闽清大桥桥墩沉井基础冲刷计算与防护实例分析

■汪冰彬

（福州市闽清公路事业发展中心，福州 350800）

随着交通需求的不断增加，我国公路桥梁建设的规模和数量与日俱增[1]。 目前，在诸多大型越江桥梁工程中，多数桥墩建于水中，桥墩沉井基础的应用越来越广泛，而局部冲刷也成为了影响桥梁基础施工和运营安全的重要因素。 据研究发现，当桥墩沉井着床时，时而会在河床部位产生严重的局部冲刷，造成沉井“前冲后淤”现象；且在无防护的情况下，沉井周边河床局部冲刷深度较大，不利于控制沉井着床姿态，极大的影响了桥梁的安全运营[2-4]。

为改善桥墩沉井基础局部冲刷的问题，桥梁工作者们开展了诸多的探索和研究。 其中，郑锋利等[5]和杨程生等[6]通过封闭水槽试验研究了温州瓯江北口大桥中塔沉井的河床局部冲刷深度及冲刷形态，并指出采用抛填防护的方法可确保沉井平稳安全着床；胡勇[7]和赵东梁等[8]以常泰大桥深水沉井基础为例，分析了不同基础截面的数值模型，并研究了不同施工阶段的最大冲刷深度及冲刷形态，指出圆端型沉井基础性能最佳，且在沉井入土后挖槽内抛石防护可以显著降低沉井附近河床的冲刷深度；崔一兵[9]针对沪通长江大桥主航道桥29 号主墩局部冲刷大的问题提出采用抛填防护，施工后效果明显；向琪芪[10]通过试验与理论模型分析，提出了悬浮状态沉井局部冲刷深度计算方法。

然而，目前现役桥墩沉井基础防护措施设计相关的文献较少，同时考虑该种桥梁在长期的水文变化下，基础埋深早已不符合要求。 基于此，本研究以服役期内的闽清大桥桥墩沉井基础为例，对其开展局部冲刷计算评估和防护设计方案探讨，以期为同类桥梁冲刷防护设计提供参考。

1 桥梁概况

闽清大桥位于S308 线，全长733.72 m，全桥共8 跨，桥型整体结构见图1（a）。 该桥上部结构的主桥部分采用8 孔净跨75 m 的空腹等截面箱形无较拱。 拱箱高度为1.34 m，拱矢高1/7，拱圈由6 个拱箱组成，拱上建筑由排架与空心板组成。 下部结构采用重力式桥墩（1# 墩为扩大基础，2～7# 墩为沉井基础），空心重力式箱形台，两桥台上分别为5 m×5 m 和4 m×5 m 空心板梁。 另外，该桥4#墩为圆形变截面， 墩顶尺寸半径为9.25 m， 墩底尺寸为11.75 m，除4#墩外的其余墩均为腰型重力式墩，墩顶尺寸为9.85 m×3.8 m （2# 墩顶尺寸为9.85 m×4.2 m），墩身横截面积从上到下以10∶1 的比例逐渐增大（2#墩为15∶1），实际墩基础见图1（b）。

图1 闽清大桥概况

2 桥梁现状评估

闽清大桥设计洪水频率为50 年一遇，对应洪峰流量为32 600 m3/s，设计水位23.479 m（罗零高程），2#～4# 墩流速为2.9 m/s，5#～7# 墩流速为2.2 m/s。 其中，该桥2#～7#桥墩采用沉井基础，沉井基础整体性好、刚度大，适用于需要承受较大竖向和水平荷载的深水基础。

2.1 河床冲刷现状

根据2021 年对该桥桥墩附近最深点与桥梁基础底部的实测标高可知，桥墩周边冲刷最深点距桥墩水平距离均在5 m 以内，且3#、4# 桥墩基础埋深仅1.7～2.2 m。 2021 年闽清大桥桥墩附近的水下等值图和2#～7#墩的河床断面变化示意图见图2～3。

图2 闽清大桥桥墩附近水下等值图（85 高程）

图3 河床断面变化示意图

2# 墩和4# 地质情况及冲刷示意图见图4。由图4 可知，现状河床面已接近各墩位基地，沉井基础埋深较小，亟需研究当前冲刷对结构安全的影响。

图4 桥墩地质情况及冲刷示意图

3 桥墩局部冲刷计算

3.1 计算依据

根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015），桥下冲刷包括：河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分。 从桥位河床断面演变过程来看，桥址处自然演变较为剧烈，自然冲刷幅度较大， 工程河段自然演变规律和趋势还需进一步分析。 本研究仅考虑现状床面开展桥墩局部冲刷深度的计算。

3.2 局部冲刷计算方法

依据桥址断面地质钻探资料， 计算公式采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）中的65-1 修正式：

式中，hb为桥墩局部冲刷坑深度（m）；B1为桥墩计算深度（m）；ν0为河床泥沙起动流速（m/s）；为河床土平均粒径（mm），适用范围为0.1～500 mm；ν 为一般冲刷后墩前行进流速（m/s），适应范围为0.1～6 m/s；Kε为墩形系数；Kη为河床颗粒的影响系数；ν′0为墩前泥沙始冲流速（m/s）；n 为指数。

局部冲刷后高程与基础底面高程对比见表1（罗零高程）。 计算结果表明即使采用冲刷坑外侧河床面作为起始地形，2#、3#、4#、7#桥墩仍然存在冲刷至基础底面以下或安全富余不足的情况，安全风险较大。

表1 局部冲刷后高程与基础底面高程对比（罗零高程）（单位：m）

3.3 沉井基础埋深评估

根据现行《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015），基底最小埋深需满足规范见表2。

表2 基底埋深安全值（单位：m）

结合表1 的计算结果，可得到每个墩位处沉井基础的实际埋深及最小埋深。 将实测结果与计算结果进行评估，最终的评估结果见表3。 由表3 可知，3#、4# 基础的埋深已不满足规范要求，而2#、5#、6#、7# 基础尚可满足要求；3#、4#、7# 基础已冲刷到基底，2#、5#、6#虽未冲刷至基底但不满足最小埋深的要求。 综上分析，该桥墩基础应进行冲刷防护来提高埋深储备。

表3 2#～7# 沉井基础埋深评估（单位：m）

4 河床冲刷防护

4.1 设计原则

根据现有规范规程，在进行桥梁河床冲刷防护时，需要满足以下5 点设计原则：（1）冲刷防护结构安全且耐久；（2）冲刷防护效果满足使用功能和设计标准；（3）冲刷防护设计需结合施工工艺和施工力量；（4）冲刷防护需合理确定防护范围和防护结构，尽可能降低工程投资；（5）冲刷防护需结合监测成果，合理设计。

4.2 桥墩冲刷防护方案比选

结合目前桥墩现有的冲刷防护方案，河床面的防护可分为消能减冲、护底抗冲[11-12]。 其中，消能减冲在上下游设置防护桩群，能折减流速，将冲刷坑位置前移，减小基础范围内的冲刷深度；护底抗冲则是利用抛石、砂袋、软体排等结构来抵抗桥墩前冲击水流产生的底部向下漩辊，并将桥墩基础侧绕流产生的最大流速区调整到防护区外围，达到折减最大冲刷深度的效果。

然而，在工程实践中，消能减冲措施实际运用并不多，且存在明显缺陷。 如水流方向改变或河流变化都会使得原先设计的牺牲桩防护效果大大减小。 而淹没翼墙的防护措施也可归为牺牲桩防护，只是采用的牺牲物不同，其主要是将一定几何尺寸的底槛或角槛埋置于桥墩迎水面上游一定距离处，以消散来水的能量，从而起到防护作用。 与牺牲桩相同， 该方法受到水流方向变化的影响也较大，当水流变化达到一定程度时， 可能彻底失去防护作用。 综上所述，最终确定闽清大桥桥墩基础冲刷防护方案为护底抗冲。

4.3 冲刷防护设计

在护底抗冲方案中，平面布置需根据各部分所处位置和功能作用进行设计。 一般可将整个防护区分为核心区和护坦区2 个部分[13]。 核心区为桥墩外围基础与土共同作用所需的平面尺度；护坦区为核心区外围以适应河床冲刷变形的床面，同时确保核心区范围的稳定。 结合沉井基础埋深评估结果可知，需要对临近规范要求的3#、4#、7#进行处置。 其中，3#桥墩基础处床面高程约为-7.0～-2.9 m；4# 桥墩基础处创面高程约为-8.1～-3.9 m；7# 桥墩基础处床面高程约为-2.4～-0.9 m。

结合评估报告和实测水下地形情况， 3#、4#、7#桥墩防护总平面布置示意图见图5。 其中， 图5（a）为3#、4# 桥墩的防护平面布置示意；图5（b）为7#桥墩的防护平面布置。由图5（a）可知，3#桥墩为腰形墩接钢筋混凝土沉井基础，沉井平面外尺寸为12.7 m（横桥向）×7.2 m（顺桥向）的圆端形。 床面防护核心范围由桥墩中心线处向左右上下游各扩展15 m 的近似圆端形区域，抛石顶高程-2.74 m 达到局部冲刷坑外河床平均高， 四周坡面按1∶3 放坡至河床面。4#桥墩为防爆圆形空心墩接钢筋混凝土沉井基础，沉井平面外尺寸为直径14.2 m 的圆形。 床面防护核心由桥墩中心线向左右、 上下游各扩展18 m 的近似圆形区域，抛石顶高程为-2.80 m 基本达到局部冲刷坑外河床平均标高， 四周按1∶3 放坡至河床面。 由图5（b）可知，7# 桥墩床面防护同3#桥墩处理，其抛石顶高程为0.32 m 基本达到局部冲刷坑外河床平均高，四周按1∶3 放坡至河床面。

图5 3#、4#、7# 桥墩防护总平面布置示意

4.4 抛投及补抛施工工艺

抛石总体采用驳船配合挖机抛石施工，利用定位船进行定位抛投。 抛投程序上采用分格法，按单元格依次进行抛投，单元格的划分根据施工时所采用驳船的船体尺寸确定。 采取“专船定位、合理挂挡、定量抛投、多次抛匀”的施工方法，即根据设计图确定的抛石范围，按设计抛石厚度，核定抛投的数量，再以专用定位船抛锚定位，装运袋装碎石或块石的船只按规定挂靠在定位船上，对抛区进行多次抛投，使工程达到“准、足、匀”的抛投标准。 驳船配合反铲挖机抛石施工示意图见图6。

图6 驳船配合反铲挖机抛石施工示意图

当抛投到一定程度， 根据河床测量的地形情况，需要对低凹处采取导管法进行补抛找平，具体操作见图7。 其中，在补抛过程中，应当适时对补抛情况进行测量，直到达到要求为止。

图7 导管法补抛示意图

3#、4#、7#墩冲刷防护示意图见图8。 由图8 可知，各桥墩根据不同的基础埋深分别进行了抛石填补平齐，先后进行了驳船配合反铲挖机抛石和导管法补抛找平作业，确保抛石基地整体稳固。

4.5 施工质量要求

抛投及补抛施工作业结束后，需要进行施工质量检测与验收， 并遵循下述要求进行施工质量控制：（1）抛填时，施工人员要勤对水位，勤对导标，以保证抛石船舶的安全和抛石边线的准确；（2）抛填应选择水流较小的时段进行，分级分层施工；（3）为避免恶劣天气对填心石的破坏，护面块体施工应及时跟进；（4）施工监测。 其中，施工监测包括日常检测、控制检测和跟踪检测[14]。 日常性检测需要在施工期对验收分区进行河床检测，分析填心块石、袋装碎石、块石的成型，并将此作为验收的依据，周期为每天；控制检测需要对防护体及外侧100 m 区域的稳定性、河床冲淤情况进行整体观测，周期为半个月；跟踪检测需要在工程实施完成后进行定期检测，为效果评价和总结提供依据。

4.6 施工验收与效果评估

由于在进行冲刷防护材料的抛投时，会发生冲陷、 局部冲刷以及抛投成型后的整体密实沉降，因此需要以“厚度为主、高程为辅”为方针制定质量控制和验收标准，并按以下成型合格率验收原则和标准进行验收：（1）验收标准贯彻“厚度、抛投量为主、高程为辅”的方针，厚度验收标准满足设计要求；同时考虑到水下施工的难度，建议对超抛部分区域作合格处理；（2）在成型厚度计算中应考虑抛投中的冲陷深度， 冲陷深度应由现场监测和试抛确定；厚度计算式为：成型厚度=实测累计成型堆积平均厚度+冲陷深度；（3）验收合格的标准：对核心区验收合格率不低于90%。

本工程质量参照 《水运工程质量检验标准》（JTS 257-2008）、《航道整治工程质量检验评定标准》（JTJ 314-2004）、《防波堤设计与施工规范》（JTS 154-1-2011）的相关条文进行检验评估。结果表明：材料试验和现场抽样组满足《水运工程质量检验标准》（JTS 257-2008）附录C 第8 项“抛回填和砌筑材料”中块石、料石及碎石的要求；用测探仪测量得到抛石以及离坡断面标高的允许误差满足规范要求； 用测深水砣测量的碎石倒滤层厚度均值约为1.0 m 满足要求（≥0.8 m）；外边缘边线位置的允许偏差也满足要求（-1500～+2000 m）；且核心区的验收合格率高达98%。

5 结语

在跨江、跨河、跨海桥梁运营过程中，桥墩基础结构免不了遇到水文变化、河床冲刷等问题，为保证沉井基础桥墩整体稳定性、安全性，需要确保一定的基础埋深，而局部冲刷对基础埋深影响较大。 为应对此类问题，本研究针对闽清大桥桥墩沉井基础，开展了河床冲刷作用后的基础埋深评估计算以及相应的防护技术探讨，并通过计算与评估结果可知，当河床断面降低危及基础层面时，可采用抛石放坡技术，以及抛石放坡工艺流程。 结果表明，在采取防护技术后，该桥墩河床防冲刷效果明显，核心区验收合格率高达98%。为同类现役的沉井基础桥梁冲刷防护设计提供了参考。