长江深水航道中钢围堰施工冲刷防护

吴启和 ，柯杰

随着我国经济的快速发展，社会交通运输需求量迅速增加，大型跨海、跨江大桥越来越多[1]。江海水域由于水文地质条件复杂，常采用大型钢围堰为跨海、跨江桥梁基础施工提供安全可靠的作业条件。钢围堰刃脚埋入河床的深度是施工设计的关键参数，必须保证施工中河床发生水流冲刷条件下，围堰不会发生移动、倾斜或失稳。

钢围堰施工过程中，围堰结构会造成河道局部水流条件的变化，改变水流方向及流态并产生壅水，常常会形成垂向螺旋流[2]，对围堰周围的河床床面产生一定的切应力，河床床面发生冲刷，逐步形成冲刷坑，影响围堰入土深度，进而影响桥梁基础的施工安全和质量。尤其是易冲地质水域，大型钢围堰施工引起水流形态变化造成的冲刷更为严重，围堰施工过程中的整体安全性会受到较大程度影响。因此，预测分析大型钢围堰在施工过程中河床的冲刷特征和防护措施的有效性，对于桥梁基础施工安全和质量具有重要意义。

吴门伍[3]通过制作围堰下沉模拟物理试验，分析了天兴洲大桥围堰下沉不同阶段，围堰周围水流流速、紊动强度及河床局部冲淤情况，从而预测围堰下沉时河床局部冲刷深度。刘达[4]建立清远水利枢纽工程的施工导流动床物理模型，研究了河道和导流围堰外侧的河床冲刷规律，分析围堰结构型式对围堰外侧冲刷形态的影响。齐梅兰[5]通过物理试验，研究了钢围堰入水的相对高程对床面局部最大冲刷深度的影响，综合考虑多方面影响因素，推导了局部冲刷深度的计算公式。吴修锋[6]建立曹娥江大闸围堰的二维水沙数学模型，计算分析围堰施工期引起的河床冲淤变化。

学者们的研究主要集中在围堰施工引起的河床冲刷问题上，针对围堰施工阶段河床的防护措施研究较少，尤其是针对深水航道易冲刷地质条件下围堰冲刷特征及冲刷防护效果的研究更为稀缺。本文根据沌口大桥深水基础大型钢围堰施工实例，建立河床冲刷及防护的物理模型试验，分析施工不同阶段河床冲刷情况，并制定防护措施、研究防护效果，为大型钢围堰施工提供理论依据，并为以后深水航道易冲刷地质条件下围堰施工及河床冲刷防护提供施工参考。

1　工程概况

沌口大桥采用双塔斜拉结构形式，主桥基础位于长江深水航道中，采用大型钢围堰整体浮运至现场定位下沉的施工工艺进行深水基础施工。主墩双壁钢围堰外形呈长八边形柱体，顺水流方向的长为55.3 m，迎水宽为29.1 m；钢围堰顶标高为+25.7 m，底标高为-0.5 m，岩面标高为-8.0 m；双壁结构厚1.5 m，底部设置4.5 m高的X形封底隔舱。钢围堰的结构形式见图1。

图1　钢围堰结构图Fig.1　Structural drawing of steel cofferdam

当地水文条件：近50多年平均流量为22 700 m3/s，年平均含沙量0.55 kg/m3，年平均输沙量约3.9亿t，历年实测最高水位为29.73 m，最低水位为10.08 m。根据2010年水文勘测局的实测数据，桥位处洪期（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。

跨江主桥深水基础位于长江深水航道的河床易冲区域，河床覆盖层为散粒粉细沙，在水流动力作用下容易被冲移位，造成河床覆盖层厚度减少。大型钢围堰下沉过程中，不同入水深度，水流形态不同，造成的河床冲刷形态也不同。

2　概化模型设计

目前国内外研究涉水建筑物[7]周围局部冲刷问题主要通过系列模型延伸法或局部正态模型两种途径。钢围堰下沉施工中底部床面的冲刷问题采用系列模型延伸法，具有较高的适用性与可信度。

地质条件：桥墩所在区域土层由砾沙、粉沙、细沙和中沙等组成，其中粒径d在0.075～0.25 mm的细沙占绝大部分，故本试验原型沙的主要参数选取为：粒径d50=0.20 mm，容重γs=2.65 t/m3。

围堰处水深为10～20 m，通过试算得出钢围堰模型采用煤粉满足相似条件的几何比尺λh0=12（λhi为几何比尺，其中i为编号，i=0，1，2）。综合考虑试验条件及试验精度问题，模型试验采用λh1=50和λh2=100两种几何比尺。

试验采用40 m×5 m的宽水槽进行，动床段尺寸为12 m×5 m，床面铺沙厚度0.6 m。桥墩基础布置在试验段中央。

通常情况下，在模拟碎粒体无黏性泥沙局部冲刷试验中，一般经历的时段在2～3 h时，桥墩局部冲刷坑达到冲刷基本平衡状态[8]。本试验观测表明：试验桥墩附近床面冲刷达到冲刷基本平衡状态约2.5 h。冲刷后的床面地形，通过测针和地形界面仪，辅以摄像设备进行测量。

为研究主桥深水基础大型钢围堰施工全过程河床冲刷形态的变化，整个试验分为预备试验、冲刷试验及冲刷防护试验三个组别进行。试验组别及试验目的见表1。

表1　大型钢围堰施工物理模型试验组别Table 1　Physical model test group of large steel cofferdam construction

3　模型试验及分析

1）建立系列模型试验（两种几何比尺1∶50和1∶100），对不同比尺模型试验的冲刷深度进行分析，采用系列模型延伸方法计算冲刷系数（本试验计算出的冲刷系数为n=0.202），并延伸至符合严格相似的λh0=12，最终推算出原型实际最大冲深。模型冲刷特征及延伸推算见表2、图2。

表2　模型冲刷特征Table2　Scour characteristics of model

图2　系列模型延伸图Fig.2　Seriesmodel extension diagram

下述试验均采用1∶50比尺模型，所用数据均由模型局部冲深换算成原型实际冲刷深度。

2）改变钢围堰入水后自浮悬空的高度、垂直作用于钢围堰迎水面的水流平均流速，研究钢围堰悬浮高度不同时，河床冲淤形态发生变化的起冲流速。不同入水深度、不同流速条件下的河床局部冲刷特征见表3。

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

试验表明：水深条件一定时，底部河床面的冲刷主要受围堰入水深度（过水断面）和垂直作用于围堰迎水面的水流平均流速影响：围堰入水深度越深，河道过水断面减小越多，河床的起冲流速就越小。流速1.4 m/s条件下，围堰入水3 m造成的过水断面减小并未引起河床面发生冲刷，入水4 m后河床起冲。在入水深度达到8.7 m，河床面冲刷较为明显：在流速1.4 m/s条件下，围堰前部和两侧迎水区河床为主要冲刷区域，最大冲坑深2.4 m，位于围堰堰底上游迎水前部，堰底床面明显低于围堰周围河床面。围堰侧面冲坑集中于偏上游迎水区，最大坑深2.1 m。围堰侧面下游背水区由于水流条件减弱，局部呈轻微淤积状态，最大淤积高度0.3 m，位于堰底下游背水中部。

3）设定河床起冲流速，改变围堰入水悬浮高度，研究围堰入水下沉和着床过程中围堰周围河床的局部冲刷深度及影响范围。围堰下沉期间河床冲刷程度和特征见表4。

表4　钢围堰下沉期对河床的影响程度和特征Table 4　The influence degree and characteristics of the steel cofferdam on theriver bed during sinking period

试验显示：水文条件一定时，河床面的冲刷形态及最大冲刷深度与钢围堰底部距河床面的间距有关：间距越大，围堰对河床的影响越小；越接近河床，其影响越大。钢围堰切入床面0.5 m后，水流在靠近围堰上游边壁时，由于围堰底部不能过流，因此沿边壁向两侧分流，形成典型的雁翼状冲淤形态，最大冲深3.4 m，局部冲刷影响范围在上游迎水面5～6 m，最大冲深点形成在迎水面两侧角附近。围堰中轴线向下游为淤积区域，两侧最大淤高约1 m，下游正后方区域，由于围堰遮挡成为缓流区，形成浅淤区，淤高0.5 m。

图3　钢围堰冲刷防护措施布置示意图Fig.3　Layout of scour protection measuresfor steel cofferdam

4）防护措施研究。本试验研究在围堰处水深11 m、流速1.4 m/s条件下，考虑采用袋装砂防护体消除紧靠钢围堰周围床面的冲刷，确保钢围堰着床稳定。防护布置方案为：紧靠围堰边壁第1环圈、第2环圈的袋装砂，从上游迎水面铺设到围堰下游折角端，铺设2层，总高1.2 m；单个砂袋尺寸：1.75 m×1.75 m×0.6 m、重量为2 t。外缘第3环圈、第4环圈的袋装砂，从上游迎水面铺设到围堰的中部，铺设1层，单个砂袋尺寸：1.5 m×1.5 m×0.5 m、重量为1.6 t。围堰边壁外共铺设4环圈，宽6.5 m，具体防护布置及防护效果见图3～图4。

图4　钢围堰冲刷防护措施试验结果Fig.4　Test results of scour protection measuresfor steel cofferdam

试验表明：围堰上游迎水面的砂袋处于稳定状态；施工平台附近因打设了管桩，产生一定的阻流作用，围堰边壁外的砂袋处于稳定状态；未打设施工平台一侧，最大流速区距离外侧砂袋较近，外缘部分砂袋发生位移、滑落，但内圈作为压脚的砂袋保持稳定状态。外圈少量砂袋发生位移和滑落是由于防护体没有全覆盖局部冲坑所致，防护体外缘较大的冲深导致边缘砂袋发生位移和滑落，这种情况不影响钢围堰的稳定。

为准确预测围堰终沉后局部地形的冲刷情况，以及防护体施工后河床演变情况，试验中采集了防护体施工前后围堰周围床面的冲刷状态数据。围堰冲刷防护前、后的状况对比如图5所示。

图5　钢围堰冲刷防护前后效果对比（+淤积，-冲刷）Fig.5　Comparison of steel cofferdam before and after scour protection(+siltation,-erosion)

由图可见，围堰终沉后未采取防护措施，水流在围堰前端形成分流，两侧局部流速增大，在围堰两侧迎水区形成典型的雁翼状冲刷形态，两侧河床形态相似，最大冲深3.4 m；在背水区呈微淤，淤高约1 m；河床整体呈现迎水区冲刷背水区淤积趋势，冲淤影响区域在两侧30 m范围内，主要的冲刷区域集中在围堰4～5 m的迎水区河床。若在围堰周围6.5 m范围采用防护措施，河床的主要冲刷区域明显向外侧移动，最大冲坑距围堰18 m，冲深2.4 m。试验表明，防护体能对围堰周边河床面形成较好保护，减弱河床冲刷程度，保证围堰稳定，此外也能减少围堰封底时底部的防水封堵工作。

4　现场实施及验证

根据物理模型试验分析结果，围堰终沉到位时，围堰两侧冲刷最严重，围堰外壁向外6.5 m范围内冲刷深度最大为3.4 m，围堰下游冲刷不明显。根据现场施工过程实际泥面观测结果，围堰下沉后，河床冲刷深度基本与围堰终沉底标高齐平（即-0.5 m），因此，为防止河床继续冲刷，同时考虑后续钢护筒及封底施工，在围堰上、下游端及两侧首先抛填0.7～0.8 m厚的碎石，形成平整河床面，然后在抛填碎石上靠近围堰外壁侧使用砂袋进行处理。实际施工过程中的防护措施见图6。施工过程中实测资料显示，围堰采用防护体后，河床局部冲刷地形与概化模型试验预测结果基本一致，围堰两侧最深冲坑深度为2.8 m，与预测结果较为相符。

图6　钢围堰现场防护措施示意图Fig.6　Layout of on-sitescour protection measures for steel cofferdam

通过采取防护措施，结合现场潜水员定期检查河床面及防护体情况，围堰安全着床并终沉到位，成功进行主墩深水基础施工。

5　结语

1）在深水航道易冲地质条件下，大型钢围堰的施工会引起河床剧烈的冲刷形态变化。在试验地形及水文条件下，底部河床面的冲刷形态及最大冲坑与围堰的入水深度具有正相关关系，入水深度越大，影响越大；水深条件一定时，底部河床面的冲刷主要受围堰入水深度（过水断面）和垂线平均流速影响；围堰入水深度越深，河道过水断面变化越大，河床的起冲流速就越小。

2）对比冲刷防护体施工前、后的河床形态，证明防护体能对围堰入土区河床面形成较好保护，减弱河床冲刷程度，缩小施工影响冲刷区域，同时防护体能够为围堰提供一定的稳固作用，减少围堰封底时底部防水封堵工作。

3）根据冲刷试验结果，制定围堰施工过程的防护措施，研究防护措施对河床冲刷的效果。成功应用于工程实例中，确保了主桥钢围堰深水基础的顺利施工。为以后深水航道易冲刷地质条件下的围堰施工及河床冲刷防护提供依据。

参考文献：

[1] 周江评.中国城市交通规划的历史、问题和对策初探[J].城市交通，2006，4（3）：33-37.ZHOU Jiang-ping.Exploration of China's urban transportation planninghistory,problems and policy recommendations[J].Urban Transport of China,2006,4(3):33-37.

[2]张乐嫣.青义涪江特大桥施工对浓度场影响模拟研究[D].成都：西南交通大学，2012.ZHANG Le-yan.Research on the effect of the construction of Qingyi-Fujiang grand bridge on the river concentration file[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2012.

[3] 吴门伍，严黎，陈立，等.武汉天兴洲公铁两用桥2#浮运围堰施工期局部冲刷试验研究 [J].水利水运工程学报，2007（3）：26-32.WUMen-wu,YANLi,CHENLi,et al.Experimental study of local scour for No.2 floating cofferdam of Wuhan Tianxingzhou Rail-Cum-Road Bridge[J].Hydro-science and Engineering,2007(3):26-32.

[4] 刘达，黄本胜，邱静，等.深厚覆盖层上施工围堰防护措施的试验研究[J].中国农村水利水电，2016（5）：150-152.LIU Da,HUANGBen-sheng,QIU Jing,et al.Experimental study on protective measures of construction cofferdam on deep overburden[J].China Rural Water and Hydropower,2016(5):150-152.

[5]齐梅兰，崔广臣，张世伟.桥墩基础施工河床局部冲刷研究[J].水动力学研究与进展，2004，19（1）：1-5.QI Mei-lan,CUI Guang-chen,ZHANG Shi-wei.Experimental study on local scour of bridge pier foundation in construction duration[J].Journal of Hydrodynamics,2004,19(1):1-5.

[6] 吴修锋，林军，吴时强，等.曹娥江大闸围堰工程水流泥沙冲淤数值模拟计算[J].水利水运工程学报，2008（3）：52-57.WUXiu-feng,LINJun,WUShi-qiang,et al.Numerical simulation of sediment scour and siltation of the cofferdam of Cao`e River Floodgate[J].Hydro-scienceand Engineering,2008(3):52-57.

[7] 卢中一，高正荣，黄建维.苏通大桥大型桩承台桥墩基础的局部冲刷防护试验研究[J].中国港湾建设，2009（1）：3-8.LUZhong-yi,GAO Zheng-rong,HUANGJian-wei.Experimental study on local scour protection of large-scale pile platform pier foundation of Su-Tong Bridge[J].China Harbour Engineering,2009(1):3-8.

[8]郭辉.桥渡压缩冲刷数值模拟研究[D].北京：北京交通大学，2013.GUO Hui.Numerical study of contraction scour at bridge crossing[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2013.