水运工程规范在桥梁防冲刷方面的应用——开阳高速公路那龙河大桥冲刷防护工程探讨

◎ 王海林 中交第四航务工程勘察设计院有限公司



水运工程规范在桥梁防冲刷方面的应用
——开阳高速公路那龙河大桥冲刷防护工程探讨

◎ 王海林 中交第四航务工程勘察设计院有限公司

桥区冲刷是经常出现的工程问题，威胁桥梁安全急需解决。但目前国内尚无这方面的规范、标准，本文结合工程实例将水运工程相关规范及工程经验引用至桥梁冲刷防护。

水运 工程 桥梁 冲刷

1.冲刷防护工程简介

1.1工程概况

那龙河大桥是开阳高速公路阳东段的一座跨河大桥，桥长229.4米，桥台基础为钢筋砼钻孔灌注桩基础。河段无通航要求。2#～11#墩位于河床内，冲刷较严重，河床断面以平均每年60～70cm的速度下切。为保证桥墩处土层不再被冲刷，从而地基能对桩基提供足够的摩擦阻力，保证桥梁安全，需要对2#～11#桥墩进行防冲刷处理。

1.2冲刷情况分析

综合分析各种因素，那龙河大桥桥墩冲刷的原因主要有以下几点：

（1）桥墩自身引起水流流态局部变化引起冲刷，水流经过桥墩附近时，水流大致分为表面涡流、向下射流、马蹄形涡流、尾迹涡流，其中以向下射流与马蹄形涡流为造成桥墩局部冲刷之主因。

（2）由于上游2000m处的水利工程的建设，拦截了其上游流域的泥沙，使向下游河段的输沙量减小，增大了下游水流的挟沙能力。拦河坝离大桥较近，当开闸放水时，桥区水流流速较急，水流的冲刷能力较强，桥区冲刷强度较大。

（3）河道挖沙所造成的河道不规则变形引起冲刷。采砂使河床局部变形，打破了水沙运动的平衡，水流流态变化引起溯源冲刷，进而导致河床全面调整，影响河床稳定。

2.水运工程在冲刷防护中的应用

2.1防护思路

桥墩冲刷防护工程的功能是在设计的水动力条件下为桥墩桩基与原状土共同作用提供保障。本工程具有抢险性质，设计主要遵循以下原则：冲刷防护结构安全可靠，耐久性强；冲刷防护效果满足使用功能和设计标准；合理确定防护范围、平面布置和防护结构，确保经济合理；应考虑施工中不可避免的不均匀性对防护效果的影响；设计方案简洁明了，施工环节少；就地取材，备料容易；选用常用施工工艺，船机、设备调集方便；动态设计：鉴于桥墩处冲刷情况的不断变化，根据冲刷防护监测结果，合理地调整设计。

本次防冲刷工程结构方案设计从地形条件、施工条件、工程造价等多方面进行考虑，选定抛石防护。目前积累了不少工程经验，比较成熟，但很少运用规范规程依据。

2.2防护方案

2.2.1平面分区

本工程冲刷防护范围为2#～11#桥墩。在河流方向防护宽度为80 m，桥轴线方向防护总宽度为160m。整个防护区域分为核心区及护坦区，核心区布置于每个桥墩四周6m×40m，10个桥墩核心区面积共2400m2。其余防护范围均为护坦区，即桥墩与桥墩之间以及防护区域的上下游段，护坦区面积共10400m2。本次工程合计总防护面积约1.28万m2。如图1。

2.2.2结构设计

桥墩局部冲刷防护采用“护底块石+级配石层+护面块石层”的防护结构。2#～6#桥墩处于河流主河道，防护块体顺应河床走势，因此不需进行整平，以尽量减小对河流形态的影响；7#～11#桥墩处于河流非主河道，河床起伏不大，需先顺应现有河床整平成斜面后再铺填防护结构。整个防护区域沿水流方向外侧10m均要做厚度为0.5m、宽度为10m的护底。

图1　

2#～6#桥墩直接在河床面40m×80m范围内覆盖一层0.5m厚的混合级配碎石（规格为50～150mm），其倒虑作用可防止河床泥沙及装砂袋年久老化后的中粗砂被河水淘走流失。最上层整个防护范围内覆盖1m厚的30～100kg护面块石，护面块石沿核心区边沿以1∶10的缓坡过渡至护底，其余边坡均为1∶3。

7#～11#桥墩河床整平后，核心区在河床面覆盖一层0.5m厚的混合级配碎石（规格为50～150mm），上层覆盖1m厚的30～100kg护面块石，护面块石沿核心区边沿以1∶10的缓坡过渡至护底，其余护坦区均为1m厚的10～100kg护面块石，因护坦区下面因为没有级配碎石，所以块石的最小规格要有所下降，取为10～100kg护面块石。

桥墩局部冲刷后均有马蹄形坑洞，在坑内填充碎石，填充至与周边河床齐平。如图2。

2.3设计要点

近年来，很多学者及工程实际都对影响抛石防护效果的各种特征参数，如抛石中值粒径D50、布设高度h、抛石厚度t、抛投范围c 和抛石级配等进行了研究，本文将水运工程相关规范条文引入桥梁桩基冲刷设计，使方案更有依据和指导性。

（1）抛投范围。根据大量的参考文献及工程实践经验，防冲刷的范围较广，结构的整体稳定性较好，对地形的适应性强，减小了桥墩处的水流流速，水流冲刷后，河床上的大块石逆水上移，减少了冲深，最大冲深点所在位置远离墩桩，增强了核心区块石的稳定性。因此桥墩防护的范围越广，防护的整体稳定性越好，效果越佳。一般防护的范围不小于2倍桥墩尺度，常用3～7倍桥墩尺寸。考虑工程投资的影响，本工程防护范围有所限制，河流方向防护宽度为80 m，桥轴线方向防护总宽度为160m。

（2）块石规格。水运行业中有几本规范均对水流与块石规格的关系进行了规定：《航道整治工程技术规范》（JTJ312-2003）及《港口及航道整护岸工程设计与施工规范》（JTJ300-2000）中，水流流速大于3m/s时，d=0.04×（建筑物最大表面流速）2。《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）中，

图2　

这些规范中块石的粒径都是与流速的平方成正比。

《防波堤设计与施工规范》（JTS154-1-2011）中对于护底块石的稳定重量，当最大底流速为2m/s时块石的稳定重量为60kg，当最大底流速为3m/s时块石的稳定重量为150kg。

根据流速资料并结合几年洪水期残留块体考察，本次外层块石的取100kg。为了防护体更密实坚固，要求级配良好，兼顾下层级配块石的粒径，每种材料粒径层层相扣才能有效地防止淘刷。由此块石粒径的下限取为30kg。施工时应注意，外层安放较大的块石。

（3）块石厚度。根据工程经验，块石厚度一般为3～5层，相关研究表明抛石层越厚，结构整体性越好，防护效果也就越佳。按照100kg块石厚度约1m，考虑桥区水深流急，为加强防护效果，适当加大，但厚度过大，则减小了过水断面，引起二次副流，因此给予适当加大，取为1.2m。

（4）级配碎石厚度。《港口及航道整护岸工程设计与施工规范》（JTJ300-2000）中规定级配碎石位于水上不小于0.4m，水下不小于0.6m。水上水下的区别主要考虑施工的误差，本工程河水很浅，在枯水季节几乎无水，因此取0.5m可以保证级配碎石的反滤作用。

（5）级配碎石粒径。粒径范围应根据下层要防护河床砂的粒径。根据工程经验，当不均匀系数＜5则级配较差，不均匀系数＞10时则级配较好。本工程设计级配碎石的中值粒径D50 为100mm左右，要求50～100mm的级配碎石占50％，100～150mm的级配碎石占50％。

（6）质量标准。由于国内尚无针对河床冲刷防护的正式的施工规范、规程和质量检验评定标准，本工程设计参照交通运输部《水运工程质量检验标准》（JTS257-2008）的相关条文规定执行。本工程对各结构层按以厚度控制为主，以高程控制为辅的原则进行验收，并提出标高、厚度及边线位置等的允许变差值。

2.4防护效果

那龙河大桥实施后经过洪水的考验，根据现场勘察结果，由于设计方案较为合理，桥区防护效果很好，有效地保护了桩基，保证了桥梁的安全。

［1］航道整治工程技术规范（JTJ312-2003）.

［2］港口及航道整护岸工程设计与施工规范（JTJ300-2000）.

［3］堤防工程设计规范（GB 50286-2013）.

［4］防波堤设计与施工规范（JTS154-1-2011）.

［5］水运工程质量检验标准（JTS257-2008）.