大型沉井基礎的防沖護底試驗研究

盧中一，高正榮

（南京水利科學研究院，交通部港口航道泥沙工程重點實驗室，江蘇 南京 210029）

橋梁建設中沉井是常見的橋墩基礎形式之一。目前國內沉井施工常用的方法是選擇水情較小的枯期將沉井浮運到位，準確定位后分次加高進行沉放、著床直至規定高程。施工時受工序統籌所限，體積龐大的沉井在墩址上方的水中要懸浮一定時段。受墩體、水流和底部河床泥沙的共同作用，在沉井下沉、接高、再下沉、再接高這樣多次反復的施工過程中，即使選擇在流速小的枯季著床，沉井底部河床還是會形成一定深度的局部沖刷，對于尺度超大的沉井，下沉過程中形成的局部沖深有時足以危及著床后的沉井穩定[1]。鑒于目前缺少對大型沉井基礎沖刷防護的研究和實例，因此，開展這方面的試驗研究，對于優化防護工程的布置、前瞻防護工程的工效，對設計和施工均具有積極意義。本次以位于長江下游某長江大橋為例，通過室內試驗對大型沉井基礎有關沖刷防護問題進行探討。

1 試驗概述

沖刷試驗在寬水槽中進行，根據橋址所在水域的水流動力條件，水槽設計成單向流水槽，上游采用矩形薄壁量水堰調控流量，下游采用橫向推拉式尾門微調水位，沉井迎水面一定距離（以不受沉井阻水影響為前提）布設直讀式流速儀監控行近流速。水槽總長34m，凈寬4.8m，水槽動床段長10m，寬4.8m，鋪沙厚度為0.6m，沉井模型布置在試驗段的中央。在模型設計時，已考慮了流速、雷諾數、水深、休止角、橋墩壓縮比等必須滿足的基本條件，模型比尺為1∶100。

經比選，采用經過防腐處理的木屑作為模型沙，其中值粒徑d50＝0.80 mm，顆粒容重γsm＝1.15 t/m3，干容重γom＝0.60 t/m3。根據以往模擬碎粒體無黏性泥沙局部沖刷試驗的結果，一般情況下經歷2～3 h后橋墩局部沖刷達到沖刷基本平衡狀態。本次試驗顯示，橋墩沖刷坑達到沖刷基本平衡狀態的時間為2.5 h左右，因此以后的試驗時間均采用3 h進行控制。沖刷后的床面地形采用地形界面儀和測針相結合的方法進行測量。

2 沉井結構

矩形沉井：外觀為四邊角呈圓弧形的矩形柱。迎水面總寬44.10m，順水流方向總長58.20m。上部承臺高6.0 m，承臺頂標高為+6.0m。沉井總高88.0m，其中底部（標高-82.0m）向上44.0m為鋼沉井，再向上44.0m為混凝土沉井（見圖1）。

圖1 沉井結構示意圖（單位：cm）

3 防護材料塊徑的確定

試驗遵循在滿足最小穩定重量的前提下塊徑宜小不宜大的原則選取碎石。為滿足施工部門要求，采用原型5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm五種塊徑碎石，并將其配成不同級配比組次進行碎石塊徑與起動流速的關系試驗。級配試驗時除了進行放置沉井模型時的試驗外，另外選擇一些典型的工況，進行部分不放置沉井模型的試驗，以期進行對比。

4 碎石塊徑、級配及起動

本著“對沖刷防護的碎石級配進行優化，在確保河床穩定的前提下盡量控制最大塊徑碎石所占比例，以利于工程實施”的原則，對采用的5種塊徑碎石進行了5種不同比例的配比，按照單塊徑碎石的水流條件對級配碎石進行起動流速的測試，并與單塊徑碎石的起動流速進行對比，結果見表1。

表1 單塊徑碎石和級配碎石的起動流速（水深12m，不放置沉井時）

試驗顯示：在5種不同級配碎石中，小塊徑碎石占多數的級配3和中塊徑碎石占多數的級配4的起動流速增幅較明顯。試驗顯示：要達到某一級起動流速，只要掌控好級配碎石的比例，級配碎石中的塊徑明顯小于采用單塊徑碎石的塊徑，因此從工程實施角度出發，拋石護底采用級配碎石既能使實際操作便利可行、又能保證護底工程具有穩定的工程效果。

在同樣試驗條件下，進行放置沉井基礎后單塊徑碎石及級配碎石的起動試驗。碎石分別布設在沉井迎水面、拐角、邊側、橫軸線中部以及背水面等位置共32處，碎石距沉井基礎的相對位置見圖2。

圖2 沉井基礎周邊碎石起動順序示意圖

由于受墩基阻水及墩體壓縮過水面積等影響，位于沉井周邊各處的碎石的起動情況不盡相同，即使投拋相同塊徑碎石，只要位置不同使其起動的流速也不相同。試驗觀測顯示：在眾多的試驗組次中，只要流速相同，不論是單塊徑碎石還是級配碎石，不同部位碎石的起動先后順序基本相同：

首先起動部位：7號

第二順序起動部位：8號、9號、14號、6號、13號、20號、29號、27號

第三順序起動部位：10號、11號、15號、16號、19號、21號、25號、26號、30號

第四順序起動部位：4號、22號、17號、5號、12號

第五順序起動部位：18號、23號、24號

在放置沉井基礎情況下，將5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm五種單塊徑碎石按小塊徑為主和中粗塊徑為主分成5種級配，具體如下：

級配①：5 cm碎石70%+10 cm碎石15%+15 cm碎石15%（按重量百分數計，下同）

級配②：5 cm碎石60%+10 cm碎石30%+15 cm碎石10%

級配③：5 cm碎石40%+10 cm碎石40%+15 cm碎石10%+20 cm碎石10%

級配④：10 cm碎石70%+15 cm碎石20%+20 cm碎石10%

級配⑤：10 cm碎石50%+15 cm碎石30%+20 cm碎石10%+25 cm碎石10%

級配碎石的鋪設位置、水文條件均與前述單塊徑碎石試驗相同。

試驗顯示：位于沉井迎水面側角處的7號、8號、9號三處碎石最容易發生位移，當墩前行近流速達到2.0m/s時，5種級配碎石均全部沖光。位于沉井兩側的碎石，其起動順序、對應起動流速與單塊徑碎石情形大致接近，當墩前行近流速達到2.4～2.70m/s時，5種級配碎石也相繼沖光。位于墩前緩流區內的1號、2號、3號各點的碎石處于少量位移、基本穩定狀態；墩后掩護區內的31號、32號等處，級配以5 cm小塊徑碎石為主，即使流速增大至2.8m/s時，也始終保持穩定狀態。

通過碎石起動試驗，得到如下認識：

1）采用拋石防護來保證沉井基礎周邊床面的穩定，確保沉井迎水面兩側角附近（7號、8號、9號三處）碎石的穩定至關重要，只要碎石在該區域內保持穩定，其他區域的穩定就有保證。

2）實施拋石護底，工程自身的穩定必須放在首位。在起動順序第一、第二區域內，25 cm碎石要占一定比例，在5～25 cm五種碎石中組成級配盡量以中粗塊徑為主；從度汛角度考慮，級配碎石中應舍棄5 cm碎石，控制10 cm碎石的比例。

3）根據級配碎石的起動位置和位移狀態，對沉井周邊床面實施拋石防護時應分區域、按配比進行：迎水側角處以粗塊徑配比為主，第2、第3起沖區以中粗塊徑為主，較遠處和迎水緩流區、背水掩護區可采用中塊徑碎石。

5 防護工程區域的功能劃分

沉井基礎的沖刷防護采用護底抗沖措施，根據各部分所處位置和功能作用，將整個防護區域平面布置分為核心區（Ⅰ區）、永久防護區（Ⅱ區）和護坦區（Ⅲ區）三部分，不同區域的基本功能是：

核心區：局部沖深最大的區域，是沖刷防護的重點區域。根據沉井基礎預防護需要，范圍為沉井基礎邊壁外20 m（等寬）。根據施工要求，核心區首先要進行預防護，確保沉井的安全著床和防止現有床面的沖刷。考慮到沉井著床過程中其沉井刃腳會造成防護層的局部缺損，可用專門設備在水下進行定點補拋彌補。

永久防護區：核心區外化解墩基、床沙共同作用時防護工程所需的平面尺度。在本工程定為局部沖深10m等深線范圍（核心區外25m），在預防護時也是必須防護的區域。

護坦區：設置在永久防護區外側的外圍防護區，其作用是保護永久防護區、使整體防護工程適應河床沖刷變形，其范圍可根據防護等級制定。

6 安全度汛階段沉井防護工程穩定性研究

試驗顯示：對于本次研究的沉井，當沉井井底距床面4m時，V=0.80m/s的行近流速（垂線平均，下同）就會引起底部床面較明顯的局部沖刷[2]；沉井井底距床面越近，床面開始沖刷所對應的開沖流速就越小。根據1950—2003年的大通流量資料統計，發生在每年12月—翌年2月枯季的多年月平均流量分別為14 200m3/s、11 000m3/s和11 700m3/s，從不同流量下水位與流速對應關系式[4]可以得到枯季同期橋區水域的水流條件（見表2）。

表2 橋區水域枯季（每年12月—翌年2月）水流條件

從橋區水流條件來看，枯季的流速在0.76～0.85m/s之間，沉井井底距床面距離如果小于4m，沉井底部床面還是能引起局部沖刷。試驗顯示，行近流速在0.80m/s時，矩形沉井基礎引起的局部沖刷最大深度在4.10m左右，如果考慮沉井著床階段對底部床面土層的擾動影響，沖刷坑最大深度有可能超過5m。因此從確保沉井基礎所在河床面穩定的角度出發，施工期預防護工程可分為沉井平穩著床和安全度汛兩個階段先后進行。

預防護工程必須具備其工程的鋪設范圍和拋投高度，以達到床面穩定、工效良好和費用經濟的建設要求。建設部門對沉井基礎防護工程提出“穩定性好、范圍小、厚度薄”的總體要求，為此在必須滿足安全度汛（20 a一遇）情況下進行了沉井基礎預防護工程范圍的比選試驗，水流條件見表3。

表3 試驗水流條件

試驗中，該大橋沉井基礎預防護的防護尺度見表4。

表4 預防護工程的防護尺度

方案1（大范圍）：

核心區（Ⅰ區）：（沉井邊壁外）縱、橫向均寬20m，厚2.5m，碎石級配比：30 cm（60%）＋20 cm（40%）。

永久防護區（Ⅱ區）：（Ⅰ區外）縱、橫向均寬40m，厚2.0m，碎石級配比：30 cm（40%）＋20 cm（40%）＋15 cm（20%）。

護坦區（Ⅲ區）：（Ⅱ區外）縱、橫向均寬30m，內側15m厚2.0m，外側15m漸厚至3m，碎石級配比：20 cm（50%）＋15 cm（50%）。

護坦邊坡為1∶3，采用單顆塊徑30 cm碎石護坡。

方案2（中等范圍）：

核心區（Ⅰ區）：（沉井邊壁外）縱、橫向均寬20m，厚2.5m，碎石級配比：30 cm（40%）＋20 cm（60%）。

永久防護區（Ⅱ區）：（Ⅰ區外）縱、橫向均寬25m，內側12m厚2.0m，外側13m漸高至3m，碎石級配比：30 cm（20%）＋20 cm（60%）＋15 cm（20%）。

護坦邊坡為1∶3，采用20 cm（50%）＋15 cm（50%）級配碎石護坡。

方案3（小范圍）：

核心區（Ⅰ區）：（沉井邊壁外）縱、橫向均寬20m，厚2.5m，碎石級配比：30 cm（40%）＋20 cm（60%）。

護坦邊坡為1∶3，采用20 cm（50%）＋15 cm（50%）級配碎石護坡。

對3個方案進行了汛期最大流量的沖刷試驗，以防護工程的穩定性、防護工程外可能發生的最大沖深、最大沖深與防護工程的相對位置、邊坡穩定情況以及防護工程量等指標進行對比，試驗結果見表5，大范圍預防護后及中等范圍預防護后周邊河床沖刷形態見圖3和圖4。

表5 護底預防護工程不同范圍的工效比較

圖3 大范圍預防護后周邊河床沖刷形態

圖4 中等范圍預防護后周邊河床沖刷形態

從試驗結果看，方案1（大范圍）的工程效果最好，護底工程穩定，護底工程外的床面沖刷較小，而且最大沖深距工程相對較遠，有利于防護工程的持久穩定，但方案1存在明顯的缺陷：一次性拋投量太大，與主要保證沉井施工期穩定的初衷不相符。經相對比較，方案1的拋投量約為方案2（中等范圍）的4倍，約為方案3的7倍。方案3（小范圍）雖然有拋投量小的優點（僅占方案1拋投量的14.5%，為方案2的56.3%），但度汛護底工程效果較差，存在護底工程自身不穩定、可能危及沉井基礎安全的缺陷，因此建議不予采用。相比而言，方案2具有度汛后防護工程及邊坡保持自身穩定、能確保沉井基礎安全度汛以及拋投量適中等優點，可以作為沉井基礎施工期的預防護工程推薦方案進行護面。沉井基礎施工期護底預防護工程外河床的沖刷特征見表6和圖5。

表6 矩形沉井施工期預防護工程外河床沖刷特征（防護范圍：148.2m長×134.0m寬）

圖5 施工期防護區外最大沖深曲線（矩形沉井）

7 平穩著床階段沉井防護工程的穩定性

沉井的著床通常選在枯季進行，此時橋區水域流量小，流速慢，相對減小了沉井基礎處的局部沖刷。但由于工序復雜沉井下沉時仍需要數天乃至更多的時間，而且在沉井接近床面時底部床面容易發生明顯的局部沖深，為確保沉井的安全著床，對橋基附近床面進行預防護是必須的。

由于有安全度汛防護工程尺度作參考，加上枯季最大行近流速通常在1.00～1.20m/s之間，實施沉井平穩階段預防護時，在保證護面碎石穩定的前提下存在選擇小塊徑級配碎石、縮小防護范圍的可能性，以便有利于沉井刃腳的順利下切和沉井內部吸排土石方的需要。

根據放置矩形沉井后周邊級配碎石穩定性試驗成果，5 cm碎石占70%、10 cm和15 cm碎石各占15%的最小級配碎石（見級配①）除了位于迎水面兩側角底部在行近流速0.7m/s情況下發生少量位移，距沉井邊壁較近的碎石第二起沖區（離沉井邊壁最遠8m）在行近流速1.0～1.30m/s級配碎石才發生少量位移；在第二起沖區外緣的10號、15號和21號（距沉井分別為15m、18m和19.5m）在行近流速1.2～1.30m/s時級配碎石才發生少量位移，而枯季最大流速一般在1.00m/s左右，因此沉井著床階段預防護的塊徑可采用級配①的比例（即5 cm碎石70%+10 cm碎石15%+15 cm碎石15%），對緊靠沉井邊壁8～10m的范圍進行著床期預防護，沉井著床期間可能引起迎水面兩側小范圍內小塊徑碎石的位移，待沉井平穩著床后可采用水下點拋彌補，到時即使拋投稍大塊徑碎石也不會影響沉井基礎的施工，隨后在沉井周圍拋投大塊徑級配碎石進行安全度汛防護。在以沉井平穩著床為主要目的的施工期前期預防護時可暫不考慮布設護坦區，防護體周邊河床的沖刷形態見圖6。

圖6 防護體周邊河床沖刷形態

8 結語

沉井基礎防護工程可分為滿足平穩著床和安全度汛兩個階段分步實施，試驗表明，防護尺度為148.2m（長）×134.0m（寬）×2.0～2.5m（高）的方案2具有度汛后防護工程及邊坡保持自身穩定、能確保沉井基礎安全度汛以及拋投量適中等優點，可以作為滿足安全度汛要求的預防護工程推薦方案進行護面。沉井著床時的枯季最大流速一般在1.00m/s左右，可采用以小于10 cm碎石占多數的級配碎石先行護面，防護尺度為78.2m（長）×64.1m（寬）×2.5 m（高），對沉井著床期間可能引起迎水面兩側局部范圍內小塊徑碎石的位移，可在沉井平穩著床后采用水下點拋彌補，再在沉井周圍拋設大塊徑級配碎石進行安全度汛防護，這樣既滿足施工需要，又使整體預防護工程達到總體要求。

[1] 高正榮，黃建維，盧中一.長江河口跨江大橋橋墩局部沖刷及防護研究[M].北京：海洋出版社，2005.

[2] 盧中一，高正榮.大型沉井基礎施工過程中的局部沖刷試驗研究[C]//第十四屆中國海洋工程學術討論會論文集.北京：海洋出版社，2009：1 139-1 146.