馬鞍山長江大橋近岸橋墩岸坡防護方案的水槽試驗研究

黃衛東，姚仕明，沈之平，廖小永

(長江水利委員會長江科學院，湖北武漢 430010)

1 概述

在橋梁的水毀事件中，橋墩沖刷是最主要的原因，沖刷嚴重影響著橋梁的整體穩定。橋墩周圍河床的沖刷深度決定了橋墩基礎的安全埋置深度，沖刷范圍決定了橋墩基礎的防護范圍。橋墩的修建改變了原有的水流結構，其周邊會產生強烈渦流，水流沖刷河床形成沖刷坑，進而造成近岸邊坡變陡，導致河岸的穩定性降低，當穩定性降低到一定程度后，河岸便會在重力作用下發生崩塌。崩岸將給河流沿岸帶來巨大的經濟損失，如岸邊耕地流失、交通運輸設施破壞等。岸灘的不斷崩退，直接威脅堤防及兩岸建筑物的安全。崩岸產生的大量土體滑到河道內，使河床淤積抬高;崩岸使河寬增加，在退水期不能沖刷成槽時往往會形成淺灘，不利于維持良好的航道條件。

在建的馬鞍山長江大橋共設有四個近岸橋墩，其中主汊(左汊)兩邊墩的尺寸為:承臺標高7 m，厚6 m，迎水面寬31.7 m，順水長69.2 m，承臺下迎水面中布設排樁，共48根樁。受近岸水流沖刷和近岸岸坡相對不穩定性的共同影響，近岸橋墩河床變形影響因素和趨勢更具復雜性，進而對岸坡防護方案、防護標準也提出了新的要求。

2 模型情況

馬鞍山長江大橋近岸橋墩岸坡防護方案的水槽試驗采用斷面正態模型，模型幾何比尺定為1∶100。橋墩局部沖刷試驗在長約30 m、寬3 m、高1 m 的水槽中進行，水槽鋪沙段長7 m，鋪沙厚0.4 m(圖1)。試驗采用合成塑料沙作為模型沙，計算得模型沙的設計中值粒徑為d50=0.25 mm。試驗放水要素見表1。

圖1 馬鞍山長江大橋橋墩局部模型示意圖

表1 試驗放水要素表

需要指出的是:由于在建的馬鞍山長江大橋左汊兩邊墩均位于地勢較高且坡度相對較緩的岸坡上，為了使研究的問題一般化，也為了更直觀地研究近岸橋墩附近的岸坡變形并對比各種岸坡防護措施的效果，還進行了岸坡(1∶3)概化模型試驗，模型起始地形見圖2。為了研究極限不利水文條件下近岸橋墩河床的變形情況，參照原型岸坡的流速，研究了水深5～10 m，流速在2 m/s 左右的工況。

圖2 概化模型起始地形圖

3 試驗成果分析

3.1 近岸橋墩周圍水流分析

橋墩周圍的水流結構主要包括墩前水面涌波、橋墩迎水面向下水流和尺度很大的紊流區。紊流區具有復雜的綜合水流結構，包括橋墩迎水面向下的水流和兩側繞流在床面附近形成的馬蹄形漩渦、橋墩兩側分離形成的尾流漩渦以及在橋墩兩側和橋墩后由床面附近釋放的小漩渦。同時，橋墩周圍的流場與橋墩周邊的河床局部變形有著密不可分的關系。橋墩周圍的流場觸發并控制著局部沖刷模式，反之，局部沖刷的發展也影響著橋墩周圍的水流結構。橋墩紊流系造成橋墩局部沖刷的重要因素。試驗過程中觀測到的水流現象如下:(1)表面水流受到橋墩的頂沖作用往兩側分流，正對橋墩的水流遇到橋墩后轉變為垂直向下的水流，淘刷墩前的局部河床;(2)水流經過橋墩時的左側繞流抵達岸邊的位置與墩前的行近流速有著密切關系，流速越大，水流抵達岸邊的位置越靠上游;(3)在橋墩尾部也形成較明顯的回流區。在距墩尾較遠的位置，被橋墩分開的水流有合并的趨勢，斷面流速分布逐步恢復到橋墩上游的狀態;(4)橋墩前有明顯的水面涌波和壅水現象，流量較大時，水位亦相對較高，整個承臺位于水面以下，表層水流受到橋墩的阻力相對較小，壅水現象沒有低水位時明顯，但水面涌波和水流紊動卻十分清晰。此類型橋墩附近的水流結構見圖3。

3.2 近岸橋墩的近區沖刷坑

圖3 橋墩附近的水流結構示意圖

橋墩局部沖刷深度影響因素眾多，與橋墩形狀、橋墩附近的水流強度以及河床組成密切相關，其機理十分復雜，概括起來，主要有以下三種觀點:(1)墩周流場的漩渦體系;(2)墩前下降水流的沖擊作用;(3)水流受橋墩的壓縮作用。

影響沖刷坑深度的因素主要包括行近流速、水深、泥沙中值粒徑、泥沙級配、橋墩形狀、橋墩尺寸和水流沖擊角等。局部沖刷可分為清水沖刷和動床沖刷兩種類型。清水沖刷是指進入局部沖刷坑的來流不攜帶泥沙情況下的沖刷，而動床沖刷是指局部沖刷坑可以持續地獲得來流挾沙水流的泥沙補給。有關研究表明:清水沖刷下的橋墩最大沖深值比動床沖刷下的橋墩最大沖深值約大10%。為了偏于安全考慮，局部沖刷試驗一般采用清水沖刷。

在試驗過程中，可以觀察到以下情況:流向橋墩的水流受到承臺及樁柱的阻擋，橋墩兩側的繞流使水流急劇彎曲，床面附近形成漩渦劇烈淘刷著橋墩的迎水端床面和周邊的泥沙，形成局部沖刷坑。隨著沖刷坑的不斷加深和擴展，坑底流速逐漸降低，水流挾沙能力隨之減弱，上游進入沖刷坑的泥沙與水流沖走的泥沙相平衡。同時，沖刷坑底的泥沙逐漸粗化，留下較粗顆粒鋪蓋在沖刷坑表面，使坑底粗糙程度增大，抗沖能力增強，水流的沖刷作用與床沙的抗沖作用趨向平衡，局部沖刷坑達到最深。試驗觀測到的最大沖深點位于橋墩迎水面中間略微偏深槽側的位置。沖刷坑特征值和沖刷坑范圍見表2、3。

3.3 近岸橋墩岸坡防護工程試驗研究

在分析近岸橋墩對河床及岸坡變形影響的基礎上，先后分別進行了土工織物砂枕(排)護岸、四面六邊透水框架護岸、纖維模板護坡、混凝土鉸鏈排護岸、土工布壓載軟體排護岸、拋石護岸等工程實施后的局部沖刷試驗。防護前和防護后沖刷坑特征值及范圍見表4、5。

從表2～5中可以看出:在岸坡(1∶3)概化模型試驗中，土工織物砂枕(排)護岸、四面體防護、土工布壓載軟體排護岸、拋石護岸等四種護岸工程實施后最大沖刷坑明顯較小，初步分析其原因為:(1)四面體具有較好的緩流促淤作用;(2)以上護岸形式整體性相對較差，個體的自由度較大，流量較大時，護岸材料容易被沖動，部分滑落至橋墩附近，在橋墩周邊間接形成了保護層，阻止了沖刷進一步向下發展。在同等水流條件下(行近流速V=2 m/s)，實施岸坡防護后的沖坑范圍遠小于防護前的沖坑范圍，多種護岸形式實施后，其沖刷過程、沖刷形態、范圍及最大沖深點等基本類似，沖刷范圍和最大沖深只是在量值上有所區別。通過比較試驗數據發現，四面體防護工程實施后，其沖坑范圍較其他防護方式的沖坑范圍略微偏小。

表2 橋址斷面概化模型各種水文條件下橋墩沖刷坑特征值表

表3 橋址斷面概化模型各種水文條件下橋墩沖刷坑范圍表

表4 岸坡(1∶3)概化模型橋墩沖刷坑特征值統計表

表5 岸坡(1∶3)概化模型橋墩沖刷坑范圍統計表

從試驗過程和試驗結果看，對岸坡變形較明顯的橋址上游70 m 至橋址下游190 m 實施岸坡防護工程后，岸坡的沖淤變形遠較防護前的沖淤變形為小。放水后的沖刷地形表明，防護工程的頭部及橋址附近交接處的局部岸坡變形較為顯著，尤其是采用發布護坡、混凝土鉸鏈排護岸、土工布壓載軟體排護岸等護岸方式的護岸前沿沖刷幅度最大，局部岸坡較陡，有的甚至成懸吊狀;而對于橋址附近的局部岸坡，由于水流流經橋墩的繞流作用，對其產生頂沖作用，造成位于橋墩中下部附近的岸坡明顯沖刷，岸坡變陡，甚至出現工程局部被掀起或翻卷的現象。由于實體抗沖防護工程本身具有阻水性，導致工程上下游交接處及坡腳處也發生了沖刷變形，形成較明顯的沖坑，從而對局部防護工程的穩定性及護岸效果會產生不利影響。尤其是在已防護工程的下游，存在沖刷下延的現象。

在選擇防護措施時，應綜合考慮岸坡防護和橋墩局部防護兩個方面。當采用阻水作用較大的實體抗沖防護工程時，岸坡加固后，近岸流速普遍增大，近岸橋墩局部沖刷會進一步加劇，沖刷坑有可能波及到坡腳，進而引起實體防護工程的破壞。因此，鑒于馬鞍山長江公路大橋近岸橋墩所在的河岸具有較順直、水流流速小(300 a 一遇流量條件下橋墩附近流速在2 m/s 以下)、河床易沖動的特點，建議采取減速促淤防護工程措施，傾向于采取研究較多且在實際工程中取得成功經驗的四面六邊透水框架護岸工程。

4 防護工程方案合理性分析

馬鞍山長江大橋所在河段的岸坡較緩，坡度遠小于臨界岸坡，岸坡變形主要是因橋墩局部沖刷和橋墩繞流水流頂沖附近岸坡所致。因此，岸坡防護應充分考慮橋墩附近紊流、局部沖刷坑及流量集中三個因素，逐一分析如下:

(1)橋墩紊流。

在行近流速V=2 m/s(高于300 a 一遇標準)時，靠岸邊一側的最大紊流寬度為1 B(B 為橋墩寬度)，靠深槽一側的最大紊流寬度為0.7 B 左右，上游側紊流長度約為0.5 L。垂向平均流速ˉω最大值一般出現在橋頭迎水面中心點處，自該點至橋墩靠深槽一側邊緣為沖刷最為嚴重的區域。馬鞍山長江大橋左汊近岸橋墩的寬度B=31.7 m，長度L=69.2 m，故依據紊流寬度確定的防護范圍為橋墩靠岸邊側寬度31.7 m，上游側34.6 m，靠深槽側22.19 m。

(2)局部沖刷坑。

橋墩最大局部沖刷深度公式采用清水沖刷情況下的沖深公式，即:

式中 Kξ為墩形系數。對于圓形墩，Kξ=1;對于與水流成直線的長方形墩，Kξ=1.4。

大量研究結果表明:清水沖刷下的橋墩最大沖深值比動床沖刷下的橋墩最大沖深值約大10%。根據該清水沖刷深度公式計算的極限沖深為19.639 m，與表3概化岸坡模型中所測得的最大沖深值基本相當。從實測的沖刷坑形態看，橋墩局部沖刷最嚴重的區域集中在墩頭位置，墩頭兩翼的沖坑寬度在墩頭與橋墩直線段交接處達到最大，沖刷坑寬度可用極限沖深大致估計。假設沖深在靠近橋墩邊緣處達到最大，且沖刷平衡后泥沙的斜坡大致等于泥沙的水下休止角，由于該河段泥沙的中值粒徑約為0.182 mm，故水下休止角可采用熊紹隆公式φ=36.45+4.294lgd50，由此算得水下休止角約為33.273°。橋墩兩側沖刷坑寬度Lf=hjctgφ，經計算得Lf=29.93 m，與試驗實測的靠深槽側的極限沖刷坑寬度較為吻合。由此可見，通過水下休止角推求沖刷坑的極限寬度具有一定的現實意義。故依據沖刷坑的極限狀態，橋墩上游側、左右側護岸的長度、寬度均取30 m。

(3)流量集中的影響。

由于近岸橋墩對水流的導流作用，在橋墩近岸一側易發生水流集中現象，單寬流量集中系數可采用下式計算:

綜合考慮以上因素和水槽試驗觀測成果，并根據橋墩附近紊流及局部河床變化情況，確定馬鞍山大橋采取的初步防護方案為橋位上游70 m～橋位下游190 m 實施岸坡防護，其中橋址上游70 m～下游67 m 護岸寬度為136 m，下游67～190 m 護岸寬度為55 m(圖4)，并對該防護方案實施后的流態和地形進行了重點觀測。在此需要說明的是:由于護岸工程會加劇護岸工程區域外的沖刷，因此，橋墩靠深槽一側的護岸寬度不宜過寬，故設定防護方案采取相對較小值。

5 實施方案中的創新點

圖4 防護工程布置方案及試驗后沖刷情況

(1)用光柵式水位儀實時測量模型水位變化，采用小型光電旋槳式傳感器和多普勒超聲波流速儀(ADV)對比測量橋墩周邊的特征流速，對橋墩周邊的三維流場進行了觀測。

(2)在1∶3岸坡概化模型試驗中，對現階段常見的幾種護岸型式在同一水沙條件下的防護效果和優缺點進行了對比分析，并推薦了適合馬鞍山長江大橋所在河段的護岸型式。

(3)研究了近岸橋墩對岸坡變形的影響程度和范圍，提出了近岸橋墩影響岸坡穩定的幾個最主要因素，并通過水槽模型試驗，建立了初步估計岸坡防護范圍的方法。該方法形式簡單、計算方便，根據墩型、有效墩寬和床沙的中值粒徑即可推算大致的防護范圍。防護措施效果驗證試驗表明:按該方法確定的岸坡防護范圍與標準基本能滿足工程需要。

(4)根據水下地形變化及河床沖淤幅度的大小，對岸坡防護的不同區域區別對待，在可能受到橋墩繞流水流頂沖易發生崩岸的岸坡區域設置了重點防護區。

6 結語

(1)同等水流條件下的岸坡防護措施對比試驗表明:多種防護方式實施后均能起到一定的防護效果，但由于橋墩近岸(或在岸坡上)，實體抗沖防護工程本身具有阻水性，在其周邊易形成局部沖坑，可能與橋墩的局部沖刷形成疊加，進而導致岸坡的二次破壞。因此，在岸線順直、流速相對較小的近岸區采取減速促淤的防護方式為宜。

(2)在橋址斷面概化模型實施了擬定的防護工程方案后，防護區岸坡流速減小明顯，促淤效果顯著，岸坡未見明顯破壞，較好地達到了預期的工程效果，證明該方案可行。

(3)建議以后在建類似近岸橋墩時，應將橋墩輪廓優化為更加圓滑的形式，以減小其對水流的頂沖作用，使其形成的繞流能夠緊貼墩壁，減小水流對附近岸坡的頂沖作用。

(4)對于在岸坡上新建工程的情況，岸坡防護應首先考慮采用減速、不沖的防護措施。由于堤岸附近水流與固體邊界相互作用的復雜性，使用實體抗沖防護措施，有可能加劇局部河床的沖刷，造成二次破壞，增加護岸的難度。但由于四面體的抗沖性能較差，在近岸流速大于2.5 m/s、坡度較陡的岸坡仍應考慮采用拋石護岸的方式。

(5)筆者雖然給出了適合馬鞍山長江大橋岸坡防護的一些原則和標準，但對于在復雜、敏感河段修建工程的情況，防護工程的范圍和標準應根據物理模型試驗或類似河段上的工程成功經驗加以確定。另外，還應注意拋投時機的選擇。

［1］余文疇，盧金友.長江河道崩岸與護岸［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［2］唐洪武，李福田，肖洋，等.四面體框架群護岸型式防沖促淤效果試驗研究［J］.水運工程，2002，344(9):25-28.