閩清大橋橋墩沉井基礎沖刷計算與防護實例分析

■汪冰彬

（福州市閩清公路事業發展中心，福州 350800）

隨著交通需求的不斷增加，我國公路橋梁建設的規模和數量與日俱增[1]。 目前，在諸多大型越江橋梁工程中，多數橋墩建于水中，橋墩沉井基礎的應用越來越廣泛，而局部沖刷也成為了影響橋梁基礎施工和運營安全的重要因素。 據研究發現，當橋墩沉井著床時，時而會在河床部位產生嚴重的局部沖刷，造成沉井“前沖后淤”現象；且在無防護的情況下，沉井周邊河床局部沖刷深度較大，不利于控制沉井著床姿態，極大的影響了橋梁的安全運營[2-4]。

為改善橋墩沉井基礎局部沖刷的問題，橋梁工作者們開展了諸多的探索和研究。 其中，鄭鋒利等[5]和楊程生等[6]通過封閉水槽試驗研究了溫州甌江北口大橋中塔沉井的河床局部沖刷深度及沖刷形態，并指出采用拋填防護的方法可確保沉井平穩安全著床；胡勇[7]和趙東梁等[8]以常泰大橋深水沉井基礎為例，分析了不同基礎截面的數值模型，并研究了不同施工階段的最大沖刷深度及沖刷形態，指出圓端型沉井基礎性能最佳，且在沉井入土后挖槽內拋石防護可以顯著降低沉井附近河床的沖刷深度；崔一兵[9]針對滬通長江大橋主航道橋29 號主墩局部沖刷大的問題提出采用拋填防護，施工后效果明顯；向琪芪[10]通過試驗與理論模型分析，提出了懸浮狀態沉井局部沖刷深度計算方法。

然而，目前現役橋墩沉井基礎防護措施設計相關的文獻較少，同時考慮該種橋梁在長期的水文變化下，基礎埋深早已不符合要求。 基于此，本研究以服役期內的閩清大橋橋墩沉井基礎為例，對其開展局部沖刷計算評估和防護設計方案探討，以期為同類橋梁沖刷防護設計提供參考。

1 橋梁概況

閩清大橋位于S308 線，全長733.72 m，全橋共8 跨，橋型整體結構見圖1（a）。 該橋上部結構的主橋部分采用8 孔凈跨75 m 的空腹等截面箱形無較拱。 拱箱高度為1.34 m，拱矢高1/7，拱圈由6 個拱箱組成，拱上建筑由排架與空心板組成。 下部結構采用重力式橋墩（1# 墩為擴大基礎，2～7# 墩為沉井基礎），空心重力式箱形臺，兩橋臺上分別為5 m×5 m 和4 m×5 m 空心板梁。 另外，該橋4#墩為圓形變截面， 墩頂尺寸半徑為9.25 m， 墩底尺寸為11.75 m，除4#墩外的其余墩均為腰型重力式墩，墩頂尺寸為9.85 m×3.8 m （2# 墩頂尺寸為9.85 m×4.2 m），墩身橫截面積從上到下以10∶1 的比例逐漸增大（2#墩為15∶1），實際墩基礎見圖1（b）。

圖1 閩清大橋概況

2 橋梁現狀評估

閩清大橋設計洪水頻率為50 年一遇，對應洪峰流量為32 600 m3/s，設計水位23.479 m（羅零高程），2#～4# 墩流速為2.9 m/s，5#～7# 墩流速為2.2 m/s。 其中，該橋2#～7#橋墩采用沉井基礎，沉井基礎整體性好、剛度大，適用于需要承受較大豎向和水平荷載的深水基礎。

2.1 河床沖刷現狀

根據2021 年對該橋橋墩附近最深點與橋梁基礎底部的實測標高可知，橋墩周邊沖刷最深點距橋墩水平距離均在5 m 以內，且3#、4# 橋墩基礎埋深僅1.7～2.2 m。 2021 年閩清大橋橋墩附近的水下等值圖和2#～7#墩的河床斷面變化示意圖見圖2～3。

圖2 閩清大橋橋墩附近水下等值圖（85 高程）

圖3 河床斷面變化示意圖

2# 墩和4# 地質情況及沖刷示意圖見圖4。由圖4 可知，現狀河床面已接近各墩位基地，沉井基礎埋深較小，亟需研究當前沖刷對結構安全的影響。

圖4 橋墩地質情況及沖刷示意圖

3 橋墩局部沖刷計算

3.1 計算依據

根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2015），橋下沖刷包括：河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷三部分。 從橋位河床斷面演變過程來看，橋址處自然演變較為劇烈，自然沖刷幅度較大， 工程河段自然演變規律和趨勢還需進一步分析。 本研究僅考慮現狀床面開展橋墩局部沖刷深度的計算。

3.2 局部沖刷計算方法

依據橋址斷面地質鉆探資料， 計算公式采用《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2015）中的65-1 修正式：

式中，hb為橋墩局部沖刷坑深度（m）；B1為橋墩計算深度（m）；ν0為河床泥沙起動流速（m/s）；為河床土平均粒徑（mm），適用范圍為0.1～500 mm；ν 為一般沖刷后墩前行進流速（m/s），適應范圍為0.1～6 m/s；Kε為墩形系數；Kη為河床顆粒的影響系數；ν′0為墩前泥沙始沖流速（m/s）；n 為指數。

局部沖刷后高程與基礎底面高程對比見表1（羅零高程）。 計算結果表明即使采用沖刷坑外側河床面作為起始地形，2#、3#、4#、7#橋墩仍然存在沖刷至基礎底面以下或安全富余不足的情況，安全風險較大。

表1 局部沖刷后高程與基礎底面高程對比（羅零高程）（單位：m）

3.3 沉井基礎埋深評估

根據現行《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2015），基底最小埋深需滿足規范見表2。

表2 基底埋深安全值（單位：m）

結合表1 的計算結果，可得到每個墩位處沉井基礎的實際埋深及最小埋深。 將實測結果與計算結果進行評估，最終的評估結果見表3。 由表3 可知，3#、4# 基礎的埋深已不滿足規范要求，而2#、5#、6#、7# 基礎尚可滿足要求；3#、4#、7# 基礎已沖刷到基底，2#、5#、6#雖未沖刷至基底但不滿足最小埋深的要求。 綜上分析，該橋墩基礎應進行沖刷防護來提高埋深儲備。

表3 2#～7# 沉井基礎埋深評估（單位：m）

4 河床沖刷防護

4.1 設計原則

根據現有規范規程，在進行橋梁河床沖刷防護時，需要滿足以下5 點設計原則：（1）沖刷防護結構安全且耐久；（2）沖刷防護效果滿足使用功能和設計標準；（3）沖刷防護設計需結合施工工藝和施工力量；（4）沖刷防護需合理確定防護范圍和防護結構，盡可能降低工程投資；（5）沖刷防護需結合監測成果，合理設計。

4.2 橋墩沖刷防護方案比選

結合目前橋墩現有的沖刷防護方案，河床面的防護可分為消能減沖、護底抗沖[11-12]。 其中，消能減沖在上下游設置防護樁群，能折減流速，將沖刷坑位置前移，減小基礎范圍內的沖刷深度；護底抗沖則是利用拋石、砂袋、軟體排等結構來抵抗橋墩前沖擊水流產生的底部向下漩輥，并將橋墩基礎側繞流產生的最大流速區調整到防護區外圍，達到折減最大沖刷深度的效果。

然而，在工程實踐中，消能減沖措施實際運用并不多，且存在明顯缺陷。 如水流方向改變或河流變化都會使得原先設計的犧牲樁防護效果大大減小。 而淹沒翼墻的防護措施也可歸為犧牲樁防護，只是采用的犧牲物不同，其主要是將一定幾何尺寸的底檻或角檻埋置于橋墩迎水面上游一定距離處，以消散來水的能量，從而起到防護作用。 與犧牲樁相同， 該方法受到水流方向變化的影響也較大，當水流變化達到一定程度時， 可能徹底失去防護作用。 綜上所述，最終確定閩清大橋橋墩基礎沖刷防護方案為護底抗沖。

4.3 沖刷防護設計

在護底抗沖方案中，平面布置需根據各部分所處位置和功能作用進行設計。 一般可將整個防護區分為核心區和護坦區2 個部分[13]。 核心區為橋墩外圍基礎與土共同作用所需的平面尺度；護坦區為核心區外圍以適應河床沖刷變形的床面，同時確保核心區范圍的穩定。 結合沉井基礎埋深評估結果可知，需要對臨近規范要求的3#、4#、7#進行處置。 其中，3#橋墩基礎處床面高程約為-7.0～-2.9 m；4# 橋墩基礎處創面高程約為-8.1～-3.9 m；7# 橋墩基礎處床面高程約為-2.4～-0.9 m。

結合評估報告和實測水下地形情況， 3#、4#、7#橋墩防護總平面布置示意圖見圖5。 其中， 圖5（a）為3#、4# 橋墩的防護平面布置示意；圖5（b）為7#橋墩的防護平面布置。由圖5（a）可知，3#橋墩為腰形墩接鋼筋混凝土沉井基礎，沉井平面外尺寸為12.7 m（橫橋向）×7.2 m（順橋向）的圓端形。 床面防護核心范圍由橋墩中心線處向左右上下游各擴展15 m 的近似圓端形區域，拋石頂高程-2.74 m 達到局部沖刷坑外河床平均高， 四周坡面按1∶3 放坡至河床面。4#橋墩為防爆圓形空心墩接鋼筋混凝土沉井基礎，沉井平面外尺寸為直徑14.2 m 的圓形。 床面防護核心由橋墩中心線向左右、 上下游各擴展18 m 的近似圓形區域，拋石頂高程為-2.80 m 基本達到局部沖刷坑外河床平均標高， 四周按1∶3 放坡至河床面。 由圖5（b）可知，7# 橋墩床面防護同3#橋墩處理，其拋石頂高程為0.32 m 基本達到局部沖刷坑外河床平均高，四周按1∶3 放坡至河床面。

圖5 3#、4#、7# 橋墩防護總平面布置示意

4.4 拋投及補拋施工工藝

拋石總體采用駁船配合挖機拋石施工，利用定位船進行定位拋投。 拋投程序上采用分格法，按單元格依次進行拋投，單元格的劃分根據施工時所采用駁船的船體尺寸確定。 采取“專船定位、合理掛擋、定量拋投、多次拋勻”的施工方法，即根據設計圖確定的拋石范圍，按設計拋石厚度，核定拋投的數量，再以專用定位船拋錨定位，裝運袋裝碎石或塊石的船只按規定掛靠在定位船上，對拋區進行多次拋投，使工程達到“準、足、勻”的拋投標準。 駁船配合反鏟挖機拋石施工示意圖見圖6。

圖6 駁船配合反鏟挖機拋石施工示意圖

當拋投到一定程度， 根據河床測量的地形情況，需要對低凹處采取導管法進行補拋找平，具體操作見圖7。 其中，在補拋過程中，應當適時對補拋情況進行測量，直到達到要求為止。

圖7 導管法補拋示意圖

3#、4#、7#墩沖刷防護示意圖見圖8。 由圖8 可知，各橋墩根據不同的基礎埋深分別進行了拋石填補平齊，先后進行了駁船配合反鏟挖機拋石和導管法補拋找平作業，確保拋石基地整體穩固。

4.5 施工質量要求

拋投及補拋施工作業結束后，需要進行施工質量檢測與驗收， 并遵循下述要求進行施工質量控制：（1）拋填時，施工人員要勤對水位，勤對導標，以保證拋石船舶的安全和拋石邊線的準確；（2）拋填應選擇水流較小的時段進行，分級分層施工；（3）為避免惡劣天氣對填心石的破壞，護面塊體施工應及時跟進；（4）施工監測。 其中，施工監測包括日常檢測、控制檢測和跟蹤檢測[14]。 日常性檢測需要在施工期對驗收分區進行河床檢測，分析填心塊石、袋裝碎石、塊石的成型，并將此作為驗收的依據，周期為每天；控制檢測需要對防護體及外側100 m 區域的穩定性、河床沖淤情況進行整體觀測，周期為半個月；跟蹤檢測需要在工程實施完成后進行定期檢測，為效果評價和總結提供依據。

4.6 施工驗收與效果評估

由于在進行沖刷防護材料的拋投時，會發生沖陷、 局部沖刷以及拋投成型后的整體密實沉降，因此需要以“厚度為主、高程為輔”為方針制定質量控制和驗收標準，并按以下成型合格率驗收原則和標準進行驗收：（1）驗收標準貫徹“厚度、拋投量為主、高程為輔”的方針，厚度驗收標準滿足設計要求；同時考慮到水下施工的難度，建議對超拋部分區域作合格處理；（2）在成型厚度計算中應考慮拋投中的沖陷深度， 沖陷深度應由現場監測和試拋確定；厚度計算式為：成型厚度=實測累計成型堆積平均厚度+沖陷深度；（3）驗收合格的標準：對核心區驗收合格率不低于90%。

本工程質量參照 《水運工程質量檢驗標準》（JTS 257-2008）、《航道整治工程質量檢驗評定標準》（JTJ 314-2004）、《防波堤設計與施工規范》（JTS 154-1-2011）的相關條文進行檢驗評估。結果表明：材料試驗和現場抽樣組滿足《水運工程質量檢驗標準》（JTS 257-2008）附錄C 第8 項“拋回填和砌筑材料”中塊石、料石及碎石的要求；用測探儀測量得到拋石以及離坡斷面標高的允許誤差滿足規范要求； 用測深水砣測量的碎石倒濾層厚度均值約為1.0 m 滿足要求（≥0.8 m）；外邊緣邊線位置的允許偏差也滿足要求（-1500～+2000 m）；且核心區的驗收合格率高達98%。

5 結語

在跨江、跨河、跨海橋梁運營過程中，橋墩基礎結構免不了遇到水文變化、河床沖刷等問題，為保證沉井基礎橋墩整體穩定性、安全性，需要確保一定的基礎埋深，而局部沖刷對基礎埋深影響較大。 為應對此類問題，本研究針對閩清大橋橋墩沉井基礎，開展了河床沖刷作用后的基礎埋深評估計算以及相應的防護技術探討，并通過計算與評估結果可知，當河床斷面降低危及基礎層面時，可采用拋石放坡技術，以及拋石放坡工藝流程。 結果表明，在采取防護技術后，該橋墩河床防沖刷效果明顯，核心區驗收合格率高達98%。為同類現役的沉井基礎橋梁沖刷防護設計提供了參考。