河水环境下桥梁微型桩基坑防冲刷技术研究

2023-11-01邓洪龙卜一鸣李文杰

浙江水利水电学院学报 2023年4期

邓洪龙,卜一鸣,刘江,梁斌,李文杰*

(1.中交二公局国际公司,陕西西安 710000;2. 河南科技大学土木工程学院,河南洛阳 471023)

针对雨季长、水资源丰富且在临河、近河等复杂环境的施工,河流对桥墩的局部冲刷、侵蚀影响及渗流作用势必会导致桥墩稳定性的减弱[1-2],因此,依托工程如何选取较为合适的支护形式及防护处置措施至关重要。

由于河水在桥梁墩柱迎水面产生马蹄形漩涡,会对桥梁墩柱产生冲刷磨损,同时会产生河床底部土沙搬运,降低了桥梁墩柱结构的耐久性及安全性,造成桥墩掏底失稳现象[3]。李伟鹏等[4]基于桥梁墩柱局部冲刷机理与冲刷深度理论计算公式,通过监测河床冲刷速率大小,有效证明了深水环境下抛石防护、扩大基础、施做混凝土铰链防冲刷技术措施的有效性。段淑远等[5]、缪士彬[6]、高徐昌[7]、齐梅兰等[8]结合实验模型、现场监测及数值模拟方法,虽然针对桥梁基础冲刷机理、深度和特征进行了一系列研究,但对桥墩防冲刷理论和综合防护措施的研究尚不完善,可借鉴的实际工程经验较少,因此对河水环境下桥梁微型桩基坑防冲刷技术展开研究具有重要意义。

笔者依托格鲁吉亚E60高速公路Ubisa-Shorapani(F3)标段工程,针对处于河水施工环境下工程特点及难点,基于冲刷机理和施工质量控制措施,对河水环境下桥墩防冲刷措施进行研究,最终提出合理防护方案,以期为今后类似工程提供参考。

1 桥墩冲刷机理分析

桥梁工程中桥墩常处于河流、江河及海洋中,桩基占据河道面积的同时又改变了附近河床泥沙运动情况,最终水流、泥沙与桥墩三者相互作用,对桩基础形成了局部冲刷效果。自然状态下的河流处于不断变化中,而泥沙又会因河水流动对河床底部产生作用力,因此整个水断面、河床平面常常处于不断发展的动态变化过程中。流速、水深、桥墩形状及与水流方向夹角都将影响河水对桥墩的冲刷深度。流速和来流角度对冲刷深度影响相对较大,流速及来流角度越大时,冲刷深度越大,反之亦然。相同尺寸的圆柱墩和圆头墩,圆柱墩的冲刷深度大于圆头墩。桥墩尺度大,冲刷深度相应也大。复合墩基础与河床的相对高度对桥墩冲刷深度有显著影响,且每个单独的桥墩组件对复合桥墩总冲刷深度的贡献,根据基础埋深的不同也会有所不同。从相互作用关系出发,结合黏性流体力学理论,河水冲刷状态可分为自然演变、一般和局部冲刷。

1.1 自然演变冲刷

桥梁桩基础的施建或不正常气象条件将影响水流输沙的平衡性,进一步加重泥沙淤积现象。例如主流挟沙能力弱、水流势能小的平原地区河流,河道底部常常出现泥沙淤积现象。主流挟沙能力强、水流势能大的崎岖山区地带河流,河床常常因泥沙剧烈运动而处于冲刷状态。在工程实际中涉及桥位计算时,通常认为桥墩受河床自然演变冲刷的影响效果较小,河床基本已达到冲刷平衡状态,也常根据水文站多年累积的实测断面资料来进行评估和分析。

1.2 一般冲刷

一方面,桥梁墩台的建成减小了上下游河水在桥孔形成的过流断面面积,增大了桥孔附近河水流速,使得河床两侧剪应力增大;另一方面,上游和两侧河滩水急速汇聚桥墩底部,在桥下形成大流速梯度收缩断面与涡系结构。过水断面被压缩与水流速度增大都会增强水流挟沙能力,河床因大量泥沙受到搬运而运动变化剧烈,产生对桥墩的冲刷效果。随着冲刷深度、过流面积的不断增大,桥孔附近水体流速经过一段自然平衡状态后逐渐达到冲止流速,同时出现新的输沙平衡状态,冲刷效果逐渐降低直至停止。

1.3 局部冲刷

桥墩局部冲刷可分为静水冲刷与动床冲刷两种状态。水流结构在自然运动状态下受到桩基阻水效应流速将迅速增大,同时在墩部迎水面形成滞留区域。当流速大于床道泥沙起动临界速度时,墩台底部将形成绕流漩涡。墩台基础周边的绕流漩涡与滞留区域的上下流分离会使泥沙不断被搬离、推移,基础周围逐渐形成局部冲刷坑,而非墩台基础周边泥沙则处于静止状态,这一过程称为静水冲刷。当流速小于床道泥沙起动临界速度时,非墩台周围泥沙一部分处于回落状态,一部分会随绕流漩涡补给到冲刷坑,冲刷坑得到附近泥沙补给后逐渐被填满。当漩涡挟沙量与冲刷量相等时,局部冲刷停止,这一过程称为动床冲刷。

2 冲刷深度计算

2.1 工程概况

E60高速公路Ubisa-Shorapani(F3)标段工程位于格鲁吉亚中部,全长13.05 km,起止桩号为K6+282—K13+050,该标段BRI-3.0.03桥墩实际临河距离如图1(a)所示。公路设计时速为100 km,建设方向为西北至东南,双向四车道,如图1(b)中PA1和PA2附近区域。全线桥隧比76.7%,桥梁共16座。附近山区坡度陡峻,植被较密,河流较多且幽深。

图1 实际临河距离与设计图

桥墩具体位置为图1(b)中P1、PA1、P2、PA2处。河流长140 m,汇水面积3 604 km2,流速0.8～1.5 m/s,由Dzirula河和Kvirila河共同汇聚而成,东北至西南走向,研究标段处河道整体走势如图1(b)中PA1,PA2附近区域所示。桥梁桩基附近地质主要由砂质淤泥、淤泥质砂土、砂质黏土、淤泥质砂土构成,其地质参数如表1所示。

表1 土体参数

在满足安全设计要求的前提下,为能最大限度减小渗流影响,支护结构采用微型桩结合圈梁的复合支护形式。基坑设计面积为50.49 m2,周长为25.19 m,微型桩顶部浇筑25.19 m×0.40 m×0.40 m的混凝土环形冠梁。开挖时,每米设置一道I14工字钢围檩,共有8道横向钢支撑。护壁采取挂网喷射混凝土。微型桩钢管直径为168.16 mm,厚度为10 mm,轴间距为200 mm,单根长度为10～20 m不等,基坑支护结构设计如图2所示。

图2 基坑支护结构设计图

当地降水量丰富且补水量大时,水在桥墩或桥台周围流动较快。当水流通过桥梁上游河道时,高流速河水不仅会造成冲刷孔,还会对桥墩局部进行冲刷,损害结构的完整性。材料及障碍物堆积也将减小桥梁排水能力,导致周围处河道收缩,会进一步加大局部冲刷强度。

2.2 理论计算

根据BRI-3.0.03桥墩附近水力情况及实际临河位置,建立力学冲刷模型,开展K6+316标段P1、PA1、P2、PA2桥墩最大冲刷深度计算。P1桥墩实际临河位置如图3所示,力学模型如图4所示。计算时采用的经验公式[9]为

图3 实际临河位置图

图4 力学冲刷模型图

(1)

(2)

(3)

(4)

表2 桥墩冲刷深度计算表

由表2可知,P1、PA1、P2、PA2桥墩冲刷深度均接近300 cm,若在暴雨、洪涝等极端自然灾害情况下,河水流速将进一步加快,对桥墩形成的冲刷也会更加剧烈,因此仍须进一步加强桥墩的防冲刷能力。

3 桥墩基础防冲刷技术措施

3.1 主动防护措施

工程实际中主动防冲刷措施主要是在桥梁桩基础周围布设刚性(牺牲桩、钢丝石笼)或柔性(软件排)结构。采用合金钢丝笼虽能较长年限保护桥墩冲刷,但一般抛石尺寸大,石笼空隙率高,还另须设置反滤材料防止抛石空隙被淘刷,即通常用作主航道护底工程。软体排需要沿排头顺堤轴线至排尾进行软体搭接。为了能保证结构防护的有效性、精确性,有时还需以人工潜水方法进行水下作业。一般来说,主动防护措施具有高效、持续的特点,但经济性不高,工艺复杂,且适用于河流流速、方向、径流总量较为稳定的情况。

目前较为成熟的防护技术是在桩基础上游设置桩直径小、合适形式的桩群。因为群桩能预先与河水产生相互作用力,较大程度抵消河水对桥墩的冲刷能量,且水体流过群桩后,流速将大大降低,到达墩柱后产生的漩涡强度也会同步降低,因此能够达到减弱冲刷的效果。群桩桩径、桩心距、布置形式对桥墩防护效果有重要影响,且与护圈组成的复合防护结构能进一步减小桥墩最大冲刷深度,防冲刷效果较好[11]。采用牺牲桩防护措施时河水对桥墩冲刷影响程度比未设置时约减小50%,具体影响数值仍需结合桥位处水文、地质条件和施工条件综合判定[12]。考虑工程的安全性、防护性及经济性,依托工程采用微型桩作为牺牲桩的主动防护措施,具体布置情况如图5所示。

图5 桥墩力学模型图

3.2 被动防护措施

抛石不仅质量高、重量大、表面粗糙,能抵抗墩柱周围漩涡吸引力,而且可一定程度上减小附近水流流速,有效提高河床抗剪能力。另外,抛石防护相当于又给结构增加了一层防御保护层,是复杂环境下桥墩冲刷防护最为常用的一种措施。一般来说,被动防护虽然具有施工取材方便、经济效益高、环保效果好、工艺简单等优点,但通常受工程条件限制,且防护效果受埋置深度、抛投范围影响较大,一般只适用于紧急情况。

抛石粒径、抛石层厚度、抛投范围等设计参数对防护效果具有重要影响,例如针对大流速河流条件下粒径的优选,其大小应为抛石层厚度的1/4～1/3,此时防护效果与经济性最佳[13]。为了保证本次防护措施安全有效且持续耐久,在圆形桥墩基坑上部填充碎石及河床周围布置抛石。河床抛石厚度为6 m,长度为12 m,基坑碎石厚度为2 m,半径为4.1 m。河床抛石防护设计如图6所示,基坑碎石防护如图7所示。

图6 河床抛石防护设计图

图7 基坑碎石防护图

3.3 防护效果分析

处于河流中的桥墩因受河水冲刷淘蚀影响,基底处河床会出现不同程度的淘空,水土压力的重分布又会使河床产生变形,发生竖向方向上的位移。针对K6+282—K13+050标段P1、PA1、P2、PA2桥墩进行综合防冲刷防护,同时对P1墩柱周围重要部分等距离预埋4个监测点,监测频率30天1次,河床沉降监测点布置如图8所示,河床沉降结果如图9所示。监测结果表明:采用综合防护措施后桥墩附近的河床受冲刷作用的影响明显减小,施工完成8个月后河床最大竖向位移仅为0.12 m,出现在桥墩侧面监测点2处,且各监测点沉降数据均处于合理允许范围内[14]。经实践检验,工程结构设计合理,桥墩受冲刷影响较小,整体稳定性较高,因此墩前牺牲桩和抛石的综合防护技术对河水环境中桥墩起到了有效的保护作用。此外,综合防护技术施工周期短,利用率达100%,符合绿色环保要求,同时材料均可反复使用,不存在拆除、加工、运输等工程费用,总体造价较低,工程经济性高,现场桥墩施工效果如图10所示。