水中施工平臺局部沖刷的處治措施研究

夏 飛 周 勇

（1湖北省交通規劃設計院， 湖北 武漢 430051；2湖北省交通規劃設計院， 湖北 武漢 430051）

水中施工平臺局部沖刷的處治措施研究

夏 飛1周 勇2

（1湖北省交通規劃設計院， 湖北 武漢 430051；2湖北省交通規劃設計院， 湖北 武漢 430051）

文中以某跨北江連續剛構橋水中施工平臺局部沖刷為例，介紹了局部沖刷的成因、防護原理、具體處理方案及實施效果。

水中施工平臺；局部沖刷；處治措施

1 項目概況

某跨北江連續剛構橋北岸主墩施工平臺采用鋼管樁及12根水中樁基施工的鋼護筒作為支承結構。在日常監測中發現因局部沖刷影響，導致作為承重結構的12根鋼護筒入土深度不足，影響施工平臺的結構安全。

2 成因分析

橋墩局部沖刷深度與很多因素有關，除橋墩寬度、橋墩型式、水深、床沙粒徑等因素外，主要受沖向橋墩的流速影響。流向橋墩的水流受到墩身的阻擋，橋墩周圍的水流結構發生急劇變化，水流的繞流使流線急劇彎曲，床面附近形成漩渦，劇烈淘刷橋墩迎水端和周圍的泥沙，形成局部沖刷坑。隨著沖刷坑的不斷加深和擴大，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趨向平衡同時，沖刷坑底的泥沙逐漸粗化，坑底粗糙程度增大，抗沖能力增強，使水流的沖刷作用與床沙的抗沖作用也趨于平衡，沖刷隨之停止，局部沖刷坑達到最深。

經調查，本項目局部沖刷的主要成因如下：

①北江河道表面覆蓋層主要為砂層及礫石層，經常出現采砂船才橋位上下游進行抽砂作業，導致河床變化較大，影響到橋位附近的覆蓋層。

②北岸主墩及過渡墩處于正江與北江交匯口，受上游江心島的影響，北江河槽部分偏于北岸，水流速度較大，局部沖刷較為嚴重。

③主墩鋼護筒直徑較大，且為群樁基樁，阻水結構形狀系數較大，相對局部沖刷較大。

3 處治原理

局部沖刷是在橋墩基礎附近，橋墩的存在引起了水流的加速，產生了將周圍沉積物帶走的漩渦。

理論上可以將水流與橋墩的沖刷作用分為三個部分： ①前進水流漩渦，主要是指前進的水流遇到障礙物產生的漩渦在通過障礙物時，卷動泥沙形成了沖刷坑，可采用減緩水流能量或者改變水流與橋墩的作用方式來應對; ②下降水流淘底，主要指前進水流撞擊橋墩后形成一部分下降水流，對墩底進行淘刷，可采用阻礙水流急速下沖的手段或增大泥沙啟動時需要的動力來應對; ③尾流漩渦沖坑，主要指水流繞過障礙物后形成的漩渦，帶走了墩后的部分泥沙，可在下游裝置收尾措施來處理應對。

現有沖刷防護措施大多是按上述思路進行設計的，在實際工程中按其位置可以分為墩前、墩周、墩后三種防護措施： ①墩前阻水，旨在阻擋墩前的前進水流，干擾來流作用; ②墩周加固，旨在墩周進行適當加固，起到護底防淘刷的作用; ③墩后收尾，旨在減小尾流作用，降低墩后的沖刷作用。

本項目按照墩前阻水、墩周加固及墩后收尾的方式進行處治。主要有以下幾個步驟：①北岸主墩鋼護筒跟進，增加入土深度；②加快樁基施工速度，盡快完成第一批主墩樁基施工；③在北岸部分平臺上游振設鋼管樁作為分水尖，減少江水對平臺的沖刷；④在分水尖與鉆孔平臺之間采用袋裝土進行回填，將沖刷區域進行恢復；⑤在分水尖上游拋投石籠，減少河床沖刷。

4 實施方案

4.1 護筒跟進

在樁基施工過程中，將護筒內部的覆蓋層鉆出后，將鋼護筒兩側的牛腿割除，將鋼護筒接長，鋼護筒對接接口采用滿焊焊接，接口處設置八塊連接板進行接長，連接板厚度為16mm，尺寸為40×20cm。鋼護筒接長完成后，采用240型振樁錘振沉鋼護筒，鋼護筒底口盡量振設至強風化層的以保證鋼護筒的入土深度及承載力滿足施工要求。

4.2 加快樁基施工速度

在已有的條件下，改進樁基施工工藝，合理安排施工順序，優化樁基鉆進設備，從而加快樁基施工進度。盡量在洪峰到來前，能夠灌注一根以上的樁基，這樣已經施工完成的樁基能夠更好的抵抗樁基的水平荷載，提高鉆孔平臺抵抗水平荷載的能力。

4.3 振設分水尖

在北岸平臺上游處，由于沖刷嚴重，且近期江水流速較快，必須采用主動防御的措施減少對主墩鉆孔平臺的沖刷。施工單位在鉆孔平臺上游插打兩排直徑不小于530mm的鋼管樁作為分水尖，分水尖鋼管樁采用梅花形布置。分水尖可以減少洪水對鉆孔平臺的沖刷，緩沖洪水流速，將沖刷面調整到遠離平臺的位置。為防止分水尖管樁受局部沖刷破壞，鋼管樁上采用主動防護鋼圈，該結構可以有效的消除下潛水流，防止形成馬蹄渦流。鋼圈在鋼管樁插打前焊接在鋼管樁上，要求焊縫不少于10mm。為方便鋼管樁施工，鋼圈采用整圈環繞結構。主墩鋼護筒同樣采用主動防護鋼圈，鋼圈為半圓環結構，通過I25a型鋼下放到相應水深位置，然后焊接固定在鋼護筒上。過渡墩的分水尖結構與主墩類似。

圖4.1 北岸主墩鉆孔平臺上游分水尖

4.4 分水尖與鉆孔平臺范圍河床恢復

為了防止后續施工過程中，江水持續對鉆孔平臺進行沖刷，危及鉆孔平臺的安全，必須將已經沖刷的鉆孔平臺下部的河床進行回填，這樣才能夠保證在樁基鉆進過程中整個平臺的安全。回填采用能裝 1m3的大型編織袋裝砂進行回填，回填范圍按照圖中所示橫橋向范圍（100.2m2）進行回填，回填寬度按照承臺寬度10.8m兩邊各增加1m進行回填。經過計算，主墩回填方量為100.2×（10.8+2）=1282.6m3。回填數量按照現場實際情況進行確認。

4.5 在分水尖上游拋投石籠

由于分水尖上游還存在沖刷情況，而且飛來峽水利樞紐不定期進行泄洪，對于鉆孔平臺的沖刷非常大，為了保證鉆孔平臺的安全，防止正在鉆進過程中的樁基出現風險，在分水尖上游拋投大量石籠保護河床，減少對河床對鉆孔平臺的沖刷。由于水流流速較大，拋投片石不能按照設計的位置準確下放，因此在投放片石的數量按照圖紙中的 1.5倍的數量進行考慮。主墩石籠投放數量為 26.5×30×1.5=1192.5m3。過渡墩石籠投放數量參考主墩石籠投放數量。

圖4 .2分水尖上游石籠投放示意圖

5 結論

經過連續觀測及一次洪峰后的專項檢測發現施工平臺附近的河床僅有微小沖刷，不影響施工平臺的結構安全，以上處治措施達到了既定效果。

TU75

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1007-6344（2017）09-0225-01