蘇通大橋北主墩河床防護層對水下沖刷邊坡穩定的影響

付鵬程，陳志堅

(河海大學 地球科學與工程學院，南京 211100)

據有關統計，對于大型橋梁工程，洪水引起的橋梁基礎的局部沖刷是導致橋梁破壞的最重要原因[1-2]。橋墩的建造會導致過水斷面減小，無疑會改變橋墩附近一定范圍的水沙運動情況，橋墩周圍水流速度的增大會加劇河床面的沖刷。沖刷通常由自然沖刷、過水斷面減小導致的沖刷、橋墩周圍的局部沖刷三個方面構成[3]。蘇通大橋于2008年5月通車，由于上下游的一系列圍墾活動，例如南通側的南通航母主題公園2015年施工建設，導致蘇通大橋橋位河段過水斷面大幅減小，加劇了河床面的沖刷問題，使得原有沖刷坑繼續加深。因此，本文以通車運營期間蘇通大橋北主墩河床地形地貌圖監測數據為基礎，利用FLAC3D軟件，分析在有無河床防護層狀態下，北主墩附近沖刷形成的邊坡的穩定性，論證了河床防護層的有效。

1 工程概況

蘇通大橋連接江蘇省蘇州市和南通市，西距江陰大橋82 km，東距長江入海口108 km，是國家高速公路沈海高速的過江樞紐，蘇通大橋跨江部分長8 146 m，主跨長1 088 m，為迄今為止世界第二大跨徑的斜拉橋。

橋位區江面寬約6 km，長江深槽偏于南側，河流彎曲方向指向南岸，即凸岸位于左岸，凹岸位于右岸，因此，北部南通一帶為邊灘淤積區，南岸為邊灘沖蝕區，中間為新通海沙南河道沖蝕及深槽侵蝕區。橋位區的地層為總厚度達300 m的一套河湖、濱海相第四系松散沉積物，巖性為粉細砂、粘土質砂土、砂質粘土[4]。

2 河床沖刷防護方案及破壞方式

2.1 河床沖刷防護方案

蘇通大橋橋位區采用護底抗沖措施，即在河床上鋪設輔助材料，從而減小河床土體的沖刷。根據蘇通大橋群樁基礎與土體共同作用機理和建設前局部沖坑形態特征，將北主墩整個河床防護區域分為核心區、永久防護區和護坦區，沖刷防護平面布置圖如圖1。

(1)核心區。

圖1 北主墩河床防護層平面分區(m)Fig.1 North main pier riverbed protection plane division

是保證基樁入土深度和樁基承載力的核心區域，也是局部沖深最大的區域，必須進行重點防護。核心區范圍為群樁基礎與施工臨時平臺樁基及周邊20 m，尺寸為170 m×60 m。其沖刷防護工程由三層組成：第一層是鋪設于河床面上并經過鋼護筒插打的袋裝砂，主要起預防護作用；第二層是級配碎石，鋪設于袋裝砂上，主要起反濾和找平作用；第三層是塊石，鋪設于級配碎石層上，起大動壓載作用。防護結構體為2 m袋裝砂(預防護)+1 m散拋級配碎石+1.5 m塊石，邊坡1：3。

(2)永久防護區。

也稱樁-土共同作用區域，是樁土共同作用比較強烈的區域，是保證基礎受力、傳力機理不發生重大變化的重要區域。范圍為核心區外圍上下游40 m，南北45 m。防護結構體為1 m袋裝砂+1 m散拋級配碎石+1.5 m塊石，邊坡1：3。

(3)護坦區。

也稱樁-土共同作用外區域，該區域對群樁基礎受力的影響不大，但對其防護后能起到適應河床沖刷變形，減小永久防護區的河床沖刷的功能，防護的結構為護袒結構。范圍為永久防護區外圍45 m，防護結構體為一層1 m袋裝砂+二層1 m散拋級配碎石+三層1.89 m塊石(內側20 m)/3.15 m(外側20 m)，邊坡為1：3[5-7]。

2.2 河床防護層破壞形式

河床防護層的破壞形式可以分為以下三種：

(1)面層破損。

群樁基礎的存在使得局部水流速度加快，河床附近流速加快使得防護層附近的河床剪應力和摩阻流速增大，防護層最上層的護面塊石由于單塊體積大，在施工時無法保持其平整，在河床剪應力和摩阻流速增大的情況下使得塊石翻滾流失，造成面層破損。

(2)邊緣坍塌。

防護區外側的天然河床受到局部沖刷，逐漸逼近護坦區，使得護坦區邊緣的石塊在水流影響下向防護區域外移動，對邊緣處造成損壞[8]。

(3)滑動破壞。

隨著護坦區邊緣的沖刷加深，坡度變陡，沖刷邊坡的上緣逐漸向防護中心逼近，邊坡坡度也在沖刷作用下不斷變陡，最終使得防護層失效，發生滑動破壞。

3 監測結果

北主墩河床的沖刷和淤積的監測自2008年通車運營開始，利用多波束雷達掃測，可以得到宏觀尺度的河床形貌信息，利用水深傳感器，可以獲取細觀尺度的河床形貌信息，對不同尺度數據進行重構和分解，得到更精細和靈活的地形地貌信息。具體河床形貌圖為圖2 。

2-a 2016年4月2-b 2016年9月

2-c 2015年1月 2-d 2015年10月圖2 北主墩河床形貌圖Fig.2 North main pier riverbed morphology

2016年4月與2015年1月兩個觀測時間均為河流的枯水期，河床面以沖刷為主，對比觀測結果可以發現，雖然核心區的防護體處于穩定狀態、河床形貌未見改觀，河床沖刷防護效果良好，但主墩護坦區外圍的北側，局部沖刷增強，深泓區存在從北向南擴展、串通，并從下游側和北側逼近、包圍北主墩護坦區的趨勢。而且，主墩護坦區東北角的外圍存在局部沖刷深度進一步加深趨勢，河床面高程已低于-40 m，從而在主墩護坦區東北角形成陡坡地形，不利于護坦區穩定。

對比2015年10月的觀測結果，2016年9月份洪季過后的觀測表明，上述深沖刷坑存在明顯上串趨勢，主墩北側護坦區外圍的陡坡區域擴大，嚴重威脅到群樁基礎的穩定。

4 計算分析

4.1 模型建立及參數選取

本文采用FLAC3D進行水下邊坡的計算，計算選取的對象為2016年4月和2016年9月北主墩河床，模擬計算的范圍如圖2-a、2-b所示，計算的坐標零點均在矩形范圍的左下角。為將分析區域內沖刷最深處納入計算范圍，取圖2-a模擬范圍為539 m×349 m，圖2-b模擬范圍為566 m×316 m。模擬的內容分別為現有狀態和防護層失效下，2016年4月和9月北主墩的河床邊坡的穩定性。

表1 XK117鉆孔土層參數表(部分)Tab.1 XK117 drilling soil parameters table(part)

表1為蘇通大橋詳勘階段北主墩橋位區XK117鉆孔所對應的地層參數表，表格中的黏聚力C和內摩擦角φ是由固結快剪試驗得到的土體抗剪強度參數。

表1中列出的是詳細的土體分層，其中⑤2、⑤1、⑤2三層參數相近、性質相似，且層厚都很小，故將其合并，合并后的土層參數按合并前各層土的厚度進行加權平均確定，且將合并后土層厚度精確到m。

根據《工程地質手冊》可知，砂土的泊松比經驗值范圍為0.25～0.30，此模型中泊松比取值為：粉細砂0.28，中粗砂0.26[9]。進而，根據式1由壓縮模量計算得到變形模量

(1)

式中：E0為變形模量；Es為壓縮模量；μ為泊松比。

防護區地層由袋裝砂、級配碎石、護面塊石組成，其中對沖刷起到防護作用的是袋裝砂，因在袋裝砂的拋投之后，使用了鋼護筒進行插打，袋裝砂被鋼護筒擠入地基土，袋裝砂層的抗沖刷性能在三層防護層中最好，因此模型使用的防護區土體參數將袋裝砂的參數為主要參考。其中，黏聚力和內摩擦角的參數參考了楊敏的研究[10]。由于防護區的三層防護厚度很小，建模不利于模型計算收斂，故將三層合并為一層進行計算，核心區、永久防護區、護坦區的厚度分別為4.5 m、3.5 m、4.5 m。

表2 有防護層模型使用土體參數Tab.2 Soil parameters used by the protective layer model

表3 無防護層模型使用土體參數Tab.3 Soil parameters used by unprotected layer models

根據高正榮的調查，蘇通大橋北主墩河床防護體表面有一定的沖刷損壞，且護坦區邊緣有坍塌跡象[8]，從監測結果也可看出，北主墩東北角的水下邊坡已逼近護坦區邊緣。因此，此次模擬將考慮：

(1)防護層為現有狀況，模型取值如表2，區域劃分如圖3-a；

(2)防護層完全失效，即防護層被全部沖走，替換為非防護區河床表面土體，模型取值如表3，區域劃分如圖3-b。

3-a 有防護層3-b 無防護層圖3 數值模擬各區域示意圖Fig.3 Numerical simulation area diagram

4.2 模擬結果分析

圖4為蘇通大橋北主墩范圍2016年4月有防護層、2016年4月無防護層、2016年9月有防護層、2016年9月無防護層的數值模擬云圖。

4-a 2016年4月有防護層4-b 2016年4月無防護層

4-c 2016年9月有防護層4-d 2016年9月無防護層圖4 數值模擬云圖Fig.4 Contours of numerical simulation

對比圖4-a、圖4-c可以看出，在模擬的范圍內，水下地形X軸位移最大的區域皆位于防護區外緊鄰的東北角，2016年4月有防護層情況下防護區外東北角X軸最大位移為0.25 m，2016年9月有防護層情況下防護區外東北角X軸最大位移為0.225 m，且X軸方向位移圍繞防護區外東北角逐漸減小，說明該區域是整個圖中最不穩定的區域，這與圖2-a、圖2-c此區域的河床形貌圖中的區域相吻合。圖4-a中，最不利滑面的安全系數為1.48；圖4-c中，最不利滑面的安全系數為1.40。

對比圖4-b、圖4-d可以看出，對于無防護層的情況，在模擬的范圍內，水下地形X軸位移最大的區域也位于防護區外緊鄰的東北角，2016年4月無防護層情況下防護區外東北角X軸最大位移為0.225 m，2016年9月無防護層情況下防護區外東北角X軸最大位移為0.325 m，該區域也是整個圖中最不穩定的區域，圖4-b中，最不利滑面的安全系數為1.29；圖4-d中，最不利滑面的安全系數為1.22。

根據《水利水電工程邊坡設計規范SL386-2007》，破壞后給社會、經濟、環境帶來重大影響的1級邊坡，在正常運行條件下安全系數取1.30～1.50[11]。因此，對于2016年4月和9月有防護層的情況下，邊坡是穩定的。而對于最不利沖刷條件下，河床防護層被沖刷殆盡，2016年4月和9月的安全系數分別為1.29和1.22，均小于1.30，可認為水下邊坡不穩定。

5 結論

本文基于2016年蘇通大橋北主墩4月和9月的河床地形數據，將有防護層和無防護層兩種情況對比，利用FLAC3D對北主墩邊坡進行模擬分析，得到以下結論：

(1)2016年4月枯水期和9月豐水期兩個時間段內，蘇通大橋北主墩范圍內最不穩定水下邊坡都緊鄰防護區東北角，可認為防護區東北角為最危險區域。

(2)2016年9月豐水期北主墩范圍內的最不穩定水下邊坡安全系數要低于2016年4月枯水期的最不穩定水下邊坡安全系數，說明2016年9月北主墩安全性最差。

(3)在正常沖刷條件下，2016年4月和9月北主墩范圍最不穩定水下邊坡安全系數分別為1.48和1.40，均大于1.30，水下邊坡處于穩定狀態；在最不利沖刷條件下，2016年4月和9月北主墩范圍最不穩定水下邊坡安全系數分別為1.29和1.22，均小于1.30，可認為水下坡處于不穩定狀態。說明河床防護層對北主墩水下邊坡穩定性有顯著作用。