港珠澳大橋埋置式承臺基坑沖淤試驗(yàn)研究

仇正中，吳啟和，牛照

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430040）

0 引言

港珠澳大橋非通航孔橋基礎(chǔ)為高樁承臺基礎(chǔ)，承臺位于海床面以下，施工期承臺基坑局部沖刷及回淤對結(jié)構(gòu)安裝帶來影響，需要對基坑邊坡穩(wěn)定、基底回淤量進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，確定合理的開挖邊坡比和超挖量，既滿足基礎(chǔ)墩臺安裝要求，又使工效得到保證，同時(shí)又不至于設(shè)置不合理的邊坡比和超挖量，從而增加施工成本。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

港珠澳大橋工藝試驗(yàn)承臺尺寸為10.6m×10.1m×4.5m，試挖基坑底標(biāo)高為-11m，基坑深約5 m，基坑工程可挖性屬Ⅰ級，開挖穿越的地層有淤泥層①、淤泥質(zhì)黏土層②，各土層的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 土層力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 潮流與潮汐

伶仃洋的潮汐受南海潮波系統(tǒng)控制，屬于不規(guī)則半日潮混合潮型。從實(shí)測潮位過程曲線分析，本區(qū)日不等現(xiàn)象明顯，其中大潮期間日潮現(xiàn)象較明顯，小潮期間半日潮現(xiàn)象顯著，中潮介于兩者之間。

同潮汐一樣，伶仃洋的潮流也屬于不規(guī)則半日潮類型，呈現(xiàn)往復(fù)流運(yùn)動形式。東槽漲潮勢力較強(qiáng)，枯季尤為明顯，西槽落潮動力占優(yōu)，汛期更為突出。無論漲潮還是落潮，灣內(nèi)縱向流速分布均呈由灣口向?yàn)稠斨饾u增大的特點(diǎn)。

1.3 泥沙

伶仃洋水體的含沙量具有深槽小、淺灘大，西部高、東部低，汛期水渾、枯季水清等主要分布特征。在2004年6月水文觀測期間進(jìn)行了含沙量和底質(zhì)取樣，含沙量取樣分析表明：測驗(yàn)水域平均含沙量為0.012 kg/m3，實(shí)測最大含沙量為0.141 kg/m3，最小含沙量為0.0002 kg/m3。懸沙由灣內(nèi)向海域輸出，凈輸沙量平均為570 kg/（m·d）。底質(zhì)取樣分析表明，大濠水道所在深水航道區(qū)底質(zhì)為砂-黏土質(zhì)粉砂，大濠水道以西至珠海一側(cè)廣寬的海域?yàn)轲ね临|(zhì)粉砂。伶仃洋自然沖進(jìn)率一般都很小，據(jù)研究，伶仃洋西灘的自然沉積率約為2～5 cm/a，東灘沉積速率僅為1 cm/a左右，灣內(nèi)平均沉積率在1.5～2.5 cm/a之間，屬于微淤的穩(wěn)定河勢[2]。

2 承臺基坑沖淤理論分析

2.1 計(jì)算方法

應(yīng)用海港水文規(guī)范中航道淤積的經(jīng)驗(yàn)公式對本工程基坑回淤量進(jìn)行初步分析，給出在T時(shí)段內(nèi)單位面積上的回淤厚度為：

式中：P1為航道底面的淤積強(qiáng)度，m；ω為細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降速度，m/s；S1為相應(yīng)于平均水深d1的平均含沙量，kg/m3；t為淤積歷時(shí)，s；γ0為淤積物的干密度，kg/m3；K1、K2分別為橫流和順流的淤積系數(shù)，在缺少現(xiàn)場資料的情況下，可取K1為0.35、K2為0.13；d1、d2分別為平均水深和基坑開挖后的水深，m；θ為基坑走向和潮流流向之間的夾角。

2.2 承臺基坑回淤量計(jì)算

本工程區(qū)海域潮流屬于不規(guī)則半日潮類型，呈現(xiàn)往復(fù)流運(yùn)動形式。本海區(qū)淺水效應(yīng)較為顯著，具體表現(xiàn)在漲、落潮流的不對稱性及漲、落潮歷時(shí)不等較明顯。2004年6月在擬建工程海域沿備選線位共布置了9個(gè)水文測點(diǎn)，進(jìn)行大、中、小潮全潮水文觀測。工程區(qū)海域大潮期實(shí)測海流資料見圖1和表2。

圖1 橋區(qū)大潮期流矢圖

表2 各測點(diǎn)垂線最大平均流速及流向

承臺基坑處水深約為5.5m，基坑底水深約為11.5m。假定基坑與水流每差15°進(jìn)行1次計(jì)算。由于承臺基坑剖面呈近似正方形，故需考慮兩個(gè)方向的淤積。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 承臺基坑底回淤深度計(jì)算

試挖槽位于SW07站（最大含沙量站）附近海域，平均含沙量取為0.141 kg/m3，淤積歷時(shí)按21 d計(jì)算，根據(jù)規(guī)范要求[3]，淤泥質(zhì)海岸淤積物的干密度取為750 kg/m3，細(xì)顆粒泥沙絮凝團(tuán)的沉降速度取為3.5×10-4m/s。由表3計(jì)算結(jié)果可知，試挖槽基坑理論計(jì)算得出21 d大概回淤了6.7 cm，而用單波速實(shí)測得出21 d的最大回淤量為7 cm，兩者結(jié)果基本吻合。故可以用經(jīng)驗(yàn)公式來推算基坑超挖量。

基坑回淤與時(shí)間緊密相關(guān)。根據(jù)港工規(guī)范給出的回淤量分析經(jīng)驗(yàn)公式，在一定的時(shí)間內(nèi)，基坑回淤厚度與時(shí)間成正比關(guān)系。時(shí)間拖得越長，回淤量越大，基底處理工程量就越大，同時(shí)拖延工期。因此應(yīng)該盡量減少基坑成槽時(shí)間。本工程中對回淤1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月以及半年時(shí)間的基坑回淤厚度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)表3的計(jì)算情況，偏安全考慮的情況下，選擇基坑與水流呈30°和45°兩種情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 承臺基坑超挖深度計(jì)算

由表4計(jì)算結(jié)果可知，承臺基坑開挖1個(gè)月后需超挖10 cm左右，試挖槽開挖2個(gè)月后需超挖19 cm左右，其余類推，半年后需超挖58 cm左右。在實(shí)際工程中，試挖槽超挖還考慮到錨樁振沉、鋼管樁振沉、可能出現(xiàn)的陣風(fēng)以及施工船只對基坑周圍水流形成阻滯等因素的影響。

3 承臺基坑沖淤原位試驗(yàn)研究

3.1 檢測方法

為了揭示承臺基坑開挖后基底沖淤規(guī)律，在大橋設(shè)計(jì)里程K22+853向北偏離橋軸線150m處進(jìn)行了基坑沖淤原位試驗(yàn)研究，本實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的單波束測深儀定期和不定期進(jìn)行試驗(yàn)基坑開挖后水下地形測量工作。水深測量共均勻布置了94個(gè)測點(diǎn)，測量點(diǎn)間距為5m×10m，其中槽底布置了4個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 基坑回淤測試點(diǎn)分布示意圖

3.2 承臺基坑回淤量觀測

承臺基坑自2011年12月19日至2012年2月14日，累計(jì)完成基坑開挖前水下地形測量、基坑開挖后水下地形測量及總計(jì)8期的回淤監(jiān)測水下地形測量，基坑底回淤量（回淤厚度）隨時(shí)間的變化情況見圖3，基坑底區(qū)域回淤量觀測結(jié)果（回淤厚度）如表5所示。

第四，其他制度。除了上述三項(xiàng)主要制度之外，水資源保護(hù)公益訴訟制度還需要建立相關(guān)的配套制度，如訴訟時(shí)效制度、訴訟費(fèi)分擔(dān)制度等。

圖3 試挖槽回淤理論值與實(shí)測值對比

基坑開挖開始直到錨樁振沉完成平聯(lián)之前為止，單波速共進(jìn)行6次測量。在此期間，未進(jìn)行施工作業(yè)，海上狀況良好，未出現(xiàn)較大的風(fēng)浪流情況。由圖3可知，前6次測量，基坑回淤實(shí)測值和理論值擬合情況較好，不考慮鋼管樁振沉等因素的影響情況下，可通過該理論公式預(yù)測港珠澳大橋主體工程承臺基坑回淤。

承臺足尺模型工藝試驗(yàn)中，后3次單波束測量承臺基坑回淤量明顯增大。基坑挖后1個(gè)月內(nèi)，累計(jì)回淤量（回淤厚度）平穩(wěn)略有上升，當(dāng)鋼管樁振沉完成后，由于受到鋼管樁振沉?xí)r振動的影響，基坑底部回淤量明顯增大，短期內(nèi)達(dá)到40 cm左右，總回淤量達(dá)到45 cm左右。后期又受鋼管樁吸泥鉆機(jī)振動及填芯混凝土澆筑和期間集中的海上陣風(fēng)（陣風(fēng)7～8級）天氣的影響，基坑底部有較大的回淤，回淤量在8 d內(nèi)達(dá)到20 cm左右。在預(yù)制墩臺吊裝前完成最后一次測量，由于受到海上陣風(fēng)（陣風(fēng)7～8級）天氣的影響及大量施工船只對基坑周圍水流形成阻滯造成回淤，通過對測量數(shù)據(jù)的整理分析發(fā)現(xiàn)，最后一次測量基坑底部回淤量為10 cm左右，基坑總回淤量為80 cm左右。考慮到實(shí)際工程中，施工因素以及不可預(yù)知天氣的影響，結(jié)合表4、表5數(shù)據(jù)估算，承臺基坑挖后1～2個(gè)月左右，需超挖大概1m。

表5 基坑內(nèi)回淤量匯總表

3.3 槽底回淤增大可能性分析

港珠澳大橋主體工程基坑開挖時(shí)，亦須注意一些槽底因不可抗因素造成的驟淤。結(jié)合工程實(shí)際情況，對一些可能引起驟淤的因素進(jìn)行分析。

3.3.1 試挖槽附近區(qū)域采砂活動

試挖槽上游內(nèi)伶仃島以北礬石水道以西區(qū)域?yàn)樯霸磪^(qū)，多家單位長年于此利用射流船進(jìn)行采砂作業(yè)且產(chǎn)量巨大，海砂開采后尚需在現(xiàn)場進(jìn)行沖洗。海砂開采及現(xiàn)場沖洗對海床進(jìn)行擾動并造成海域水體懸移物質(zhì)增加。

由于航道疏浚作業(yè)、采砂作業(yè)等造成試挖槽周邊水體懸移物質(zhì)增多，而試挖槽附近500m范圍內(nèi)相對平整，僅試挖槽如坑般置于其中，水流將上下游來沙、浮泥等攜帶至槽中，造成試挖槽槽底淤積。只是平時(shí)當(dāng)?shù)睾Ｋ芮澹?xì)顆粒泥沙組成的海床也比較穩(wěn)定，所以槽底回淤不大，而當(dāng)上游有渾水下來，必將會淤積在試挖槽內(nèi)。因此可以推斷，只要附近有大型疏浚施工，該試挖槽槽底發(fā)生較強(qiáng)回淤是不可避免的。

3.3.2 風(fēng)暴潮對試挖槽回淤影響分析

深槽驟淤指深槽底部在特定條件下產(chǎn)生的快速淤積，通常以浮泥形式出現(xiàn)。深槽產(chǎn)生驟淤必須具備以下3個(gè)基本條件。

1）有豐富的細(xì)顆粒物質(zhì)的供應(yīng)源。

2）迅速衰減的動力條件：試挖槽表層流速大于槽底流速（接近于0）。當(dāng)水流流過試挖槽時(shí)，流速迅速衰減，水流動力也隨之迅速衰減。

3）存在明顯的負(fù)地形：試挖槽所在區(qū)域自然水深為5～6m，而試挖槽成槽開挖水深為11.5m左右，滿足產(chǎn)生驟淤的地貌基礎(chǔ)。

總之，如果試挖槽上游有大型疏浚施工，需考慮基坑較強(qiáng)的回淤情況。因伶仃洋海區(qū)懸移質(zhì)含沙量較小，風(fēng)暴潮對基坑回淤影響較小。

4 結(jié)語

本文依托港珠澳大橋埋置式承臺足尺模型工藝試驗(yàn)項(xiàng)目，采用理論計(jì)算分析與原位試驗(yàn)監(jiān)測相結(jié)合研究埋置式承臺基坑超挖深度，建議承臺基坑挖后1～2個(gè)月左右，超挖深度大約為1m。

河口海岸演變的預(yù)測與控制，一般都要求對工程引起的泥沙沖淤過程進(jìn)行定量模擬。除了進(jìn)行流場、波浪場、泥沙場的量化外，還需要對代表性泥樣進(jìn)行泥沙特性實(shí)驗(yàn)測定及概括，并建立能合理反映沖淤物理過程的數(shù)學(xué)模型。這方面，國內(nèi)外有相當(dāng)多的工作成果，在這一方向上積累更多的實(shí)例加以總結(jié)很有必要。

[1] 陳志民，蔡南樹，辛文杰.珠江口伶仃洋航道的回淤分析[J].海洋工程，2002，20（3）：61-68.

[2] 陳培煥，佘小建，季榮耀.泉州灣灘槽演變及深水航道的回淤研究[C]//第十三屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集.2007：583-588.

[3] JTJ213—98，海港水文規(guī)范[S].

[4] 劉家駒.連云港外航道的回淤計(jì)算及預(yù)報(bào)，水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)[J].1980（4）：31-42.

[5] 劉家，張鏡潮.淤泥質(zhì)海岸航道、港池淤積計(jì)算方法及其應(yīng)用推廣[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，1993（4）：301-320.

[6] 李安中.近海開敞水域挖槽回淤試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1986，14（3）：119-131.