深度等有了更為全面的了解，為更深入的研究沖刷問題奠定了基礎(chǔ)。

周玉利和王亞玲[6]通過使用數(shù)學(xué)上的回歸方法對單向水流作用下的局部沖刷平衡深度進行了有效預(yù)測；Sumer和Whitehouse[7]經(jīng)過試驗推導(dǎo)出非線性規(guī)則波作用下圓形截面結(jié)構(gòu)物的最大沖刷深度計算公式；謝世楞[8]推導(dǎo)出波浪作用下細沙海床上的直立堤前最大沖深公式；高學(xué)平和趙子丹[9]推導(dǎo)出粗砂海床上的直立堤前沖深公式；黃建維和郭穎[10]對波浪作用下海上墩式結(jié)構(gòu)物基底附近局部沖刷的最大沖深公式進行了預(yù)測；李林普和張日向[11]經(jīng)過試驗推導(dǎo)了波流作用下大直徑圓形截面結(jié)構(gòu)物基底最大沖刷深度預(yù)測公式；于通順和練繼建[12]通過試驗研究給出了實際工程復(fù)合筒型基礎(chǔ)的最大沖刷深度。

有關(guān)預(yù)測最大局部沖刷深度的計算公式已經(jīng)應(yīng)用于實際工程中，公式綜合考慮影響波浪流沖刷、結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)形式等諸多因素，如波高H、波長L(或周期T)、海流流速vc；與流體有關(guān)的參數(shù)有水深h、重力加速度g、流體密度ρw、流體運動粘度系數(shù)μ；與結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)特征有關(guān)的參數(shù)如圓柱體直徑D；與河(海)床土質(zhì)有關(guān)的參數(shù)如泥沙顆粒直徑do、泥沙均勻度σ及泥沙顆粒密度ρs；與沖刷特性有關(guān)的參數(shù)如沖刷深度S、時間t等，結(jié)合大量室內(nèi)物理模型試驗數(shù)據(jù)，采用線性擬合的方法得出預(yù)測最大沖刷深度的公式：

Sm/h=0.14(sinh(2πh/L))-1.35+44.35vc2/gh+0.1eD/L+α

(1)

式中，α為修正系數(shù)，當(dāng)D/L<0.50時，α=-0.102；當(dāng)D/L≥0.50時，α=0。該預(yù)測公式的計算結(jié)果與物理模型試驗所測數(shù)據(jù)基本吻合，誤差在30%以內(nèi)。

沖刷深度理論計算公式的提出，給設(shè)計人員提供了理論基礎(chǔ)，設(shè)計人員綜合考慮影響沖刷深度的各種因素在基礎(chǔ)設(shè)計階段對結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)采取偏于保守的設(shè)計方法，進一步提高結(jié)構(gòu)的整體安全穩(wěn)定性。

2 結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的防護

從結(jié)構(gòu)物沖刷機理上可將水流與結(jié)構(gòu)物的沖刷作用分為三個部分：前進水流旋渦、下降水流淘底、尾流旋渦沖坑，三個部分綜合作用是結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)沖刷坑形成的主要原因。國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)沖刷防護措施做了大量研究。現(xiàn)有沖刷防護措施多是從消除或抑制沖刷機理進行設(shè)計。

Brice和Blodgett[13]等將局部沖刷視為既可與結(jié)構(gòu)物自身設(shè)計結(jié)合又可在結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)周圍獨立布設(shè)、用于抑制或減弱結(jié)構(gòu)物基底周圍床面沖刷的一類工程措施；Chiew[14]則按沖刷機理把結(jié)構(gòu)物沖刷防護進行分類：一為主動防護，是從行進波流入手，主要減小水流的沖蝕作用，以提高防護能力；一為被動防護，是從被沖刷對象入手，比如改變河(海)床泥沙的耐沖性，改變結(jié)構(gòu)物水下基礎(chǔ)形式等，以提高防護能力；梁發(fā)云[1]提出根據(jù)防護措施在實際工程中的放置位置可以分為結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)前、結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)周圍、結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)后三種防護措施。

本文針對現(xiàn)有沖刷防護措施從結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)實體抗沖與減速不沖角度對沖刷措施進行分類，并對各種防護措施的優(yōu)缺點進行簡單介紹，旨在為工程實際問題提供理論基礎(chǔ)。

2.1 實體抗沖防護措施

2.1.1 拋石防護

拋石防護是現(xiàn)在較為常用的一種工程防護措施，根據(jù)其防護特性可將其視為一種實體抗沖防護，是將特定大小的石塊體拋放至結(jié)構(gòu)物基地周圍，一來可以保護結(jié)構(gòu)物基地周圍泥沙使其避免直接被水流沖蝕，從而減弱泥沙懸起運移的趨勢；一來拋石具有隨機性，落在結(jié)構(gòu)物基地周圍對行進水流流場造成二次干擾，對回旋渦流、下降水流的形成產(chǎn)生影響，降低其沖刷力。但拋石防護亦受多種因素的制約，如拋石塊體的粒徑，拋石位置的高度，結(jié)構(gòu)物基地拋石層的厚度、范圍等，這就要求施工人員針對不同的水文地質(zhì)條件，要合理選擇影響因素的參數(shù)，以達到最有效的防護效果。

拋石防護因其對材料要求低且較容易獲得，拋石過程技術(shù)含量低易于操作，無視地形、結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)形式變化等諸多優(yōu)點被廣泛采用為較為基礎(chǔ)的防護方式，但拋石防護的劣勢也應(yīng)引起施工人員的注意，如拋石防護的隨機性導(dǎo)致了拋石塊體的整體性差，拋投完成后塊體是否被水流沖刷帶走的可查性難度較大，二次拋投的成本投入太高等，綜合來看拋石防護在某些情況下不失為一種便捷的防護措施，防護示意圖見圖3。

圖3 拋石防護示意圖

2.1.2 擴大橋墩基礎(chǔ)防護

擴大橋墩基礎(chǔ)這種防護方法是在結(jié)構(gòu)物即橋墩施工過程中預(yù)先采取措施以加強防護效果，按其效果亦可將其視為實體抗沖防護，其主要特點是在建造過程中對橋墩與河(海)床接觸面進行基礎(chǔ)擴大，給予橋墩一定的保護，防護示意見圖4。

圖4 擴大橋墩基礎(chǔ)防護示意圖

近來的試驗及理論研究表明，擴大基礎(chǔ)高出河(海)床面的高度、延河(海)床面的伸長范圍等對其防護效果有較大影響。擴大的基礎(chǔ)部分承受了大部分行進水流產(chǎn)生的下降水流的淘刷作用，對其周圍床面泥沙有一定的保護，但是位于床面以上的擴大基礎(chǔ)也會產(chǎn)生較強的回旋渦流，又會加大其沖蝕效果。因此部分專家學(xué)者對此種防護措施持保守看法，認為河(海)床泥沙運移導(dǎo)致的床面高度變化對其防護效果影響較大。如果能對床面高度變化規(guī)律有較準(zhǔn)確地預(yù)測，保證其降低的下降水流淘刷作用強于行進水流的沖蝕作用，擴大基礎(chǔ)防護方法也不失為一種有效的防護措施。

2.1.3 混凝土膜袋防護法

混凝土膜袋防護是在結(jié)構(gòu)物基底周圍放置裝填有混凝土的高性能膜袋，使膜袋將床面泥沙層覆蓋，所有水流力皆作用在膜袋上，有效的保護了結(jié)構(gòu)物基底床面泥沙，使其不受水流的沖砂，以保證結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，按其防護機理亦將其視為實體抗沖防護。

高性能的膜袋使混凝土在膜袋中受壓成型而不至于膜袋損壞，將單個混凝土膜袋連接成整體，使其具有良好的整體性，并且膜袋內(nèi)混凝土成型前會隨床面地形變化，能夠使膜袋緊貼床面，提高防護性能。此外，此方法方便水下施工，選擇合適的混凝土可以降低工時，但是對于水流條件要求高，過大的水流會給混凝土填充過程帶來困難，另外在混凝土膜袋層的邊緣位置水流的沖刷作用仍然存在，長期作用下會使膜袋懸空，加速沖刷過程發(fā)展，防護示意圖見圖5。

圖5 混凝土膜袋防護示意圖

2.1.4 四腳混凝土塊防護

四腳混凝土塊防護與拋石防護較為類似，只是在拋石塊體的選擇上有所不同。與傳統(tǒng)拋石方法相比，四角混凝土塊是在拋投前按照要求制造，并且對于拋石位置也有精確的要求，其穩(wěn)定性較之于傳統(tǒng)拋石有了較大提高，由于其防護機理與拋石方法類似，也是降低下降水流淘刷，減弱行進水流沖蝕，可將其視為拋石防護方法的一種替代?，F(xiàn)階段的試驗及理論研究方面，四角混凝土塊體防護還處于可行性分析階段，因為其造價成本與防護效果的提高并不成正比，但作為拋石防護的替代方法，有待于繼續(xù)研究以提高其綜合防護效果。

2.2 減速不沖防護

2.2.1 護圈防護

護圈防護是指在結(jié)構(gòu)物水下某處位置放置剛性護圈以改變水流的沖刷形式，從機理上可將其視為減速不沖防護方法，其典型特點是二次改變流經(jīng)結(jié)構(gòu)物周圍的流體流場形態(tài)。護圈將流經(jīng)結(jié)構(gòu)物附近的流體分為水面以下、護圈以上區(qū)域及護圈以下河(海)床面以上區(qū)域，隨著護圈的形式及布設(shè)高度的不同，不同水流區(qū)域的流速會有很大變化。當(dāng)護圈布設(shè)在河(海)床以上位置時，流經(jīng)護圈上部的過流水流在護圈的阻擋作用下，其下降沖刷力大大減小，下部過流水流的在護圈影響下其繞流及馬蹄形漩渦作用減弱，有效降低了沖刷作用：當(dāng)將護圈布設(shè)在河(海)床以下某位置時，水流沖刷會帶走護圈上部泥沙，使護圈裸露承受主要沖刷作用力，以此種方式來降低沖刷作用，研究表明，將護圈布設(shè)在河(海)床以下0.015倍水深位置時，對沖刷的影響最為顯著，可降低50%～70%的沖刷深度。

護圈防護方法對結(jié)構(gòu)物基底附近河(海)床面泥沙有著顯著的保護作用，但是一旦河(海)床面泥沙運移劇烈變化導(dǎo)致護圈布設(shè)位置與床面高度較之初始位置有巨大變化時，護圈防護方法效果將大打折扣，因護圈與床面高度變化會改變下降水流淘刷作用加強，會加速沖刷坑的發(fā)展，防護示意圖見圖6。

圖6 護圈防護示意圖

2.2.2 橋墩開縫防護

橋墩開縫是在不影響整體承載力的情況下對橋墩水下某位置做開縫處理，因其對水流流速、沖刷方式的影響可將其視為減速不沖防護方法。行進水流流至橋墩開縫處會從開縫處直接流過，大大減小了水流的下降水流淘刷力，并且由于開縫存在，繞橋墩的回旋渦流也有部分減弱，給橋墩基底附近泥沙提供了強有力的保護，防護示意圖見圖7。

圖7 橋墩開縫防護示意圖

眾多研究學(xué)者認為，影響橋墩開縫防護效果的因素主要有開縫的位置，開縫的長度、寬度以及開縫與行進水流的夾角。當(dāng)開縫的寬度為四分之一倍墩徑，長度為貫通水面到橋墩基底與床面位置時，防護效果顯著。開縫防護也面臨一些問題，一是當(dāng)河道水流中含有雜物時開縫極易被雜物堵塞，降低防護效果，一是開縫與行進水流夾角一旦因水流方向改變而產(chǎn)生較大變化時，將導(dǎo)致開縫失去作用，墩體將直接承受水流沖刷力。

2.2.3 墩前排樁防護

墩前排樁防護是在橋墩迎水流方向一定距離處設(shè)置相當(dāng)數(shù)量的樁群，樁群的布設(shè)形式及數(shù)量據(jù)水流及河(海)床面泥沙等決定。行進水流流至樁群處時水流會有一定程度分離，其渦流強度減弱，流速降低，給后面墩體提供有力防護，防護示意圖見圖8。

圖8 墩前排樁防護示意圖

眾多研究表明，墩前排樁防護效果主要取決于樁群距橋墩的距離、樁群布設(shè)形式、樁群數(shù)量等。樁群對行進水流流速、渦流強度等都有顯著降低，并會在樁群后產(chǎn)生尾流區(qū)域，若橋墩位置處于尾流區(qū)，其所受沖刷將大為降低，若橋墩距離樁群較遠位置超出尾流區(qū)，水流的減弱作用在橋墩前將消散，樁群作用失效。樁群布設(shè)形式對水流的分流減弱作用顯著，較為常用的是將其布設(shè)為三角形，水流迎其中一角行進，其分流作用使水流主要沿三角形兩邊行進，其后尾流區(qū)的沖蝕作用降低。但是墩前排樁受到床面泥沙運移及河道內(nèi)水流流向的影響較大。

2.2.4 淹沒檻防護

淹沒檻防護是在橋墩迎水面前一定距離處埋置防沙檻，直接阻擋行進水流沖蝕力并對水流產(chǎn)生一定分流以保護防沙檻后床面泥沙，按沖刷機理看，淹沒檻防護也是一種減速不沖防護措施，防護示意圖見圖9。

圖9 淹沒檻防護示意圖

有關(guān)研究表明淹沒檻防護有效降低河床面水流的沖蝕力，但對墩前下降水流的淘刷作用影響甚小，且防沙檻的位置、大小與水流方向的夾角等都對其防護產(chǎn)生影響，一旦水流方向改變或防沙檻被運移泥沙掩埋都將失去其防護效果，但是淹沒檻防護易于施工，成本較低，在河道水流不甚劇烈情況下可以采取此種防護措施。

2.3 固化劑加固防護

固化劑加固樁基周圍土體是一種新型的防護方法，是在樁基周圍土體中適當(dāng)加入固化劑，固化劑與土體發(fā)生反應(yīng)，使樁基周圍土體更為密實，增大土體與樁體的摩阻力進而實現(xiàn)防護。此方法的優(yōu)點是可以將基礎(chǔ)周圍土體或者其他廢棄淤泥視為原材料，減少成本；但是固化劑種類的選取、固化劑在水中反應(yīng)的程度等問題仍需要進一步的研究。

3 結(jié)論與展望

沖刷是水域環(huán)境建筑物基礎(chǔ)常見的問題，針對具體的水文地質(zhì)條件眾多專家學(xué)者提出了局部沖刷理論及預(yù)測最大沖刷深度的計算公式，對實際工程具有理論指導(dǎo)意義；傳統(tǒng)的防護方法對于橋梁樁基、近海及海岸工程結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的防護以較為成熟，已運用于實際的防護工程中，防護效果滿足人們的預(yù)期。對于已有的傳統(tǒng)防護方法的對比研究發(fā)現(xiàn)，沖刷的實質(zhì)實則是結(jié)構(gòu)物周圍流場的變化導(dǎo)致其周圍泥沙懸起運移，影響了結(jié)構(gòu)物整體的安全穩(wěn)定性，雖然以上對比皆為圓形截面結(jié)構(gòu)，但是不難看出其他截面形式的結(jié)構(gòu)物沖刷機理與之相似，對以上提及的防護方法同樣適用。

當(dāng)前人們已不滿足于近海及淺海的開發(fā)，逐步向深遠海域發(fā)展，傳統(tǒng)的防護措施不能滿足深遠海域復(fù)雜的水域地質(zhì)環(huán)境。針對深遠海域結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)沖刷問題，新型防護方法的研究開發(fā)刻不容緩。