大型沉井基础的防冲护底试验研究

卢中一，高正荣

（南京水利科学研究院，交通部港口航道泥沙工程重点实验室，江苏 南京 210029）

桥梁建设中沉井是常见的桥墩基础形式之一。目前国内沉井施工常用的方法是选择水情较小的枯期将沉井浮运到位，准确定位后分次加高进行沉放、着床直至规定高程。施工时受工序统筹所限，体积庞大的沉井在墩址上方的水中要悬浮一定时段。受墩体、水流和底部河床泥沙的共同作用，在沉井下沉、接高、再下沉、再接高这样多次反复的施工过程中，即使选择在流速小的枯季着床，沉井底部河床还是会形成一定深度的局部冲刷，对于尺度超大的沉井，下沉过程中形成的局部冲深有时足以危及着床后的沉井稳定[1]。鉴于目前缺少对大型沉井基础冲刷防护的研究和实例，因此，开展这方面的试验研究，对于优化防护工程的布置、前瞻防护工程的工效，对设计和施工均具有积极意义。本次以位于长江下游某长江大桥为例，通过室内试验对大型沉井基础有关冲刷防护问题进行探讨。

1 试验概述

冲刷试验在宽水槽中进行，根据桥址所在水域的水流动力条件，水槽设计成单向流水槽，上游采用矩形薄壁量水堰调控流量，下游采用横向推拉式尾门微调水位，沉井迎水面一定距离（以不受沉井阻水影响为前提）布设直读式流速仪监控行近流速。水槽总长34m，净宽4.8m，水槽动床段长10m，宽4.8m，铺沙厚度为0.6m，沉井模型布置在试验段的中央。在模型设计时，已考虑了流速、雷诺数、水深、休止角、桥墩压缩比等必须满足的基本条件，模型比尺为1∶100。

经比选，采用经过防腐处理的木屑作为模型沙，其中值粒径d50＝0.80 mm，颗粒容重γsm＝1.15 t/m3，干容重γom＝0.60 t/m3。根据以往模拟碎粒体无黏性泥沙局部冲刷试验的结果，一般情况下经历2～3 h后桥墩局部冲刷达到冲刷基本平衡状态。本次试验显示，桥墩冲刷坑达到冲刷基本平衡状态的时间为2.5 h左右，因此以后的试验时间均采用3 h进行控制。冲刷后的床面地形采用地形界面仪和测针相结合的方法进行测量。

2 沉井结构

矩形沉井：外观为四边角呈圆弧形的矩形柱。迎水面总宽44.10m，顺水流方向总长58.20m。上部承台高6.0 m，承台顶标高为+6.0m。沉井总高88.0m，其中底部（标高-82.0m）向上44.0m为钢沉井，再向上44.0m为混凝土沉井（见图1）。

图1 沉井结构示意图（单位：cm）

3 防护材料块径的确定

试验遵循在满足最小稳定重量的前提下块径宜小不宜大的原则选取碎石。为满足施工部门要求，采用原型5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm五种块径碎石，并将其配成不同级配比组次进行碎石块径与起动流速的关系试验。级配试验时除了进行放置沉井模型时的试验外，另外选择一些典型的工况，进行部分不放置沉井模型的试验，以期进行对比。

4 碎石块径、级配及起动

本着“对冲刷防护的碎石级配进行优化，在确保河床稳定的前提下尽量控制最大块径碎石所占比例，以利于工程实施”的原则，对采用的5种块径碎石进行了5种不同比例的配比，按照单块径碎石的水流条件对级配碎石进行起动流速的测试，并与单块径碎石的起动流速进行对比，结果见表1。

表1 单块径碎石和级配碎石的起动流速（水深12m，不放置沉井时）

试验显示：在5种不同级配碎石中，小块径碎石占多数的级配3和中块径碎石占多数的级配4的起动流速增幅较明显。试验显示：要达到某一级起动流速，只要掌控好级配碎石的比例，级配碎石中的块径明显小于采用单块径碎石的块径，因此从工程实施角度出发，抛石护底采用级配碎石既能使实际操作便利可行、又能保证护底工程具有稳定的工程效果。

在同样试验条件下，进行放置沉井基础后单块径碎石及级配碎石的起动试验。碎石分别布设在沉井迎水面、拐角、边侧、横轴线中部以及背水面等位置共32处，碎石距沉井基础的相对位置见图2。

图2 沉井基础周边碎石起动顺序示意图

由于受墩基阻水及墩体压缩过水面积等影响，位于沉井周边各处的碎石的起动情况不尽相同，即使投抛相同块径碎石，只要位置不同使其起动的流速也不相同。试验观测显示：在众多的试验组次中，只要流速相同，不论是单块径碎石还是级配碎石，不同部位碎石的起动先后顺序基本相同：

首先起动部位：7号

第二顺序起动部位：8号、9号、14号、6号、13号、20号、29号、27号

第三顺序起动部位：10号、11号、15号、16号、19号、21号、25号、26号、30号

第四顺序起动部位：4号、22号、17号、5号、12号

第五顺序起动部位：18号、23号、24号

在放置沉井基础情况下，将5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm五种单块径碎石按小块径为主和中粗块径为主分成5种级配，具体如下：

级配①：5 cm碎石70%+10 cm碎石15%+15 cm碎石15%（按重量百分数计，下同）

级配②：5 cm碎石60%+10 cm碎石30%+15 cm碎石10%

级配③：5 cm碎石40%+10 cm碎石40%+15 cm碎石10%+20 cm碎石10%

级配④：10 cm碎石70%+15 cm碎石20%+20 cm碎石10%

级配⑤：10 cm碎石50%+15 cm碎石30%+20 cm碎石10%+25 cm碎石10%

级配碎石的铺设位置、水文条件均与前述单块径碎石试验相同。

试验显示：位于沉井迎水面侧角处的7号、8号、9号三处碎石最容易发生位移，当墩前行近流速达到2.0m/s时，5种级配碎石均全部冲光。位于沉井两侧的碎石，其起动顺序、对应起动流速与单块径碎石情形大致接近，当墩前行近流速达到2.4～2.70m/s时，5种级配碎石也相继冲光。位于墩前缓流区内的1号、2号、3号各点的碎石处于少量位移、基本稳定状态；墩后掩护区内的31号、32号等处，级配以5 cm小块径碎石为主，即使流速增大至2.8m/s时，也始终保持稳定状态。

通过碎石起动试验，得到如下认识：

1）采用抛石防护来保证沉井基础周边床面的稳定，确保沉井迎水面两侧角附近（7号、8号、9号三处）碎石的稳定至关重要，只要碎石在该区域内保持稳定，其他区域的稳定就有保证。

2）实施抛石护底，工程自身的稳定必须放在首位。在起动顺序第一、第二区域内，25 cm碎石要占一定比例，在5～25 cm五种碎石中组成级配尽量以中粗块径为主；从度汛角度考虑，级配碎石中应舍弃5 cm碎石，控制10 cm碎石的比例。

3）根据级配碎石的起动位置和位移状态，对沉井周边床面实施抛石防护时应分区域、按配比进行：迎水侧角处以粗块径配比为主，第2、第3起冲区以中粗块径为主，较远处和迎水缓流区、背水掩护区可采用中块径碎石。

5 防护工程区域的功能划分

沉井基础的冲刷防护采用护底抗冲措施，根据各部分所处位置和功能作用，将整个防护区域平面布置分为核心区（Ⅰ区）、永久防护区（Ⅱ区）和护坦区（Ⅲ区）三部分，不同区域的基本功能是：

核心区：局部冲深最大的区域，是冲刷防护的重点区域。根据沉井基础预防护需要，范围为沉井基础边壁外20 m（等宽）。根据施工要求，核心区首先要进行预防护，确保沉井的安全着床和防止现有床面的冲刷。考虑到沉井着床过程中其沉井刃脚会造成防护层的局部缺损，可用专门设备在水下进行定点补抛弥补。

永久防护区：核心区外化解墩基、床沙共同作用时防护工程所需的平面尺度。在本工程定为局部冲深10m等深线范围（核心区外25m），在预防护时也是必须防护的区域。

护坦区：设置在永久防护区外侧的外围防护区，其作用是保护永久防护区、使整体防护工程适应河床冲刷变形，其范围可根据防护等级制定。

6 安全度汛阶段沉井防护工程稳定性研究

试验显示：对于本次研究的沉井，当沉井井底距床面4m时，V=0.80m/s的行近流速（垂线平均，下同）就会引起底部床面较明显的局部冲刷[2]；沉井井底距床面越近，床面开始冲刷所对应的开冲流速就越小。根据1950—2003年的大通流量资料统计，发生在每年12月—翌年2月枯季的多年月平均流量分别为14 200m3/s、11 000m3/s和11 700m3/s，从不同流量下水位与流速对应关系式[4]可以得到枯季同期桥区水域的水流条件（见表2）。

表2 桥区水域枯季（每年12月—翌年2月）水流条件

从桥区水流条件来看，枯季的流速在0.76～0.85m/s之间，沉井井底距床面距离如果小于4m，沉井底部床面还是能引起局部冲刷。试验显示，行近流速在0.80m/s时，矩形沉井基础引起的局部冲刷最大深度在4.10m左右，如果考虑沉井着床阶段对底部床面土层的扰动影响，冲刷坑最大深度有可能超过5m。因此从确保沉井基础所在河床面稳定的角度出发，施工期预防护工程可分为沉井平稳着床和安全度汛两个阶段先后进行。

预防护工程必须具备其工程的铺设范围和抛投高度，以达到床面稳定、工效良好和费用经济的建设要求。建设部门对沉井基础防护工程提出“稳定性好、范围小、厚度薄”的总体要求，为此在必须满足安全度汛（20 a一遇）情况下进行了沉井基础预防护工程范围的比选试验，水流条件见表3。

表3 试验水流条件

试验中，该大桥沉井基础预防护的防护尺度见表4。

表4 预防护工程的防护尺度

方案1（大范围）：

核心区（Ⅰ区）：（沉井边壁外）纵、横向均宽20m，厚2.5m，碎石级配比：30 cm（60%）＋20 cm（40%）。

永久防护区（Ⅱ区）：（Ⅰ区外）纵、横向均宽40m，厚2.0m，碎石级配比：30 cm（40%）＋20 cm（40%）＋15 cm（20%）。

护坦区（Ⅲ区）：（Ⅱ区外）纵、横向均宽30m，内侧15m厚2.0m，外侧15m渐厚至3m，碎石级配比：20 cm（50%）＋15 cm（50%）。

护坦边坡为1∶3，采用单颗块径30 cm碎石护坡。

方案2（中等范围）：

核心区（Ⅰ区）：（沉井边壁外）纵、横向均宽20m，厚2.5m，碎石级配比：30 cm（40%）＋20 cm（60%）。

永久防护区（Ⅱ区）：（Ⅰ区外）纵、横向均宽25m，内侧12m厚2.0m，外侧13m渐高至3m，碎石级配比：30 cm（20%）＋20 cm（60%）＋15 cm（20%）。

护坦边坡为1∶3，采用20 cm（50%）＋15 cm（50%）级配碎石护坡。

方案3（小范围）：

核心区（Ⅰ区）：（沉井边壁外）纵、横向均宽20m，厚2.5m，碎石级配比：30 cm（40%）＋20 cm（60%）。

护坦边坡为1∶3，采用20 cm（50%）＋15 cm（50%）级配碎石护坡。

对3个方案进行了汛期最大流量的冲刷试验，以防护工程的稳定性、防护工程外可能发生的最大冲深、最大冲深与防护工程的相对位置、边坡稳定情况以及防护工程量等指标进行对比，试验结果见表5，大范围预防护后及中等范围预防护后周边河床冲刷形态见图3和图4。

表5 护底预防护工程不同范围的工效比较

图3 大范围预防护后周边河床冲刷形态

图4 中等范围预防护后周边河床冲刷形态

从试验结果看，方案1（大范围）的工程效果最好，护底工程稳定，护底工程外的床面冲刷较小，而且最大冲深距工程相对较远，有利于防护工程的持久稳定，但方案1存在明显的缺陷：一次性抛投量太大，与主要保证沉井施工期稳定的初衷不相符。经相对比较，方案1的抛投量约为方案2（中等范围）的4倍，约为方案3的7倍。方案3（小范围）虽然有抛投量小的优点（仅占方案1抛投量的14.5%，为方案2的56.3%），但度汛护底工程效果较差，存在护底工程自身不稳定、可能危及沉井基础安全的缺陷，因此建议不予采用。相比而言，方案2具有度汛后防护工程及边坡保持自身稳定、能确保沉井基础安全度汛以及抛投量适中等优点，可以作为沉井基础施工期的预防护工程推荐方案进行护面。沉井基础施工期护底预防护工程外河床的冲刷特征见表6和图5。

表6 矩形沉井施工期预防护工程外河床冲刷特征（防护范围：148.2m长×134.0m宽）

图5 施工期防护区外最大冲深曲线（矩形沉井）

7 平稳着床阶段沉井防护工程的稳定性

沉井的着床通常选在枯季进行，此时桥区水域流量小，流速慢，相对减小了沉井基础处的局部冲刷。但由于工序复杂沉井下沉时仍需要数天乃至更多的时间，而且在沉井接近床面时底部床面容易发生明显的局部冲深，为确保沉井的安全着床，对桥基附近床面进行预防护是必须的。

由于有安全度汛防护工程尺度作参考，加上枯季最大行近流速通常在1.00～1.20m/s之间，实施沉井平稳阶段预防护时，在保证护面碎石稳定的前提下存在选择小块径级配碎石、缩小防护范围的可能性，以便有利于沉井刃脚的顺利下切和沉井内部吸排土石方的需要。

根据放置矩形沉井后周边级配碎石稳定性试验成果，5 cm碎石占70%、10 cm和15 cm碎石各占15%的最小级配碎石（见级配①）除了位于迎水面两侧角底部在行近流速0.7m/s情况下发生少量位移，距沉井边壁较近的碎石第二起冲区（离沉井边壁最远8m）在行近流速1.0～1.30m/s级配碎石才发生少量位移；在第二起冲区外缘的10号、15号和21号（距沉井分别为15m、18m和19.5m）在行近流速1.2～1.30m/s时级配碎石才发生少量位移，而枯季最大流速一般在1.00m/s左右，因此沉井着床阶段预防护的块径可采用级配①的比例（即5 cm碎石70%+10 cm碎石15%+15 cm碎石15%），对紧靠沉井边壁8～10m的范围进行着床期预防护，沉井着床期间可能引起迎水面两侧小范围内小块径碎石的位移，待沉井平稳着床后可采用水下点抛弥补，到时即使抛投稍大块径碎石也不会影响沉井基础的施工，随后在沉井周围抛投大块径级配碎石进行安全度汛防护。在以沉井平稳着床为主要目的的施工期前期预防护时可暂不考虑布设护坦区，防护体周边河床的冲刷形态见图6。

图6 防护体周边河床冲刷形态

8 结语

沉井基础防护工程可分为满足平稳着床和安全度汛两个阶段分步实施，试验表明，防护尺度为148.2m（长）×134.0m（宽）×2.0～2.5m（高）的方案2具有度汛后防护工程及边坡保持自身稳定、能确保沉井基础安全度汛以及抛投量适中等优点，可以作为满足安全度汛要求的预防护工程推荐方案进行护面。沉井着床时的枯季最大流速一般在1.00m/s左右，可采用以小于10 cm碎石占多数的级配碎石先行护面，防护尺度为78.2m（长）×64.1m（宽）×2.5 m（高），对沉井着床期间可能引起迎水面两侧局部范围内小块径碎石的位移，可在沉井平稳着床后采用水下点抛弥补，再在沉井周围抛设大块径级配碎石进行安全度汛防护，这样既满足施工需要，又使整体预防护工程达到总体要求。

[1] 高正荣，黄建维，卢中一.长江河口跨江大桥桥墩局部冲刷及防护研究[M].北京：海洋出版社，2005.

[2] 卢中一，高正荣.大型沉井基础施工过程中的局部冲刷试验研究[C]//第十四届中国海洋工程学术讨论会论文集.北京：海洋出版社，2009：1 139-1 146.