吳啟和 ，柯杰

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會交通運輸需求量迅速增加，大型跨海、跨江大橋越來越多[1]。江海水域由于水文地質(zhì)條件復雜，常采用大型鋼圍堰為跨海、跨江橋梁基礎施工提供安全可靠的作業(yè)條件。鋼圍堰刃腳埋入河床的深度是施工設計的關(guān)鍵參數(shù)，必須保證施工中河床發(fā)生水流沖刷條件下，圍堰不會發(fā)生移動、傾斜或失穩(wěn)。

鋼圍堰施工過程中，圍堰結(jié)構(gòu)會造成河道局部水流條件的變化，改變水流方向及流態(tài)并產(chǎn)生壅水，常常會形成垂向螺旋流[2]，對圍堰周圍的河床床面產(chǎn)生一定的切應力，河床床面發(fā)生沖刷，逐步形成沖刷坑，影響圍堰入土深度，進而影響橋梁基礎的施工安全和質(zhì)量。尤其是易沖地質(zhì)水域，大型鋼圍堰施工引起水流形態(tài)變化造成的沖刷更為嚴重，圍堰施工過程中的整體安全性會受到較大程度影響。因此，預測分析大型鋼圍堰在施工過程中河床的沖刷特征和防護措施的有效性，對于橋梁基礎施工安全和質(zhì)量具有重要意義。

吳門伍[3]通過制作圍堰下沉模擬物理試驗，分析了天興洲大橋圍堰下沉不同階段，圍堰周圍水流流速、紊動強度及河床局部沖淤情況，從而預測圍堰下沉時河床局部沖刷深度。劉達[4]建立清遠水利樞紐工程的施工導流動床物理模型，研究了河道和導流圍堰外側(cè)的河床沖刷規(guī)律，分析圍堰結(jié)構(gòu)型式對圍堰外側(cè)沖刷形態(tài)的影響。齊梅蘭[5]通過物理試驗，研究了鋼圍堰入水的相對高程對床面局部最大沖刷深度的影響，綜合考慮多方面影響因素，推導了局部沖刷深度的計算公式。吳修鋒[6]建立曹娥江大閘圍堰的二維水沙數(shù)學模型，計算分析圍堰施工期引起的河床沖淤變化。

學者們的研究主要集中在圍堰施工引起的河床沖刷問題上，針對圍堰施工階段河床的防護措施研究較少，尤其是針對深水航道易沖刷地質(zhì)條件下圍堰沖刷特征及沖刷防護效果的研究更為稀缺。本文根據(jù)沌口大橋深水基礎大型鋼圍堰施工實例，建立河床沖刷及防護的物理模型試驗，分析施工不同階段河床沖刷情況，并制定防護措施、研究防護效果，為大型鋼圍堰施工提供理論依據(jù)，并為以后深水航道易沖刷地質(zhì)條件下圍堰施工及河床沖刷防護提供施工參考。

1　工程概況

沌口大橋采用雙塔斜拉結(jié)構(gòu)形式，主橋基礎位于長江深水航道中，采用大型鋼圍堰整體浮運至現(xiàn)場定位下沉的施工工藝進行深水基礎施工。主墩雙壁鋼圍堰外形呈長八邊形柱體，順水流方向的長為55.3 m，迎水寬為29.1 m；鋼圍堰頂標高為+25.7 m，底標高為-0.5 m，巖面標高為-8.0 m；雙壁結(jié)構(gòu)厚1.5 m，底部設置4.5 m高的X形封底隔艙。鋼圍堰的結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1　鋼圍堰結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structural drawing of steel cofferdam

當?shù)厮臈l件：近50多年平均流量為22 700 m3/s，年平均含沙量0.55 kg/m3，年平均輸沙量約3.9億t，歷年實測最高水位為29.73 m，最低水位為10.08 m。根據(jù)2010年水文勘測局的實測數(shù)據(jù)，橋位處洪期（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。

跨江主橋深水基礎位于長江深水航道的河床易沖區(qū)域，河床覆蓋層為散粒粉細沙，在水流動力作用下容易被沖移位，造成河床覆蓋層厚度減少。大型鋼圍堰下沉過程中，不同入水深度，水流形態(tài)不同，造成的河床沖刷形態(tài)也不同。

2　概化模型設計

目前國內(nèi)外研究涉水建筑物[7]周圍局部沖刷問題主要通過系列模型延伸法或局部正態(tài)模型兩種途徑。鋼圍堰下沉施工中底部床面的沖刷問題采用系列模型延伸法，具有較高的適用性與可信度。

地質(zhì)條件：橋墩所在區(qū)域土層由礫沙、粉沙、細沙和中沙等組成，其中粒徑d在0.075～0.25 mm的細沙占絕大部分，故本試驗原型沙的主要參數(shù)選取為：粒徑d50=0.20 mm，容重γs=2.65 t/m3。

圍堰處水深為10～20 m，通過試算得出鋼圍堰模型采用煤粉滿足相似條件的幾何比尺λh0=12（λhi為幾何比尺，其中i為編號，i=0，1，2）。綜合考慮試驗條件及試驗精度問題，模型試驗采用λh1=50和λh2=100兩種幾何比尺。

試驗采用40 m×5 m的寬水槽進行，動床段尺寸為12 m×5 m，床面鋪沙厚度0.6 m。橋墩基礎布置在試驗段中央。

通常情況下，在模擬碎粒體無黏性泥沙局部沖刷試驗中，一般經(jīng)歷的時段在2～3 h時，橋墩局部沖刷坑達到?jīng)_刷基本平衡狀態(tài)[8]。本試驗觀測表明：試驗橋墩附近床面沖刷達到?jīng)_刷基本平衡狀態(tài)約2.5 h。沖刷后的床面地形，通過測針和地形界面儀，輔以攝像設備進行測量。

為研究主橋深水基礎大型鋼圍堰施工全過程河床沖刷形態(tài)的變化，整個試驗分為預備試驗、沖刷試驗及沖刷防護試驗三個組別進行。試驗組別及試驗目的見表1。

表1　大型鋼圍堰施工物理模型試驗組別Table 1　Physical model test group of large steel cofferdam construction

3　模型試驗及分析

1）建立系列模型試驗（兩種幾何比尺1∶50和1∶100），對不同比尺模型試驗的沖刷深度進行分析，采用系列模型延伸方法計算沖刷系數(shù)（本試驗計算出的沖刷系數(shù)為n=0.202），并延伸至符合嚴格相似的λh0=12，最終推算出原型實際最大沖深。模型沖刷特征及延伸推算見表2、圖2。

表2　模型沖刷特征Table2　Scour characteristics of model

圖2　系列模型延伸圖Fig.2　Seriesmodel extension diagram

下述試驗均采用1∶50比尺模型，所用數(shù)據(jù)均由模型局部沖深換算成原型實際沖刷深度。

2）改變鋼圍堰入水后自浮懸空的高度、垂直作用于鋼圍堰迎水面的水流平均流速，研究鋼圍堰懸浮高度不同時，河床沖淤形態(tài)發(fā)生變化的起沖流速。不同入水深度、不同流速條件下的河床局部沖刷特征見表3。

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

試驗表明：水深條件一定時，底部河床面的沖刷主要受圍堰入水深度（過水斷面）和垂直作用于圍堰迎水面的水流平均流速影響：圍堰入水深度越深，河道過水斷面減小越多，河床的起沖流速就越小。流速1.4 m/s條件下，圍堰入水3 m造成的過水斷面減小并未引起河床面發(fā)生沖刷，入水4 m后河床起沖。在入水深度達到8.7 m，河床面沖刷較為明顯：在流速1.4 m/s條件下，圍堰前部和兩側(cè)迎水區(qū)河床為主要沖刷區(qū)域，最大沖坑深2.4 m，位于圍堰堰底上游迎水前部，堰底床面明顯低于圍堰周圍河床面。圍堰側(cè)面沖坑集中于偏上游迎水區(qū)，最大坑深2.1 m。圍堰側(cè)面下游背水區(qū)由于水流條件減弱，局部呈輕微淤積狀態(tài)，最大淤積高度0.3 m，位于堰底下游背水中部。

3）設定河床起沖流速，改變圍堰入水懸浮高度，研究圍堰入水下沉和著床過程中圍堰周圍河床的局部沖刷深度及影響范圍。圍堰下沉期間河床沖刷程度和特征見表4。

表4　鋼圍堰下沉期對河床的影響程度和特征Table 4　The influence degree and characteristics of the steel cofferdam on theriver bed during sinking period

試驗顯示：水文條件一定時，河床面的沖刷形態(tài)及最大沖刷深度與鋼圍堰底部距河床面的間距有關(guān)：間距越大，圍堰對河床的影響越??；越接近河床，其影響越大。鋼圍堰切入床面0.5 m后，水流在靠近圍堰上游邊壁時，由于圍堰底部不能過流，因此沿邊壁向兩側(cè)分流，形成典型的雁翼狀沖淤形態(tài)，最大沖深3.4 m，局部沖刷影響范圍在上游迎水面5～6 m，最大沖深點形成在迎水面兩側(cè)角附近。圍堰中軸線向下游為淤積區(qū)域，兩側(cè)最大淤高約1 m，下游正后方區(qū)域，由于圍堰遮擋成為緩流區(qū)，形成淺淤區(qū)，淤高0.5 m。

圖3　鋼圍堰沖刷防護措施布置示意圖Fig.3　Layout of scour protection measuresfor steel cofferdam

4）防護措施研究。本試驗研究在圍堰處水深11 m、流速1.4 m/s條件下，考慮采用袋裝砂防護體消除緊靠鋼圍堰周圍床面的沖刷，確保鋼圍堰著床穩(wěn)定。防護布置方案為：緊靠圍堰邊壁第1環(huán)圈、第2環(huán)圈的袋裝砂，從上游迎水面鋪設到圍堰下游折角端，鋪設2層，總高1.2 m；單個砂袋尺寸：1.75 m×1.75 m×0.6 m、重量為2 t。外緣第3環(huán)圈、第4環(huán)圈的袋裝砂，從上游迎水面鋪設到圍堰的中部，鋪設1層，單個砂袋尺寸：1.5 m×1.5 m×0.5 m、重量為1.6 t。圍堰邊壁外共鋪設4環(huán)圈，寬6.5 m，具體防護布置及防護效果見圖3～圖4。

圖4　鋼圍堰沖刷防護措施試驗結(jié)果Fig.4　Test results of scour protection measuresfor steel cofferdam

試驗表明：圍堰上游迎水面的砂袋處于穩(wěn)定狀態(tài)；施工平臺附近因打設了管樁，產(chǎn)生一定的阻流作用，圍堰邊壁外的砂袋處于穩(wěn)定狀態(tài)；未打設施工平臺一側(cè)，最大流速區(qū)距離外側(cè)砂袋較近，外緣部分砂袋發(fā)生位移、滑落，但內(nèi)圈作為壓腳的砂袋保持穩(wěn)定狀態(tài)。外圈少量砂袋發(fā)生位移和滑落是由于防護體沒有全覆蓋局部沖坑所致，防護體外緣較大的沖深導致邊緣砂袋發(fā)生位移和滑落，這種情況不影響鋼圍堰的穩(wěn)定。

為準確預測圍堰終沉后局部地形的沖刷情況，以及防護體施工后河床演變情況，試驗中采集了防護體施工前后圍堰周圍床面的沖刷狀態(tài)數(shù)據(jù)。圍堰沖刷防護前、后的狀況對比如圖5所示。

圖5　鋼圍堰沖刷防護前后效果對比（+淤積，-沖刷）Fig.5　Comparison of steel cofferdam before and after scour protection(+siltation,-erosion)

由圖可見，圍堰終沉后未采取防護措施，水流在圍堰前端形成分流，兩側(cè)局部流速增大，在圍堰兩側(cè)迎水區(qū)形成典型的雁翼狀沖刷形態(tài)，兩側(cè)河床形態(tài)相似，最大沖深3.4 m；在背水區(qū)呈微淤，淤高約1 m；河床整體呈現(xiàn)迎水區(qū)沖刷背水區(qū)淤積趨勢，沖淤影響區(qū)域在兩側(cè)30 m范圍內(nèi)，主要的沖刷區(qū)域集中在圍堰4～5 m的迎水區(qū)河床。若在圍堰周圍6.5 m范圍采用防護措施，河床的主要沖刷區(qū)域明顯向外側(cè)移動，最大沖坑距圍堰18 m，沖深2.4 m。試驗表明，防護體能對圍堰周邊河床面形成較好保護，減弱河床沖刷程度，保證圍堰穩(wěn)定，此外也能減少圍堰封底時底部的防水封堵工作。

4　現(xiàn)場實施及驗證

根據(jù)物理模型試驗分析結(jié)果，圍堰終沉到位時，圍堰兩側(cè)沖刷最嚴重，圍堰外壁向外6.5 m范圍內(nèi)沖刷深度最大為3.4 m，圍堰下游沖刷不明顯。根據(jù)現(xiàn)場施工過程實際泥面觀測結(jié)果，圍堰下沉后，河床沖刷深度基本與圍堰終沉底標高齊平（即-0.5 m），因此，為防止河床繼續(xù)沖刷，同時考慮后續(xù)鋼護筒及封底施工，在圍堰上、下游端及兩側(cè)首先拋填0.7～0.8 m厚的碎石，形成平整河床面，然后在拋填碎石上靠近圍堰外壁側(cè)使用砂袋進行處理。實際施工過程中的防護措施見圖6。施工過程中實測資料顯示，圍堰采用防護體后，河床局部沖刷地形與概化模型試驗預測結(jié)果基本一致，圍堰兩側(cè)最深沖坑深度為2.8 m，與預測結(jié)果較為相符。

圖6　鋼圍堰現(xiàn)場防護措施示意圖Fig.6　Layout of on-sitescour protection measures for steel cofferdam

通過采取防護措施，結(jié)合現(xiàn)場潛水員定期檢查河床面及防護體情況，圍堰安全著床并終沉到位，成功進行主墩深水基礎施工。

5　結(jié)語

1）在深水航道易沖地質(zhì)條件下，大型鋼圍堰的施工會引起河床劇烈的沖刷形態(tài)變化。在試驗地形及水文條件下，底部河床面的沖刷形態(tài)及最大沖坑與圍堰的入水深度具有正相關(guān)關(guān)系，入水深度越大，影響越大；水深條件一定時，底部河床面的沖刷主要受圍堰入水深度（過水斷面）和垂線平均流速影響；圍堰入水深度越深，河道過水斷面變化越大，河床的起沖流速就越小。

2）對比沖刷防護體施工前、后的河床形態(tài)，證明防護體能對圍堰入土區(qū)河床面形成較好保護，減弱河床沖刷程度，縮小施工影響沖刷區(qū)域，同時防護體能夠為圍堰提供一定的穩(wěn)固作用，減少圍堰封底時底部防水封堵工作。

3）根據(jù)沖刷試驗結(jié)果，制定圍堰施工過程的防護措施，研究防護措施對河床沖刷的效果。成功應用于工程實例中，確保了主橋鋼圍堰深水基礎的順利施工。為以后深水航道易沖刷地質(zhì)條件下的圍堰施工及河床沖刷防護提供依據(jù)。

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