石井兵

摘 要：河床下切、水流局部沖刷，水流在受到墩身的阻攔時(shí)，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，流線(xiàn)變彎曲，河床附近的漩渦淘刷橋墩迎水端和周?chē)挠倌嗪蜕笆?。橋墩的建設(shè)，使原來(lái)的江面過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，導(dǎo)致水流流態(tài)發(fā)生變化，局部河水流速增大，對(duì)樁基產(chǎn)生劇烈沖刷。在水流的沖刷下，把河床中的松散沉積物局部沖走，進(jìn)而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)埋深不夠，影響橋墩樁基自身的承載能力和樁基抗彎能力，威脅橋梁的安全。本文就施工的閩江特大橋主墩遭受江水沖刷安全性進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

關(guān)鍵詞：河床下切；局部沖刷；橋梁主墩安全性；分析

中圖分類(lèi)號(hào)： U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）12-59-2

1 河床下切、局部沖刷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響

河床下切：指河床標(biāo)高比設(shè)計(jì)時(shí)河床基準(zhǔn)面下降，成因?yàn)闆_刷產(chǎn)生河床下切或人為挖砂產(chǎn)生河床下切。從河中采砂是取砂料的傳統(tǒng)方法。長(zhǎng)期人為無(wú)序地采砂，致使河床下切，導(dǎo)致采砂河段橋梁墩樁基的承載能力和抗彎能力的下降，危及橋梁的安全。

局部沖刷：是水流在受到墩身的阻攔時(shí)，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，流線(xiàn)變彎曲，河床附近的漩渦淘刷橋墩迎水端和周?chē)挠倌嗪蜕笆?。橋墩的建設(shè)，使原來(lái)的江面過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，導(dǎo)致水流流態(tài)發(fā)生變化，局部河水流速增大，對(duì)樁基產(chǎn)生劇烈沖刷。在水流的沖刷下，把河床中的松散沉積物局部沖走，進(jìn)而導(dǎo)致樁基礎(chǔ)埋深不夠，影響橋墩樁基自身的承載能力和樁基抗彎能力，威脅橋梁的安全。

在閩江下游河段上的橋梁因河床下切和局部沖刷影響結(jié)構(gòu)安全的實(shí)例：

解放大橋：由于解放大橋修建年代久遠(yuǎn)，加上近年來(lái)橋址處河段水流動(dòng)力條件發(fā)生較大變化，河床局部沖刷加劇，危及橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定。1994年以來(lái)，橋墩相繼坍塌，于1995年4月份中斷交通，開(kāi)始著手重建工作。

閩江二橋：同樣由于閩江的水文動(dòng)力條件不斷地發(fā)生變化，使得河床局部沖刷加劇，修建于1970年的閩江二橋部分橋墩的河床高程已接近原橋設(shè)計(jì)的局部沖刷值（沖刷上限），在使用了33年后，最后不得不于2002年舊橋拆除進(jìn)行重建。

烏龍江大橋：始建于1970年的福州市烏龍江下游峽口處烏龍江大橋由于河床覆蓋層厚度不足，曾采用拋石法進(jìn)行防護(hù)，經(jīng)長(zhǎng)期水流沖刷原因，拋填的片塊石曾隨水流沖至下游馬尾港處，經(jīng)多次維護(hù)后，最后不得不采取下放鋼筋石籠的辦法進(jìn)行防護(hù)。

2 閩江下游河床下切情況

閩江水口以下，主河道長(zhǎng)115km。水口～竹岐段長(zhǎng)48km， 河道夾在低山、丘陵峽谷中穿行，主槽穩(wěn)定。竹岐～淮安段長(zhǎng)15km，出現(xiàn)平原河道特征。自淮安起，河道分為南北港，分別繞南臺(tái)島兩側(cè)流向下游。北港長(zhǎng)約32km，河道窄深，為通航河道。南港長(zhǎng)約34km，河道寬淺，洲灘多，洪水期成為主要泄洪排沙河道。閩江口屬陸相強(qiáng)潮的河口，閩江下游潮區(qū)界過(guò)去只能到達(dá)侯官處，現(xiàn)在可到達(dá)竹岐，上延15km，潮流界也從舊洪山橋下游向上延伸到侯官一帶。竹岐水文站枯水期水位過(guò)程日益呈現(xiàn)兩高兩低的半日潮特性，最大潮差6.86m，平均潮差4.46m。

通過(guò)閩江竹岐站逐年水位～斷面面積關(guān)系曲線(xiàn)分析統(tǒng)計(jì)同水位的斷面面積變化，計(jì)算2006年～1994年河床平均刷深達(dá)8.32m～8.24m。由竹岐水文站基本分析， 2006年～1994年基本水尺大斷面起點(diǎn)距279m處最大刷深達(dá)13.1m。

影響河床下切的主要因素如下：

水口的建庫(kù)前后河流泥沙量的變化：從竹岐水文站實(shí)測(cè)泥沙資料統(tǒng)計(jì)，1981年～1994年多年平均年懸移質(zhì)輸沙量為624萬(wàn)t，1995年～2004年多年平均年懸移質(zhì)輸沙量為218 萬(wàn)t。水口建庫(kù)前后河流多年懸移質(zhì)年輸沙量減少64.8%； 據(jù)1995年～1998年的統(tǒng)計(jì)，入庫(kù)與出庫(kù)懸移質(zhì)含沙量減少率達(dá)42.1%～62.9%，平均減少率達(dá)51.6%。閩江的天然徑流、泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律改變導(dǎo)致下游河流動(dòng)力作用也發(fā)生了變化，從而加劇了河床明顯刷深。

閩江下游河道大量采砂：據(jù)竹岐水文站泥沙資料統(tǒng)計(jì)， 1995年～2005年，多年平均年懸移質(zhì)輸沙量為210萬(wàn)t。但是閩江下游河砂質(zhì)量?jī)?yōu)、開(kāi)采條件好和內(nèi)河及海上運(yùn)輸方便，所以大量開(kāi)采。自1980年以來(lái)，福州市的基建迅猛發(fā)展，更是大量開(kāi)采閩江的河砂。根據(jù)調(diào)查計(jì)算，1984年～1998年， 每年約從閩江采砂和卵石950萬(wàn)t，約合650萬(wàn)m3。除供應(yīng)本市建設(shè)外，閩江下游河砂還供應(yīng)其它地級(jí)市用砂， 甚至出口臺(tái)灣、江蘇、上海、日本等。1998年通過(guò)水口船閘上行的運(yùn)砂量累計(jì)723萬(wàn)t，2002年猛增至8023萬(wàn)t。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1998 年河砂出口169萬(wàn)t，2003年猛增至1132萬(wàn)t。來(lái)沙少，采挖多，失去平衡，導(dǎo)致閩江下游河床迅速下切。

目前福州城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)很多， 閩江流域沿線(xiàn)大片土地的開(kāi)發(fā)利用已在進(jìn)行中。閩江下游的地勢(shì)低洼，通過(guò)吹砂造地加以完成。根據(jù)規(guī)劃，閩江下游可開(kāi)發(fā)土地19.15km2，按單位面積平均填砂2.8m3計(jì)， 共需河砂5312萬(wàn)m3，這些河砂大多數(shù)將取自閩江下游。采砂增加的河道容積大部分被增大的進(jìn)潮量填補(bǔ)。按以上預(yù)測(cè)的采砂速度，若干年后，竹岐水文站將全面處在閩江潮流界控制之下，潮流對(duì)河道沖刷進(jìn)一步加強(qiáng)，河床標(biāo)高必將繼續(xù)下降。

3 閩江特大橋主墩安全性分析

福州繞城公路是國(guó)道主干線(xiàn)系統(tǒng)和國(guó)家高速公路網(wǎng)的組成部分，也是福州市干線(xiàn)公路網(wǎng)的重要路段。閩江特大橋跨越閩江航道，是福州繞城公路的重要樞紐工程，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)洪水頻率為300年一遇，設(shè)計(jì)流量為39900m3/s，設(shè)計(jì)洪水水位為13.77m，橋下閩江航道等級(jí)為內(nèi)河IV級(jí)，主橋第二、三孔為通航孔，雙孔單向通航，單向航道凈寬60m，通航凈高為8m。

閩江特大橋位于福州市閩侯縣竹岐鄉(xiāng)和荊溪鎮(zhèn)之間的閩江上，上跨閩江航道和在建的閩侯江濱路。上部結(jié)構(gòu)引橋采用4×35m+5×35m+4×35m PC連續(xù)T梁+3×40m+3×40m+3×40m+4×40m PC連續(xù)T梁，主橋采用（70m+4×110m+70m）變截面連續(xù)-剛構(gòu)箱梁，下部結(jié)構(gòu)主橋采用箱墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，主橋27#和31#墩處設(shè)GPZ盆式支座，28#～30#主墩與主梁固結(jié)剛構(gòu)；引橋采用柱式墩，鉆孔群樁或單排樁基礎(chǔ)。

閩江特大橋主橋27#～30#號(hào)主墩處于閩江之中，距離上游水口水電站50km，水口水電站在汛期頻繁泄洪和平時(shí)水流造成的主墩基礎(chǔ)處河床局部沖刷十分嚴(yán)重，在2010年5月23日最大泄洪量達(dá)到17500m3/s時(shí)候，正在鉆孔施工中的29#墩鉆孔平臺(tái)的鋼管樁被沖走，嚴(yán)重影響鉆孔平臺(tái)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為了摸清鉆孔平臺(tái)鋼管樁基礎(chǔ)處實(shí)際沖刷情況，項(xiàng)目部于2010年5月24日用測(cè)繩對(duì)29#墩鉆孔平臺(tái)鋼管樁基礎(chǔ)處河床進(jìn)行測(cè)高，結(jié)果顯示平臺(tái)迎水方向最前排鋼管樁埋深平均減少3.9m，最多達(dá)到4.4m，另外在同一排的鋼管樁之間或樁基鋼護(hù)筒之間的河床沖刷最嚴(yán)重，最大達(dá)到5m左右。由測(cè)得結(jié)果顯示河床沖刷十分嚴(yán)重，考慮到河床沖刷對(duì)大橋施工期間和成橋后的安全造成隱患，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，直接關(guān)系到整座大橋的安全運(yùn)營(yíng)，項(xiàng)目部決定請(qǐng)福州陸海工程咨詢(xún)有限公司（第三方）對(duì)河床標(biāo)高進(jìn)行專(zhuān)業(yè)測(cè)深。福州陸海工程咨詢(xún)有限公司于2010年5月27日對(duì)橋位處河床進(jìn)行聲納測(cè)深，此次測(cè)深結(jié)果對(duì)比該公司2009年8月25日的測(cè)深結(jié)果顯示，9個(gè)月時(shí)間27#～30#主墩處河床沖刷下切嚴(yán)重，對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表1。

3.1 河床標(biāo)高測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)分析

①2010年5月27日第三方聲納測(cè)深結(jié)果同項(xiàng)目部采用測(cè)繩測(cè)量的結(jié)果不一致，誤差較大。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，有可能是以下幾點(diǎn)因素導(dǎo)致結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的誤差：

第三方兩次測(cè)深條件有差異：第一次測(cè)深時(shí)，是在棧橋平臺(tái)施工以前，測(cè)深目的是為棧橋平臺(tái)施工提供依據(jù)，當(dāng)時(shí)江面沒(méi)有構(gòu)造物，測(cè)船可以沿設(shè)計(jì)橋梁基礎(chǔ)軸線(xiàn)位置行走測(cè)深，能夠較為真實(shí)的反應(yīng)河床標(biāo)高情況；第二次測(cè)深時(shí)，棧橋平臺(tái)已經(jīng)施工完成，受鉆孔平臺(tái)影響，測(cè)船不能接近橋梁基礎(chǔ)軸線(xiàn)位置，當(dāng)測(cè)船行走至鉆孔平臺(tái)位置時(shí)，只能繞行，受水流影響測(cè)船不敢距離平臺(tái)太近，只能在距離平臺(tái)10m的上游測(cè)深，其結(jié)果數(shù)據(jù)為推算數(shù)據(jù)，導(dǎo)致和鉆孔平臺(tái)鋼管樁基礎(chǔ)處的河床沖刷實(shí)際情況出現(xiàn)誤差。

項(xiàng)目部測(cè)繩測(cè)深誤差：項(xiàng)目部采用測(cè)繩對(duì)河床標(biāo)高進(jìn)行測(cè)深，由于測(cè)繩較柔軟無(wú)剛性可言，受閩江水流影響會(huì)出現(xiàn)在水流方向上的傾斜，導(dǎo)致測(cè)得的河床沖刷結(jié)果偏大，但是由于深度多達(dá)24.5m（平臺(tái)頂面標(biāo)高為+8.500m，河床標(biāo)高按 -15.000m計(jì)），按照三角函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，斜邊和大直角邊誤差較小。

②30#墩平臺(tái)處河床標(biāo)高提升，說(shuō)明有回淤現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況是30#墩基床上游修筑有一條丁壩，此處江面水流有回旋，回流明顯，測(cè)量結(jié)果和實(shí)際情況較吻合。

③28#墩和29#墩平臺(tái)處河床標(biāo)沖刷比較嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況是此兩處水流較急，加之鉆孔平臺(tái)鋼管樁和樁基鋼護(hù)筒阻水面積較大，平臺(tái)前后水位差較大，鋼管樁、鋼護(hù)筒之間水流加速明顯。此點(diǎn)和福建省港口協(xié)會(huì)出具的《福州繞城高速公路閩江特大橋通航安全評(píng)估報(bào)告（修正版）》中2.2.5中描述“橋位處河道中北部有所淤積，中南部則基本表現(xiàn)為刷深，橋位上下游河段也普遍表現(xiàn)為這一趨勢(shì)?！毕辔呛稀?/p>

以上三點(diǎn)分析說(shuō)明，第三方兩次河床標(biāo)高測(cè)深結(jié)果對(duì)比與實(shí)際情況基本相符合，只是測(cè)得的河床沖刷深度數(shù)據(jù)與實(shí)際情況相比偏小。但是在短短9個(gè)月的時(shí)間河床沖刷現(xiàn)象如此之嚴(yán)重，如果不及時(shí)采取沖刷防護(hù)措施，橋梁施工階段和成橋后的運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)的安全性將大大降低。

3.2 主墩防撞安全性分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范中“中華人民共和國(guó)交通部部頒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2004”、“本橋主橋第2第3孔位通航孔，僅對(duì)28～30#墩進(jìn)行撞擊驗(yàn)算”、“橋下閩江航道等級(jí)為內(nèi)河IV級(jí)，主橋第二、三孔為通航孔，雙孔單向通航，單向航道凈寬60m，通航凈高為8m?！焙汀豆窐蚝O(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60-2004）》中4.4.2描述：“四級(jí)內(nèi)河航道鋼筋混凝土樁墩船舶撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值：船舶噸級(jí)為500t、橫橋向撞擊作用為550kN、順橋向撞擊作用為450kN”。推論，該橋撞擊驗(yàn)算是按照船舶噸級(jí)為500t進(jìn)行的。

由此可以推斷閩江特大橋主通航孔兩側(cè)橋墩的船舶撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)計(jì)取值與實(shí)際情況相比偏小很多；加之主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，由于河床的沖刷，樁基露出河床的懸臂部分將增加，樁端自由度隨之增加。按照以上河床沖刷程度，可推論樁基的抗彎強(qiáng)度將隨時(shí)間的推移大大降低，加之實(shí)際船舶撞擊作用可能大大提高，最后導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的安全性大大降低。

為減緩河床沖刷下切速度，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性角度而言，對(duì)閩江特大橋主墩基礎(chǔ)進(jìn)行沖刷防護(hù)工程設(shè)計(jì)是十分必要的。結(jié)合防護(hù)工程規(guī)模大，施工過(guò)程和主橋基礎(chǔ)施工重疊，施工難度大的特點(diǎn)，沖刷防護(hù)工程宜采用施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)預(yù)防護(hù)與橋梁永久防護(hù)相結(jié)合的防護(hù)方案，既有遠(yuǎn)期安全防護(hù)作用，又能降低橋墩基礎(chǔ)施工難度。