铜陵长江公路大桥桥墩局部冲刷及安全防护实践

一、概述

长江安徽段河道全长416km，沿江安庆、池州、铜陵、芜湖、马鞍山等地已建跨江大桥10 座。在河道内建造桥墩，距桥墩一定范围内会形成壅水和冲刷,对河道及岸坡稳定可能造成不利影响，且近堤段桥墩桩基础施工，对堤防渗流稳定可能产生影响，从而影响大桥安全运行和防洪工程安全。因此，在河道管理范围内新建桥梁时，应对建桥造成的不利影响采取相应补救措施。对于发生了冲刷危害、需防护加固的桥梁，由于桥墩局部冲刷的影响因素多，往往需要结合实际情况选择防护方法和对策，再运用河工模型试验和经验公式进行复核。

铜陵长江公路大桥位于长江铜陵河段羊山矶下游约600m 处，左岸对应枞阳江堤桩号63+870 处。大桥于1991年开工建设，1995年建成通车，是当时世界上同类型大跨径桥梁第3 位，也是安徽省境内第一座长江大桥。大桥建成运行数年后，根据监测分析，靠近左岸侧主3 号桥墩基础周围局部冲刷严重,已接近设计冲刷允许值,其余桥墩局部冲刷相对稳定。为保证大桥安全运行,防止遭遇长江大洪水时局部冲刷进一步扩展，建设单位对主3 号桥墩周围实施了安全防护工程，并对左岸不利影响段岸坡进行了防护。

二、铜陵长江公路大桥桥墩局部冲刷及影响

1.主3 号桥墩基础结构

铜陵长江公路大桥全长2592m，其中跨江主桥长1152m，采用主跨432m 双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨江主桥下部设8 墩7 孔，桥跨80+90+190+432+190+90+80（m），墩位从合肥往铜陵方向依次编号，即主1 ～主8 号桥墩。主3 号桥墩基础采用10 根桩径2.8m 钻孔灌注桩，桩基础外侧设外径24.8m 双壁钢围堰，钢围堰采用水下混凝土封底，底部高程-36.6m（黄海基面，下同），顶部直接浇筑桥墩承台，高程-3.3m，桥梁上部荷载由桩基础、钢围堰及河床基础共同承担。根据设计要求，大桥正常运行期间，桥墩钻孔灌注桩外侧的钢围堰底部高程-36.6m 不能被冲空。

2.主3 号桥墩冲刷情况

大桥水下基础部分于1994年完工，由于桥墩阻水和挤压作用，工程初建时在桥墩周围河床产生了强烈局部冲刷，经过2 ～3年河床自动调整后，河床冲淤趋于稳定，并经历了1998年、1999年长江大洪水考验。自三峡水库建成运行后，长江安徽段水流含沙量大幅度减少，含沙量减少约70%，清水下泄明显，河道沿程冲刷呈加快趋势，桥墩附近河床产生了局部冲刷引起新的相对冲淤动态平衡，致使主3 号桥墩基础周围形成冲刷坑。主3 号桥墩周围工程前河床高程-14.6m，1994年9月河床高程-30m，1995年7月河床高程-31m，1999年4月河床高程-30m，2002年5月河床高程-33m，2012年8月河床高程-34.9m，2013年8月河床高程-33.7m。如遇长江大洪水继续冲刷，将严重影响大桥安全运行。

3.冲刷对岸坡稳定影响

河道中建设桥墩，桥墩冲刷对两岸岸坡稳定的影响，与工程所在河段河势情况、地质条件、桥墩距岸边的距离及岸坡现状等因素有关。铜陵长江公路大桥位于长江铜陵河段进口单一段，该段河道宽1.1km，其上游大通河段和悦洲左、右汊分流比近几十年来变化甚微，左右两汊水流汇流进入铜陵河段主流位置也相对稳定，受右岸羊山矶节点控制，多年来铜陵河段进口单一段深泓线靠河道右缘走向基本稳定。根据水下地形监测资料分析，大桥建成运行后，左岸桥轴线上游200m 至其下游2100m 范围内河床冲刷退移，河床由“V”型变成“U”型，断面面积增大,冲刷集中在高程-5.0m 至河床深槽之间，最大冲刷退移250m，最大刷深19m；桥轴线以下-30.0m 深槽向左扩大了150 ～250m，槽尾部向下延伸扩大约300m。左岸岸滩表层为薄层亚粘土层及淤泥质亚粘土，土层呈软塑至流塑状，岸坡抗冲能力较差,高程0m 以下岸坡较陡，局部陡坡坡度1 ∶2.0，处于临界状态。如不采取适当防护措施，有可能引起崩岸险情，影响附近桥墩安全。

三、桥墩安全防护

由于主3 号桥墩周围冲刷严重，河床地形复杂，现有经验公式难以精确计算，桥墩安全防护方案配合河工模型试验确定，并由此观测防护效果及后期河床发展趋势。

1.防护型式比选

桥墩冲刷防护主要有消能减冲和护底抗冲两种型式。由于桥墩局部冲刷的破坏，常规消能减冲措施（如防护桩群等）施工难度大，工程效果难以保证。拟采用护底抗冲措施。

护底抗冲措施是利用抛石、砂袋、砂枕、混凝土、软体排等结构对桥墩基础周围进行防护，以抵挡桥墩前冲击水流产生的底部向下漩流，达到明显折减最大冲刷深度。常用的桥墩防护型式主要有：笼石防护、砂枕防护及水下钢筋混凝土防护等。笼石防护是在桥墩周围抛填格宾网笼石进行防护；砂枕防护在桥墩周围采用“砂枕+袋装级配碎石+护面块石”三层防护体系进行防护；水下钢筋混凝土防护在桥墩周围形成一道完整钢筋混凝土护坦。由于工程区常年水深约40m，现有水下钢筋混凝土防护施工难以完成。综合施工条件、防护效果、后期维护等因素，按照笼石防护和砂枕防护两种型式开展了河工模型试验，依据河工模型试验成果，推荐采用砂枕防护方案，并建议防护区域顶面高程调整至-28.0m，防护效果最佳。

2.防护措施确定

为使防护区域与现有河床平顺衔接，依据最新的水下地形测图划定防护范围，将主3 号桥墩周围-30.0m 等高线范围纳入防护区域，平面形成84.8m×104.8m（垂直水流方向×顺水流方向）矩形防护区域，即沿桥轴线方向桥墩钢围堰以外西侧20m、东侧40m，垂直桥轴线方向桥墩钢围堰以外上下游各40m。防护平台范围内河床高于高程-28.0m，平台直接与现有床面相接，河床低于高程-28.0m，按1 ∶3 坡比与现有河床相接，防护平台总面积7617m2（不含桥墩）。工程结构按照实际经验确定为：砂枕将冲刷坑填平至高程-30.5m，层厚1～3m；袋装级配碎石层抛厚1m；护面块石抛厚1.5m。

3.防护措施实施

由于桥墩部位水流条件复杂，传统的水下抛投方法，无法在桥墩周围形成完整的防护区域。为使施工材料精准抛填到指定位置，达到设计标准，将砂枕和袋装级配碎石盛放于网兜，护面块石制作成格宾网笼，尺寸均为1.5m×1.5m×0.5m，采取水上吊放、水下到位脱钩的施工方法。抛投作业时，按照自上游向下游抛投顺序，分砂枕、袋装级配碎石、护面块石三个工序，每个阶段抛填完成后，立即进行水下测量，控制抛填范围及抛填厚度符合设计要求后，再进行下道工序。

四、岸坡防护工程

本次岸坡防护工程的范围、厚度等参考类似工程经验确定，同时应满足相关规范要求。

1.防护型式比选

岸坡防护包括水上护坡和水下护脚。长江中下游常用的护坡型式有预制块护坡、干砌块石护坡、浆砌块石护坡及钢丝网石笼护坡等。由于预制块购置方便，外形美观、施工进度快，防护效果好等优点，推荐采用预制块护坡。护脚结构有抛石、混凝土铰链排、模袋混凝土、模袋砂等。混凝土铰链排整体性强，能有效抵御水流淘刷，护岸效果好，使用寿命长，但这种结构对河床岸坡平整度要求较高，且岸坡不宜陡于1 ∶2.5，岸坡较陡时易整体滑动。模袋混凝土、模袋砂是在模袋内充灌混凝土、水泥砂浆或砂，模袋混凝土适应河床变形能力差、易发生断裂，模袋砂能较好适应河床变形能力，但遇抛锚等情况容易损坏。抛石护脚是长江中下游普遍采用的一种护岸结构型式，由于取材容易、施工简单，与河床的适应能力好，被广泛采用。目前安徽省长江上的大桥岸坡防护工程均采取抛石护脚，运行情况良好。推荐采用抛石护脚。

2.防护范围确定

根据安徽省长江河道上大桥防护工程的实践，大桥上游岸坡防护长度可取主桥墩距岸边距离1～2倍，下游岸坡防护长度可取桥墩距岸边距离的2～4倍，当岸坡较缓且主桥墩离岸边较远时取小值，否则取大值。铜陵长江公路大桥主3 号桥墩距离岸边约250m，根据监测资料可知，左岸大桥上游200m 至其下游2100m 冲刷退移，结合实际情况，确定岸坡防护范围为桥轴线上游200m 至其下游500m。

3.岸坡防护方案

岸坡防护宽度遵循从滩顶（或堤顶）至近岸深槽，当深泓线距离岸边较近时，护至深泓部位当深泓线距离岸边较远时，护至1 ∶3～1 ∶4 缓坡处。

护坡与护脚以设计枯水位为分界线，设计枯水位利用相邻的大通站和芜湖站12月至次年2月多年水位的平均值，采用直线内插推算为3.23m。护坡由封顶、坡身、脚槽组成,护坡顶部至滩顶,脚槽高程依据设计枯水位确定，为便于施工，脚槽可高于设计枯水位0.5～1m。长江干流新护段抛石护脚厚度宜采用1.2～1.8m，自岸边向江中逐渐增厚，抛石前沿抛防冲备填石，一般15～25m3/m。结合工程段岸坡情况，确定水下抛石护脚均厚1.2m、抛宽80m。经复核，工程实施后岸坡稳定满足规范要求。

五、结语

铜陵长江公路大桥主3 号桥墩安全防护和岸坡防护工程于2015年建设完成。通过近年来监测分析，主3 号桥墩局部冲刷得到控制，左岸岸坡稳定，工程效果明显，可为长江干流类似大桥工程除险加固提供借鉴■