深水区群桩基础防冲刷措施

姬宏奎，王海伟

（1.河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄050020；2.中交路桥华南工程有限公司，广东 中山528403）

1 工程概况

池州长江公路大桥跨江主桥位于欧山镇下王庄村西侧山头，桥梁全长5825.0m，包括跨长江主通航孔斜拉桥、副通航孔连续刚构桥、南岸大堤连续梁桥、引桥。长江主通航孔桥设计里程为K20+693～K22+141，全长1448.0m，采用等高塔不对称混合梁双塔斜拉桥。大桥Z5#墩基础采用高桩承台结构形式，承台平面为59.3m×34.8m整体式四边形带圆弧承台，高8.0m，顶标高+5.0m，承台采用C35混凝土，索塔基础采用36根直径3.0m的钻孔灌注桩，桩长82.0m，桩顶标高-3.0m，桩底标高-85.0m。 Z6#，Z7#基础为深水高桩承台，Z6#采用15根φ2.5m的钻孔灌注桩，桩长55.0m；Z7#墩为12根φ2.5m的钻孔灌注桩，桩长60.0m，均采用C30水下混凝土。

2 工程地质

Z5#桥墩桩基覆盖层以砂类土为主，厚33.30～36.50m，表层为松散—稍密状的粉细砂，其下为中密状中砂，下部为密实状砾砂及密实状中砂，砂层中多含有卵砾石，卵砾石含量高达20%～30%，粒径0.2～6cm。基岩为白垩系上统宣南组粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砾岩、砂岩等岩层及其风化层，岩面埋深33.3～36.5m，岩面极为平缓；Z6#，Z7#墩位于长江辅助航道段，河床高程-1.0～0.0m，地势向南岸逐渐抬高。该区覆盖层较厚深度38.9～53.2m，主要以含软砾石砂层为主，容易被冲刷。

3 冲刷防护必要性

池州长江公路大桥南岸主桥Z5#，Z6#，Z7#基础位于长江主航道深水区，Z5#墩承台处枯水期水深15.0～25.0m，洪水期水深25.0～30.0m，桥位处洪水期最大流速2.1m/s，枯水期最大流速1.5m/s，平均水流速度大。近几年河床横断面变化，Z5#～Z7#河床断面以冲刷为主。自大桥临时钢护筒施工以来受长江洪水影响河床冲刷严重，迎水面平均冲刷深度达10.0m导致钢护筒埋深减少较多冲刷后最大2m，为此，施工中采用钢护筒跟进等措施以保证钢护筒埋深成桩施工。由于工程投入人员（吊装、护筒焊接）、机械（大型浮吊、液压振桩锤）和材料（钢护筒等）较多，严重影响工期制约关键线路的施工，且后期加固的成本极高，成桥后水中桩基础随着水流冲刷桩基础裸露面增加，桩基自由高度增长，随着长时间的冲刷，水中桩基础自由长度增加，桩基表面混凝土受到冲蚀，严重影响索塔桩基础的耐久性和结构安全。

本文重点围绕Z5#，Z6#，Z7#墩钻孔平台基础工程进行分析，Z7#墩钻孔平台平面设计为47.5m×28.32m，栈桥采用φ820mm×10mm钢管桩基础，Z7#墩钻孔平台布置如图1，图2。

图1 Z7#墩钻孔平台布置

图2 Z7#墩钻孔平台纵断面

4 冲刷防护

4.1 冲刷防护布置

抗冲刷防护根据冲刷数值模拟计算结果及水下测量结果（冲刷范围、冲刷深度），借鉴长江主航道类似工程防护经验，将冲刷防护区域分为4个区域：

（1）群桩基础防护区。

（2）群桩外上下游40m范围核心区。

（3）核心区分别向上下游外延40m永久保护区。

（4）永久保护区分别向上下游外延30m护坦区。

防护布置如图3。根据沉排船作业平台长度，Z5#桥墩核心区和永久防护区将垂直水流向250m宽度，顺水流向长度280m的主航道（除桩群基础）分为42块依次沉放，主桥墩Z6#，Z7#因距离较近，墩中心距为100m彼此防护区重叠，因此采用联合防护布置，将Z6#，Z7#桥墩联合防护区内核心区和永久防护区垂直水流向290m宽度，顺水流向长度280m的主航道（除桩群基础）分为54块依次沉放，每块排自上而下进行沉排，袋装砂和抛石随后跟进，如图4。总防护区防护范围四周采用抛石压重，保证软体排不被掀起。考虑航道内落淤过程及施工难度，选择在长江汛期结束后枯水期施工。

图3 Z5#桥墩防护布置

图4 Z6#，Z7#桥墩防护布置

4.2 冲刷防护结构

护底防护结构有刚性和柔性两种性质护底形式。钢丝石笼和混凝土护底属于刚性防护，软体排则属于柔性防护。

4.2.1 钢丝石笼

在主航道护底工程中施工难度较大，且钢丝耐久性不易保证，采用合金钢丝可以大大延长其寿命，但是造价较高；抛石防护应用较多，因块石粒径大，块石间空隙率较大，需要设置可靠的反虑防止抛石下的泥沙颗粒通过抛石孔隙被淘刷，在软体排和抛石之间设置砂袋过渡层，以达到更好的防护效果。桥墩冲刷防护应在吸取国内外类似大桥防护工程成功经验的基础上，结合桥位处水文、地质条件和施工条件等确定可行有效的防护方案、防护时机及实施方案。

根据国内外相似工程实例的调研和研究，护底结构选型：

（1）群桩基础处采用加长袋装砂+级配碎石+抛石压重。

（2）核心区采用砂肋软体排（380g/m2）+袋装砂+抛石防护。

（3）永久保护区采用砂肋软体排（230g/m2）+抛石防护，护坦采用抛石防护，护坦上下游采用1∶3的坡比与河床衔接。结构如图5，图6。

图5 桩群基础冲刷防护结构

图6 核心区、永久防护区冲刷防护结构

4.2.2 袋装砂

群桩基础防护区采用8m×1.2m×0.6m长条袋装砂，核心区袋装砂采用1.6m×1.6m×0.6m方形袋装砂，袋装砂采用河砂，粒径大于0.07mm，土工编织袋内层为毛毡、外层为丙纶的复合编织土工布。经砂袋试抛试验，当砂袋个重6.5t时，不再发生位移。主墩外侧流速最大区域在铺设6.5t时，呈稳定无位移状态，因此采用加长袋装砂（6.5t）。

根据类似工程试验观察发现，处于相同区域，同一重量沙袋的形状、铺设方式所引起砂袋稳定状况差别较大。矩形砂袋采用竖向铺设后比采用横向铺设稳定。矩形砂袋竖向铺设时，翻滚半径较长，不易纵向翻滚。此外，应控制护底砂袋的充盈度，一般在0.7～0.8较好。考虑群桩基础施工特点，采用加长矩形袋装砂尺寸8m×1.2m×0.6m，在每排钢护筒之间抛投，可利用平台钢管桩、钢护筒阻止其翻滚，达到较好稳定性。

4.2.3 压重块石

根据试抛试验成果，单块块石最小稳定重量定为18kg，考虑施工条件及水流复杂情况，采用单块最小重量20kg。护面块石规格20～80kg，且要求50～80kg块石不少于50%。表层尽量选用较大粒径的块石护面。不同防护区域顶高程不同处衔接坡比不小于1∶3。

4.3 软体排施工质量控制

为满足工程施工精度要求，采用倒垂线法及人工潜水方法进行软体排搭接检测。探摸沉排完成后，监理人员参加对每幅排的6点浮标检测，即排头、排尾边沿两点，沿堤轴线排体边沿两点进行检测，检查排体的铺设位置与上幅排的搭接宽度是否满足设计要求，并作记录。同时根据检验标准，进行潜水探摸，确保排与排之间搭接大于等于2m。按照上幅排布收缩最大处位置，在保障有2m排体搭接的基础上，进行下一幅排体检测。

4.4 抛投压重施工质量控制

由于水流条件复杂和水下施工难度较大，水下抛投袋装砂及抛石存在诸多不确定性，施工过程中及时测量抛后水下地形。每完成一个区域即进行测量检验，对误差较大的区域进行补抛，以保证达到设计的抛填厚度。

抛投过程中每天采用单波束测深仪观测河床变化情况，分析抛投效果。同时每周采用多波速测深仪全面观测抛投效果，该技术具有测量范围大、速度快、精度高等诸多优点。能精确反映河床的细微变化。

软体排施工及抛投检测结果如表1。

表1 防护施工检测结果

由检测结果可知，软体排铺设、压重料抛投均满足要求。

防护施工在汛期后施工，由于河道落淤，冲坑有回填现象，防护施工时经测量冲坑深度最大为4.3m，在铺设软体排之前将最大冲深处进行抛石处理 （抛石厚度2m）后实施软体排铺排。防护施工完成后防护结构层表面基本与原河床面持平。防护剖面如图7。

图7 防护后剖面河床剖面

4.5 防冲刷效果及后期维护

冲刷是与流场相关的，流场变化冲刷情况会随着变化。因此采用多波速检测方法，每年汛期前后检测冲刷防护结构冲淤情况，对于不满足要求的防护部位，采用抛石补抛及绿格石笼护脚等修复措施。

根据后期冲刷测量结果，群桩基础防冲刷防护区域边缘及核心区、永久防护区、护坦区接触部位有不同程度冲蚀，与设计防护结构最大差值达0.8m。经分析采用补抛4m×4m×1.2m绿格石笼网在防护区域四边及各防护区域接茬部位进行防冲刷管理维护。

5 结语

（1）长江深水群桩基础砂肋软体排+袋装砂+抛石防护组合成套防护施工技术，保证池州长江公路大桥高效高质量地完成施工。为类似工程的桥墩冲刷处理提供借鉴。

（2）防水软排施工对于测量定位的精度要求较高，对大型铺排船、抛石船施工组织要求较高，小型项目难以承担。建议继续研究群桩冲刷防护措施及施工技术，以便于中小型工程能够应用。

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