王 瑜

（上海市交通建設工程安全質量監(jiān)督站，上海市200030）

0 引 言

東海大橋是我國第一座外海跨海大橋，2005 年建成通車，標志著中國大橋建設由江河時代邁入到海洋時代，更是讓上海港跳出黃浦江，擁有了真正的深水碼頭岸線，為上海建成國際航運中心提供了重要的硬件環(huán)境。該大橋位于杭州灣東北部水域，北接上海蘆潮港，南接小洋山島洋山深水港區(qū)，設計標準為高速公路，設計速度80 km，橋梁總寬31.5 m，為雙向6 車道，全長約32.5 km。大橋的安全運行事關重大，其中群樁基礎橋墩承臺周邊的沖刷坑是影響大橋結構安全的關鍵因素，國內外歷史資料表明，橋墩基礎沖刷是河口及沿海地區(qū)橋梁普遍存在的問題[1]。蘇通大橋主塔墩群樁基礎施工中，采用了拋投袋裝沙作防護，較好地解決了施工期間的橋墩沖刷問題[2]，但建成通車以后北側橋墩附近河床沖刷嚴重，2017年對北引橋22 個受沖刷橋墩緊急實施了拋石防護[3]。我國對河流上的橋墩局部沖刷做過大量研究，但感潮河口及沿海地區(qū)的跨江跨海橋梁研究很少，東海大橋海域的自然環(huán)境條件極其復雜，橋墩區(qū)域沖刷受到水下構筑物與水流、波浪和泥沙的共同作用影響，對于其沖淤變化機理缺少了解。相鄰的杭州灣跨海大橋也存在潮流沖刷問題，2020 年底開發(fā)了橋墩局部沖刷的DAS 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，希望通過長期監(jiān)測橋墩周邊海床面地形變化數(shù)據(jù)，開展橋墩周邊沖刷狀況及開展沖淤演變趨勢分析。

區(qū)別于蘇通大橋徑流為主的感潮河段，東海大橋海域潮流表現(xiàn)為明顯的往復流，流向基本垂直于東海大橋軸線。根據(jù)東海大橋海域歷年沖淤監(jiān)測結果顯示，大橋橋址水域除局部略有淤積外，普遍處于沖刷狀態(tài)，對比2017 年和大橋建設前2002 年的海床測圖，已發(fā)生累計平均沖深2.0～3.0 m, 最大沖深4～5 m[4]。大橋建成后，橋墩沖刷坑隨之出現(xiàn)并呈現(xiàn)逐年加深，部分樁基沖刷深度超過設計警戒值，樁身應力接近容許值。沖刷坑形態(tài)表現(xiàn)多樣，其大小、方向、位置除了與自然條件相關外，還與墩臺結構尺寸和群樁數(shù)量相關，總體呈現(xiàn)為迎水面和兩側沖刷大，發(fā)生有最大沖刷深度[5]。為避免局部沖刷深度進一步增大而影響樁基安全，需對橋墩樁基承臺及周邊區(qū)域進行護底防護，確保東海大橋的結構和正常運營安全，國內外相似工程的實踐案例較少。

1 工程方案

1.1 概述

東海大橋橋墩過度沖刷防護試驗工程的原則是控制樁基區(qū)域的沖刷深度和范圍，增加海床抗沖刷能力，減少海床顆粒起動。根據(jù)橋墩區(qū)域的沖刷形態(tài)，防沖刷保護范圍分為兩部分，一部分為沖刷坑主體的保護，另一部分為沖刷坑兩側的保護，沖刷坑兩側的保護主要是防止沖刷坑主體保護后，沖刷坑周邊水流形態(tài)發(fā)生變化，引起沖刷坑周邊的沖刷。東海大橋海域潮汐類型為非正規(guī)半日淺海潮，潮汐日不等現(xiàn)象較為明顯，落潮歷時大于漲潮歷時，平均水位0.23 m（國家85 高程，下同），平均高潮位1.86 m，平均低潮位-1.34 m，漲落潮流呈明顯的往復流，流向基本垂直于東海大橋軸線，設計最大底流速2.4 m/s。

1.2 護面塊體重量計算

考慮采用防護結構表面拋塊石或袋裝混凝土增加海床的抗沖刷能力，穩(wěn)定重量計算有多種計算方法，常用計算方法有鐵道部科學研究院研究公式、美國高速公路管理局推薦的Richardson 方法、Chiew（1995 年）推導公式和《防波堤與護岸設計規(guī)范》（JTS 154—2018）護底塊石穩(wěn)定重量的規(guī)定，底流速按2.4 m/s 計，護面塊體重量結算結果見表1。

表1 護面塊體重量結算結果

考慮施工海域流速較大且流場復雜，群樁阻水效應水流挾沙能力進一步加強，增加安全系數(shù)，護面材料的重量確定為100～150 kg，換算粒徑約為40～50 cm。設計采用100～150 kg 袋裝混凝土作為護面材料。

1.3 單個橋墩防護范圍計算

橋墩局部沖刷防護范圍考慮適用性，采用戴榮堯公式。戴榮堯建議從設置防護時渦帶的強度及其影響范圍所涉及的因素來研究防護尺寸，通過將試驗資料點繪并經曲線擬合，得以下計算式：

式中：L 為墩前防護長度，m；K 為安全系數(shù)，采用K=1.3；v 為一般沖刷后墩前行近流速，m/s；h′為有效水深，h′≈h/2，m；h 為一般沖刷后水深，m；g 為重力加速度，m/s2；

經計算，得到沖刷防護范圍為橋墩基礎周圍約10～15 m，具體根據(jù)不同橋墩結構尺寸及目前沖刷區(qū)域確定防護范圍。

1.4 試驗工程方案

為研究在不同自然條件和結構形式下防護工程的技術工藝和防護效果，分別選取淺水區(qū)、深水區(qū)代表性橋墩開展防護試驗，積累數(shù)據(jù)、總結經驗，為后續(xù)的東海大橋橋墩沖刷防護方案優(yōu)化和全面施工等提供科學依據(jù)。本次防護設計選取7 個典型橋墩，分別為PM135～PM137、PM434、PM435、PM437、PM438。

（1）PM135～PM136：處于蘆潮港側淺水區(qū)，填充沖刷坑主體。-19.00 m 以下拋投袋裝碎石作為反濾層，防止原沖刷坑底的淤泥及粉土底質受紊流作用而被淘刷；表層拋填1.5 m 厚袋裝混凝土干混料作為護面，防止表面沖刷。

（2）PM137：處于蘆潮港側淺水區(qū)，填充沖刷坑及沖刷坑兩側。沖刷坑填充方案同PM135～PM136。兩側防護采用混凝土連鎖塊軟體排+ 柵欄板壓邊：連鎖塊尺寸0.48 m×0.48 m×0.20 m，間隔0.02 m，軟體排外側連續(xù)布置柵欄板壓邊，尺寸為6 m×6 m×0.40 m，間隔0.40 m。

（3）PM434～PM435：處于小洋山側深水區(qū)，填充沖刷坑及沖刷坑兩側防護，方案同PM137。

（4）PM437：處于小洋山側深水區(qū)，填充沖刷坑及四周防護，采用袋裝碎石+ 袋裝干混料+ 復合材料勾連體防護方案。主體防護區(qū)43.21 m×28.74 m（橫橋向×順橋向）自下而上依次為：-22.00 m 以下拋投袋裝碎石，-22.00～-20.50 m 拋投1.5 m 厚袋裝混凝土干混料，-20.50 m 以上拋投1.00 m 厚袋裝碎石。主體防護區(qū)四周分兩層外擴拋投復合材料勾連體，分別是橫橋向外7.50 m、順橋向外6.25 m 拋投兩層復合材料勾連體（每平方米不少于8 個，單重約30 kg），再向外橫橋向7.50 m、順橋向6.25 m 拋投三層復合材料勾連體（每平方米不少于10 個，單重約30 kg）。

（5）PM438：處于小洋山側深水區(qū)，包括沖刷坑及四周防護，采用袋裝碎石+ 袋裝干混料+ 勾連體防護方案。主體防護區(qū)范圍48.01 m×35.06 m（橫橋向×順橋向）方案同PM437。主體防護區(qū)四周拋投勾連體，向外橫橋向15 m、順橋向12.5m 拋投三層勾連體（每平方米不少于10 個，單重約10 kg）。

2 施工工藝和關鍵技術

2.1 軟體排鋪設

混凝土聯(lián)鎖塊軟體排是一種較為常見的固沙保灘的防護設計，在長江口航道整治工程中普遍采用，采用專業(yè)鋪排船鋪設，施工工藝成熟。該工程受東海大橋橋墩結構和水動力條件影響，軟排體鋪設方向為垂直于大橋軸線方向，從內向外鋪設。為有效防止施工船舶碰撞橋墩，鋪設時聯(lián)鎖塊運輸船頂流靠檔鋪排船，軟體排鋪設時鋪排船由內往外順流進行鋪設。軟體排護底鋪設工藝流程如圖1 所示。

圖1 軟體排護底鋪設工藝流程圖

2.2 柵欄板安裝

施工區(qū)域水深較深，PM137 處泥面標高-13～-15 m，PM434、PM435 處泥面標高-19～-23 m，柵欄板在安裝過程中受水流影響易發(fā)生偏移，安裝難度較大。本工程專門開發(fā)了定位系統(tǒng)軟件，對柵欄板施工安裝進行深水精確定位。測量定位系統(tǒng)由傾斜儀和兩套GPS、紅外線掃描儀、吊桿和吊索等組成，其原理為利用受力鋼絲繩呈直線狀態(tài)，施工過程中通過測量鋼絲繩傾斜度，由水面上吊架坐標推算水下柵欄板坐標位置，并以圖像形式在軟件界面上顯示。操作人員監(jiān)控柵欄板、勾連體定位框的實時位置和與設計位置的相對關系，指揮吊車司機操縱起重設備，移動調整至設計位置。水下柵欄板定位安裝流程如圖2 所示。

圖2 水下柵欄板安裝流程圖

2.3 袋裝碎石及干混料拋填

東海大橋橋墩跨度有50 m、60 m、70 m 等，減去墩臺寬度，橋墩間最小有效距離約40 m，一般非通航孔橋面以下有效凈空高度8.8 m，橋墩群樁基礎由8～20 根鋼管樁組成。針對該實際情況，傳統(tǒng)的網兜拋石、開體駁拋石等施工工藝不能滿足設計施工要求，現(xiàn)有船機設備無法實現(xiàn)在橋下駐船施工，進行沖刷坑核心區(qū)域拋填作業(yè)。施工專門設計研制了斜向溜筒拋石船[6]，對甲板駁改造設置斜向溜筒拋石機構，其具備臺車橫移、溜筒旋轉變幅等功能。施工中可根據(jù)不同的水位及樁基情況，準確地斜向插入樁群內部，然后袋裝碎石、干混料由皮帶機喂料通過溜筒拋填至沖刷坑內部，減少對樁基的沖擊及對保護層陽極塊的刮蹭。同時，配套的三維監(jiān)控軟件實時顯示溜筒與任意鋼管樁的相對位置關系，并具有碰撞報警功能，避免了溜筒插樁作業(yè)時對下部基礎的影響。袋裝碎石及干混料拋填工藝流程如圖3 所示。

圖3 袋裝碎石及干混料拋填工藝流程圖

2.4 主動勾連體安裝

主動式勾連體外層為玻璃纖維增強復合材料，內部為C30 混凝土，在深水區(qū)域人工直接拋投易受水流沖刷影響，水上拋投定位和漂移量很難精確控制。工程采用直徑1 m 的直溜筒進行定點定量拋投，可精確定位至距泥面1 m 位置，按照設計的勾連體每平方模數(shù)，每平方8 個或10 個進行數(shù)量控制。拋填采用網格化控制，每個網格1 m×1 m 進行編號，通過錨機進行船舶移動定位。

3 工后監(jiān)測

東海大橋橋墩過度沖刷區(qū)域防護試驗工程2019年5 月主體完成，監(jiān)測單位于7 月開始工后測量，至2020 年3 月共開展8 次多波束水深監(jiān)測工作。監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)拋填標高明顯不到位的，利用袋裝干混料進行補拋找平。監(jiān)測結果顯示：

（1）PM135、PM136、PM137 橋墩區(qū)域沖刷仍有發(fā)展，對比2019 年12 月、2020 年1 月測量成果，低于設計標高的范圍擴大，PM137 橋墩樁基中部附近出現(xiàn)較大低于-16.0 m 標高的區(qū)域。2020 年3 月測量成果表明橋墩樁基中部區(qū)域存在局部低洼坑。

（2）PM434、PM435 橋墩防護軟體排鋪設整體良好，少數(shù)壓排柵欄板有相互翹搭和超排布邊界情況。測量顯示2019 年8 月-11 月對低于設計標高區(qū)域補拋后水下地形比較穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯的沖刷現(xiàn)象。

（3）PM437、PM438 橋墩沖刷坑周邊防護勾連體基本上按設計范圍拋投，且基本圍成“回”形區(qū)域，但PM438 橋墩西側存在約15 m 缺口。測量顯示2019年8 月至11 月對低于設計標高區(qū)域補拋后水下地形比較穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯的沖刷現(xiàn)象。

（4）橋墩兩側防護范圍外的地形均有沖刷，PM434-PM435、PM437-PM438 附近沖刷較大，2018年6 月至2020 年3 月，平均沖刷深度約1.5 m；PM135-137 附近沖刷相對較小，2018 年6 月至2020 年3，平均沖刷深度約0.7 m。

4 結 語

（1）大橋橋墩過度沖刷區(qū)域的防護設計方案總體效果明顯，達到試驗工程目的。東海大橋海域沖淤變化呈現(xiàn)為沖刷態(tài)勢，防護工程的實施，保證了橋墩防護區(qū)域的穩(wěn)定；填充結構基本穩(wěn)定，軟體排及勾連體保護區(qū)域水深未發(fā)現(xiàn)明顯變化；但橋墩防護范圍以外的沖刷仍在持續(xù)，后續(xù)應繼續(xù)做好定期監(jiān)測。

（2）監(jiān)測結果分析表明，沖刷坑拋填存在泥沙淘蝕、拋填料下沉的情況，實施了護面護灘防護的沖刷坑穩(wěn)定性明顯較好，因此防護措施的完整性對防護效果至關重要。由于海域水深流急，軟體排鋪設、柵欄板壓邊的施工工效低，有必要對設計方案或施工工藝進行完善。

（3）拋填袋裝碎石和干混料施工中，水流波浪條件對施工安全質量的影響干擾都很大，船舶錨泊定位難，拋填料整體平整度不佳，存在部分區(qū)域標高低于設計要求。水下拋填料施工需研究進一步改進施工設備，提高樁群中心區(qū)拋填的安全控制和水下拋填質量精度。

（4）護面使用袋裝干混料工程效果不佳。專項試驗顯示，2019 年5 月17 日使用鋼絲網兜將干混料試驗樣本吊放施工水域，2019 年12 月10 日取出檢查，編制袋完好，干混料部分凝結成塊體但較為松散，硬化強度未能達到設計要求。