苏通大桥北主墩河床防护层对水下冲刷边坡稳定的影响

付鹏程，陈志坚

(河海大学 地球科学与工程学院，南京 211100)

据有关统计，对于大型桥梁工程，洪水引起的桥梁基础的局部冲刷是导致桥梁破坏的最重要原因[1-2]。桥墩的建造会导致过水断面减小，无疑会改变桥墩附近一定范围的水沙运动情况，桥墩周围水流速度的增大会加剧河床面的冲刷。冲刷通常由自然冲刷、过水断面减小导致的冲刷、桥墩周围的局部冲刷三个方面构成[3]。苏通大桥于2008年5月通车，由于上下游的一系列围垦活动，例如南通侧的南通航母主题公园2015年施工建设，导致苏通大桥桥位河段过水断面大幅减小，加剧了河床面的冲刷问题，使得原有冲刷坑继续加深。因此，本文以通车运营期间苏通大桥北主墩河床地形地貌图监测数据为基础，利用FLAC3D软件，分析在有无河床防护层状态下，北主墩附近冲刷形成的边坡的稳定性，论证了河床防护层的有效。

1 工程概况

苏通大桥连接江苏省苏州市和南通市，西距江阴大桥82 km，东距长江入海口108 km，是国家高速公路沈海高速的过江枢纽，苏通大桥跨江部分长8 146 m，主跨长1 088 m，为迄今为止世界第二大跨径的斜拉桥。

桥位区江面宽约6 km，长江深槽偏于南侧，河流弯曲方向指向南岸，即凸岸位于左岸，凹岸位于右岸，因此，北部南通一带为边滩淤积区，南岸为边滩冲蚀区，中间为新通海沙南河道冲蚀及深槽侵蚀区。桥位区的地层为总厚度达300 m的一套河湖、滨海相第四系松散沉积物，岩性为粉细砂、粘土质砂土、砂质粘土[4]。

2 河床冲刷防护方案及破坏方式

2.1 河床冲刷防护方案

苏通大桥桥位区采用护底抗冲措施，即在河床上铺设辅助材料，从而减小河床土体的冲刷。根据苏通大桥群桩基础与土体共同作用机理和建设前局部冲坑形态特征，将北主墩整个河床防护区域分为核心区、永久防护区和护坦区，冲刷防护平面布置图如图1。

(1)核心区。

图1 北主墩河床防护层平面分区(m)Fig.1 North main pier riverbed protection plane division

是保证基桩入土深度和桩基承载力的核心区域，也是局部冲深最大的区域，必须进行重点防护。核心区范围为群桩基础与施工临时平台桩基及周边20 m，尺寸为170 m×60 m。其冲刷防护工程由三层组成：第一层是铺设于河床面上并经过钢护筒插打的袋装砂，主要起预防护作用；第二层是级配碎石，铺设于袋装砂上，主要起反滤和找平作用；第三层是块石，铺设于级配碎石层上，起大动压载作用。防护结构体为2 m袋装砂(预防护)+1 m散抛级配碎石+1.5 m块石，边坡1：3。

(2)永久防护区。

也称桩-土共同作用区域，是桩土共同作用比较强烈的区域，是保证基础受力、传力机理不发生重大变化的重要区域。范围为核心区外围上下游40 m，南北45 m。防护结构体为1 m袋装砂+1 m散抛级配碎石+1.5 m块石，边坡1：3。

(3)护坦区。

也称桩-土共同作用外区域，该区域对群桩基础受力的影响不大，但对其防护后能起到适应河床冲刷变形，减小永久防护区的河床冲刷的功能，防护的结构为护袒结构。范围为永久防护区外围45 m，防护结构体为一层1 m袋装砂+二层1 m散抛级配碎石+三层1.89 m块石(内侧20 m)/3.15 m(外侧20 m)，边坡为1：3[5-7]。

2.2 河床防护层破坏形式

河床防护层的破坏形式可以分为以下三种：

(1)面层破损。

群桩基础的存在使得局部水流速度加快，河床附近流速加快使得防护层附近的河床剪应力和摩阻流速增大，防护层最上层的护面块石由于单块体积大，在施工时无法保持其平整，在河床剪应力和摩阻流速增大的情况下使得块石翻滚流失，造成面层破损。

(2)边缘坍塌。

防护区外侧的天然河床受到局部冲刷，逐渐逼近护坦区，使得护坦区边缘的石块在水流影响下向防护区域外移动，对边缘处造成损坏[8]。

(3)滑动破坏。

随着护坦区边缘的冲刷加深，坡度变陡，冲刷边坡的上缘逐渐向防护中心逼近，边坡坡度也在冲刷作用下不断变陡，最终使得防护层失效，发生滑动破坏。

3 监测结果

北主墩河床的冲刷和淤积的监测自2008年通车运营开始，利用多波束雷达扫测，可以得到宏观尺度的河床形貌信息，利用水深传感器，可以获取细观尺度的河床形貌信息，对不同尺度数据进行重构和分解，得到更精细和灵活的地形地貌信息。具体河床形貌图为图2 。

2-a 2016年4月2-b 2016年9月

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

2016年4月与2015年1月两个观测时间均为河流的枯水期，河床面以冲刷为主，对比观测结果可以发现，虽然核心区的防护体处于稳定状态、河床形貌未见改观，河床冲刷防护效果良好，但主墩护坦区外围的北侧，局部冲刷增强，深泓区存在从北向南扩展、串通，并从下游侧和北侧逼近、包围北主墩护坦区的趋势。而且，主墩护坦区东北角的外围存在局部冲刷深度进一步加深趋势，河床面高程已低于-40 m，从而在主墩护坦区东北角形成陡坡地形，不利于护坦区稳定。

对比2015年10月的观测结果，2016年9月份洪季过后的观测表明，上述深冲刷坑存在明显上串趋势，主墩北侧护坦区外围的陡坡区域扩大，严重威胁到群桩基础的稳定。

4 计算分析

4.1 模型建立及参数选取

本文采用FLAC3D进行水下边坡的计算，计算选取的对象为2016年4月和2016年9月北主墩河床，模拟计算的范围如图2-a、2-b所示，计算的坐标零点均在矩形范围的左下角。为将分析区域内冲刷最深处纳入计算范围，取图2-a模拟范围为539 m×349 m，图2-b模拟范围为566 m×316 m。模拟的内容分别为现有状态和防护层失效下，2016年4月和9月北主墩的河床边坡的稳定性。

表1 XK117钻孔土层参数表(部分)Tab.1 XK117 drilling soil parameters table(part)

表1为苏通大桥详勘阶段北主墩桥位区XK117钻孔所对应的地层参数表，表格中的黏聚力C和内摩擦角φ是由固结快剪试验得到的土体抗剪强度参数。

表1中列出的是详细的土体分层，其中⑤2、⑤1、⑤2三层参数相近、性质相似，且层厚都很小，故将其合并，合并后的土层参数按合并前各层土的厚度进行加权平均确定，且将合并后土层厚度精确到m。

根据《工程地质手册》可知，砂土的泊松比经验值范围为0.25～0.30，此模型中泊松比取值为：粉细砂0.28，中粗砂0.26[9]。进而，根据式1由压缩模量计算得到变形模量

(1)

式中：E0为变形模量；Es为压缩模量；μ为泊松比。

防护区地层由袋装砂、级配碎石、护面块石组成，其中对冲刷起到防护作用的是袋装砂，因在袋装砂的抛投之后，使用了钢护筒进行插打，袋装砂被钢护筒挤入地基土，袋装砂层的抗冲刷性能在三层防护层中最好，因此模型使用的防护区土体参数将袋装砂的参数为主要参考。其中，黏聚力和内摩擦角的参数参考了杨敏的研究[10]。由于防护区的三层防护厚度很小，建模不利于模型计算收敛，故将三层合并为一层进行计算，核心区、永久防护区、护坦区的厚度分别为4.5 m、3.5 m、4.5 m。

表2 有防护层模型使用土体参数Tab.2 Soil parameters used by the protective layer model

表3 无防护层模型使用土体参数Tab.3 Soil parameters used by unprotected layer models

根据高正荣的调查，苏通大桥北主墩河床防护体表面有一定的冲刷损坏，且护坦区边缘有坍塌迹象[8]，从监测结果也可看出，北主墩东北角的水下边坡已逼近护坦区边缘。因此，此次模拟将考虑：

(1)防护层为现有状况，模型取值如表2，区域划分如图3-a；

(2)防护层完全失效，即防护层被全部冲走，替换为非防护区河床表面土体，模型取值如表3，区域划分如图3-b。

3-a 有防护层3-b 无防护层图3 数值模拟各区域示意图Fig.3 Numerical simulation area diagram

4.2 模拟结果分析

图4为苏通大桥北主墩范围2016年4月有防护层、2016年4月无防护层、2016年9月有防护层、2016年9月无防护层的数值模拟云图。

4-a 2016年4月有防护层4-b 2016年4月无防护层

4-c 2016年9月有防护层4-d 2016年9月无防护层图4 数值模拟云图Fig.4 Contours of numerical simulation

对比图4-a、图4-c可以看出，在模拟的范围内，水下地形X轴位移最大的区域皆位于防护区外紧邻的东北角，2016年4月有防护层情况下防护区外东北角X轴最大位移为0.25 m，2016年9月有防护层情况下防护区外东北角X轴最大位移为0.225 m，且X轴方向位移围绕防护区外东北角逐渐减小，说明该区域是整个图中最不稳定的区域，这与图2-a、图2-c此区域的河床形貌图中的区域相吻合。图4-a中，最不利滑面的安全系数为1.48；图4-c中，最不利滑面的安全系数为1.40。

对比图4-b、图4-d可以看出，对于无防护层的情况，在模拟的范围内，水下地形X轴位移最大的区域也位于防护区外紧邻的东北角，2016年4月无防护层情况下防护区外东北角X轴最大位移为0.225 m，2016年9月无防护层情况下防护区外东北角X轴最大位移为0.325 m，该区域也是整个图中最不稳定的区域，图4-b中，最不利滑面的安全系数为1.29；图4-d中，最不利滑面的安全系数为1.22。

根据《水利水电工程边坡设计规范SL386-2007》，破坏后给社会、经济、环境带来重大影响的1级边坡，在正常运行条件下安全系数取1.30～1.50[11]。因此，对于2016年4月和9月有防护层的情况下，边坡是稳定的。而对于最不利冲刷条件下，河床防护层被冲刷殆尽，2016年4月和9月的安全系数分别为1.29和1.22，均小于1.30，可认为水下边坡不稳定。

5 结论

本文基于2016年苏通大桥北主墩4月和9月的河床地形数据，将有防护层和无防护层两种情况对比，利用FLAC3D对北主墩边坡进行模拟分析，得到以下结论：

(1)2016年4月枯水期和9月丰水期两个时间段内，苏通大桥北主墩范围内最不稳定水下边坡都紧邻防护区东北角，可认为防护区东北角为最危险区域。

(2)2016年9月丰水期北主墩范围内的最不稳定水下边坡安全系数要低于2016年4月枯水期的最不稳定水下边坡安全系数，说明2016年9月北主墩安全性最差。

(3)在正常冲刷条件下，2016年4月和9月北主墩范围最不稳定水下边坡安全系数分别为1.48和1.40，均大于1.30，水下边坡处于稳定状态；在最不利冲刷条件下，2016年4月和9月北主墩范围最不稳定水下边坡安全系数分别为1.29和1.22，均小于1.30，可认为水下坡处于不稳定状态。说明河床防护层对北主墩水下边坡稳定性有显著作用。