港珠澳大桥埋置式承台基坑冲淤试验研究

2013-03-13仇正中吴启和牛照

中国港湾建设 2013年1期

仇正中，吴启和，牛照

（中交第二航务工程局有限公司，长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040）

0 引言

港珠澳大桥非通航孔桥基础为高桩承台基础，承台位于海床面以下，施工期承台基坑局部冲刷及回淤对结构安装带来影响，需要对基坑边坡稳定、基底回淤量进行理论和试验研究，确定合理的开挖边坡比和超挖量，既满足基础墩台安装要求，又使工效得到保证，同时又不至于设置不合理的边坡比和超挖量，从而增加施工成本。

1 工程概况

1.1 工程地质

港珠澳大桥工艺试验承台尺寸为10.6m×10.1m×4.5m，试挖基坑底标高为-11m，基坑深约5 m，基坑工程可挖性属Ⅰ级，开挖穿越的地层有淤泥层①、淤泥质黏土层②，各土层的力学性能指标如表1所示。

表1 土层力学性能指标

1.2 潮流与潮汐

伶仃洋的潮汐受南海潮波系统控制，属于不规则半日潮混合潮型。从实测潮位过程曲线分析，本区日不等现象明显，其中大潮期间日潮现象较明显，小潮期间半日潮现象显著，中潮介于两者之间。

同潮汐一样，伶仃洋的潮流也属于不规则半日潮类型，呈现往复流运动形式。东槽涨潮势力较强，枯季尤为明显，西槽落潮动力占优，汛期更为突出。无论涨潮还是落潮，湾内纵向流速分布均呈由湾口向湾顶逐渐增大的特点。

1.3 泥沙

伶仃洋水体的含沙量具有深槽小、浅滩大，西部高、东部低，汛期水浑、枯季水清等主要分布特征。在2004年6月水文观测期间进行了含沙量和底质取样，含沙量取样分析表明：测验水域平均含沙量为0.012 kg/m3，实测最大含沙量为0.141 kg/m3，最小含沙量为0.0002 kg/m3。悬沙由湾内向海域输出，净输沙量平均为570 kg/（m·d）。底质取样分析表明，大濠水道所在深水航道区底质为砂-黏土质粉砂，大濠水道以西至珠海一侧广宽的海域为黏土质粉砂。伶仃洋自然冲进率一般都很小，据研究，伶仃洋西滩的自然沉积率约为2～5 cm/a，东滩沉积速率仅为1 cm/a左右，湾内平均沉积率在1.5～2.5 cm/a之间，属于微淤的稳定河势[2]。

2 承台基坑冲淤理论分析

2.1 计算方法

应用海港水文规范中航道淤积的经验公式对本工程基坑回淤量进行初步分析，给出在T时段内单位面积上的回淤厚度为：

式中：P1为航道底面的淤积强度，m；ω为细颗粒泥沙的絮凝沉降速度，m/s；S1为相应于平均水深d1的平均含沙量，kg/m3；t为淤积历时，s；γ0为淤积物的干密度，kg/m3；K1、K2分别为横流和顺流的淤积系数，在缺少现场资料的情况下，可取K1为0.35、K2为0.13；d1、d2分别为平均水深和基坑开挖后的水深，m；θ为基坑走向和潮流流向之间的夹角。

2.2 承台基坑回淤量计算

本工程区海域潮流属于不规则半日潮类型，呈现往复流运动形式。本海区浅水效应较为显著，具体表现在涨、落潮流的不对称性及涨、落潮历时不等较明显。2004年6月在拟建工程海域沿备选线位共布置了9个水文测点，进行大、中、小潮全潮水文观测。工程区海域大潮期实测海流资料见图1和表2。

图1 桥区大潮期流矢图

表2 各测点垂线最大平均流速及流向

承台基坑处水深约为5.5m，基坑底水深约为11.5m。假定基坑与水流每差15°进行1次计算。由于承台基坑剖面呈近似正方形，故需考虑两个方向的淤积。计算结果见表3。

表3 承台基坑底回淤深度计算

试挖槽位于SW07站（最大含沙量站）附近海域，平均含沙量取为0.141 kg/m3，淤积历时按21 d计算，根据规范要求[3]，淤泥质海岸淤积物的干密度取为750 kg/m3，细颗粒泥沙絮凝团的沉降速度取为3.5×10-4m/s。由表3计算结果可知，试挖槽基坑理论计算得出21 d大概回淤了6.7 cm，而用单波速实测得出21 d的最大回淤量为7 cm，两者结果基本吻合。故可以用经验公式来推算基坑超挖量。

基坑回淤与时间紧密相关。根据港工规范给出的回淤量分析经验公式，在一定的时间内，基坑回淤厚度与时间成正比关系。时间拖得越长，回淤量越大，基底处理工程量就越大，同时拖延工期。因此应该尽量减少基坑成槽时间。本工程中对回淤1个月、2个月、3个月以及半年时间的基坑回淤厚度进行计算。根据表3的计算情况，偏安全考虑的情况下，选择基坑与水流呈30°和45°两种情况进行计算，计算结果见表4。

表4 承台基坑超挖深度计算

由表4计算结果可知，承台基坑开挖1个月后需超挖10 cm左右，试挖槽开挖2个月后需超挖19 cm左右，其余类推，半年后需超挖58 cm左右。在实际工程中，试挖槽超挖还考虑到锚桩振沉、钢管桩振沉、可能出现的阵风以及施工船只对基坑周围水流形成阻滞等因素的影响。

3 承台基坑冲淤原位试验研究

3.1 检测方法

为了揭示承台基坑开挖后基底冲淤规律，在大桥设计里程K22+853向北偏离桥轴线150m处进行了基坑冲淤原位试验研究，本实验采用传统的单波束测深仪定期和不定期进行试验基坑开挖后水下地形测量工作。水深测量共均匀布置了94个测点，测量点间距为5m×10m，其中槽底布置了4个测点，测点布置如图2所示。

图2 基坑回淤测试点分布示意图

3.2 承台基坑回淤量观测

承台基坑自2011年12月19日至2012年2月14日，累计完成基坑开挖前水下地形测量、基坑开挖后水下地形测量及总计8期的回淤监测水下地形测量，基坑底回淤量（回淤厚度）随时间的变化情况见图3，基坑底区域回淤量观测结果（回淤厚度）如表5所示。

第四，其他制度。除了上述三项主要制度之外，水资源保护公益诉讼制度还需要建立相关的配套制度，如诉讼时效制度、诉讼费分担制度等。

图3 试挖槽回淤理论值与实测值对比

基坑开挖开始直到锚桩振沉完成平联之前为止，单波速共进行6次测量。在此期间，未进行施工作业，海上状况良好，未出现较大的风浪流情况。由图3可知，前6次测量，基坑回淤实测值和理论值拟合情况较好，不考虑钢管桩振沉等因素的影响情况下，可通过该理论公式预测港珠澳大桥主体工程承台基坑回淤。

承台足尺模型工艺试验中，后3次单波束测量承台基坑回淤量明显增大。基坑挖后1个月内，累计回淤量（回淤厚度）平稳略有上升，当钢管桩振沉完成后，由于受到钢管桩振沉时振动的影响，基坑底部回淤量明显增大，短期内达到40 cm左右，总回淤量达到45 cm左右。后期又受钢管桩吸泥钻机振动及填芯混凝土浇筑和期间集中的海上阵风（阵风7～8级）天气的影响，基坑底部有较大的回淤，回淤量在8 d内达到20 cm左右。在预制墩台吊装前完成最后一次测量，由于受到海上阵风（阵风7～8级）天气的影响及大量施工船只对基坑周围水流形成阻滞造成回淤，通过对测量数据的整理分析发现，最后一次测量基坑底部回淤量为10 cm左右，基坑总回淤量为80 cm左右。考虑到实际工程中，施工因素以及不可预知天气的影响，结合表4、表5数据估算，承台基坑挖后1～2个月左右，需超挖大概1m。

表5 基坑内回淤量汇总表

3.3 槽底回淤增大可能性分析

港珠澳大桥主体工程基坑开挖时，亦须注意一些槽底因不可抗因素造成的骤淤。结合工程实际情况，对一些可能引起骤淤的因素进行分析。

3.3.1 试挖槽附近区域采砂活动

试挖槽上游内伶仃岛以北矾石水道以西区域为砂源区，多家单位长年于此利用射流船进行采砂作业且产量巨大，海砂开采后尚需在现场进行冲洗。海砂开采及现场冲洗对海床进行扰动并造成海域水体悬移物质增加。

由于航道疏浚作业、采砂作业等造成试挖槽周边水体悬移物质增多，而试挖槽附近500m范围内相对平整，仅试挖槽如坑般置于其中，水流将上下游来沙、浮泥等携带至槽中，造成试挖槽槽底淤积。只是平时当地海水很清，细颗粒泥沙组成的海床也比较稳定，所以槽底回淤不大，而当上游有浑水下来，必将会淤积在试挖槽内。因此可以推断，只要附近有大型疏浚施工，该试挖槽槽底发生较强回淤是不可避免的。

3.3.2 风暴潮对试挖槽回淤影响分析

深槽骤淤指深槽底部在特定条件下产生的快速淤积，通常以浮泥形式出现。深槽产生骤淤必须具备以下3个基本条件。

1）有丰富的细颗粒物质的供应源。

2）迅速衰减的动力条件：试挖槽表层流速大于槽底流速（接近于0）。当水流流过试挖槽时，流速迅速衰减，水流动力也随之迅速衰减。

3）存在明显的负地形：试挖槽所在区域自然水深为5～6m，而试挖槽成槽开挖水深为11.5m左右，满足产生骤淤的地貌基础。

总之，如果试挖槽上游有大型疏浚施工，需考虑基坑较强的回淤情况。因伶仃洋海区悬移质含沙量较小，风暴潮对基坑回淤影响较小。