深水圆端型沉井基础冲刷防护研究

赵 东 梁，冯 先 导，韩 鹏 鹏，陆 荣 伟

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430048； 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430048； 3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430048； 4.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004)

0 引 言

桥墩冲刷问题的本质为桥墩周围流场作用下的泥沙输移[1]，桥墩冲刷过程一般分为自然演变冲刷、一般冲刷、局部冲刷3个独立部分[2]。桥墩等水工结构物压缩河床断面的水流过流面积，引起桥位处河床的冲刷，称为一般冲刷。桥墩阻挡水流后，导致行进水流从桥墩两侧加速绕流产生复杂的漩涡结构，在桥墩周围分离出三维边界层，产生高紊动、高流速特性的局部水流，由这种水流造成的桥墩附近冲刷称为局部冲刷[3]。一般冲刷和局部冲刷交织在一起同时发生，过程十分复杂[4]。许多学者对桥墩冲刷做了大量研究，如Arenson等[5]研究了大跨度桥梁3类冲刷占桥下总冲刷量的占比；Hughes等[6]分析了桥梁桩基础的冲刷承载性能；郑锋利等[7]通过封闭水槽试验研究了沉井着床期间的河床局部冲刷深度及冲刷形态；Coleman等[8]探讨了埋深对沉井冲刷深度的影响；倪飞等[9]研制了一种模型桥墩局部冲刷地形等值线自动绘制装备；高文廉[10]基于FLUENT对圆柱体桥墩的定床、动床水流冲刷情况进行了计算分析；刘震卿[11]基于流体动力学开展了桥梁墩台局部冲刷的研究，并对常用的冲刷防护方法进行了系统的阐述；Xiang等[12]对海中不同截面形状的桥梁基础在单向流和潮流引起的局部冲刷进行了实验研究；熊文等[13]提出了一种基于动力特征识别的桥墩冲刷状态分析理论。研究发现，超过半数的桥梁损毁与冲刷有关[14]，局部冲刷对桥墩底部冲刷坑深度的影响远大于其他两种冲刷，可见局部冲刷是桥梁垮塌的主要原因之一[15]。因此，桥墩局部冲刷也成为研究的重点。

局部冲刷受水流形态、床沙组成、桥墩墩型、河床形态等多因素共同影响。大型桥梁桥墩冲刷一般通过物理模型试验预测冲刷深度，也可通过规范公式进行计算。目前，国内外学者总结了大量的桥墩局部冲刷深度计算公式[16]，其中大多是基于水槽试验数据和现场观测资料建立的经验公式或半理论半经验公式，具有一定的局限性[17]；同时，国内外的桥墩局部冲刷公式差异较大，特别是针对复杂桥墩结构，计算结果差距较大[18]。

桥墩局部冲刷分析常采用的方法包括原位观测、水槽试验和数值模拟[4]。原位观测通过对桥墩局部冲刷进行长期的连续现场监测，能够有效地观测到局部冲刷坑随时间的变化情况。水槽试验有助于研究冲刷过程中的各种流动现象和冲刷机理，归纳局部冲刷深度的影响因素及规律，方便指导工程应用，但试验中缩尺模型带来的尺度效应、特殊流动条件下的冲刷研究目前仍是水槽试验面临的难题。数值模拟方法能够有效避免水槽试验中设备扰动、模型缩尺效应、复杂流动等问题，帮助深入分析复杂湍流和局部冲刷的作用机理，但桥墩局部冲刷模拟结果的精度很大程度上取决于选择的泥沙输运数学模型和湍流数学模型[4]。

针对桥梁施工中沉井基础的冲刷问题，高正荣等[19-20]通过物理模型试验研究了钢沉井下沉过程中的局部冲刷机理和冲刷形态，并针对沪通大桥29号沉井下沉施工易冲刷的问题，开展了河床预防护试验研究。杨程生等[21]针对瓯江北口大桥中塔沉井在淤泥质粉质黏土地质条件下的局部冲刷问题开展了物理模型试验研究，揭示了淤泥粉质黏土在水流作用下的冲蚀剥离形态，为试验中模型砂的选择提供了重要依据。

实际工程中往往地质条件复杂，各类土层相互交叉，为数值模拟、模型试验的冲刷问题研究带来很大的难度，并且采用数值模型研究粉质黏土的冲刷问题本身存在很大的不确定性。因此，本文针对常泰长江大桥中塔5号沉井的冲刷防护问题，开展室内模型试验和现场原位冲刷实测的对比分析研究，为深水大型沉井基础的冲刷防护措施提供参考。

1 工程概况

常泰长江大桥连接江苏省常州市和泰州市，为主跨1 176 m的双层斜拉桥。5号主塔基础为目前世界上最大的水中圆端型沉井基础，位于长江主航道北侧靠泰州一侧。沉井长轴中轴线与水流常流向有6°的夹角；沉井底面尺寸95.0 m×57.8 m，圆端半径28.9 m；沉井顶高程7.0 m，底高程-65.0 m，总高72.0 m；沉井外井壁厚1.8 m，内井壁厚2.0 m，隔墙厚度为1.4 m。5号墩沉井基础结构如图1所示。

图1 5号墩沉井结构(单位：cm)

1.1 地质条件

地质条件是影响局部冲刷的重要因素，5号墩沉井位于主航道北侧，地形平稳。河床平均标高-14.50 m。-14.50～-17.22 m为表层松散粉砂层；-17.22～-27.25 m 为粉质黏土层，其中-17.22～-24.50 m存在分布不均的硬塑粉质黏土层；-27.25～-33.65 m为中密细砂层；-33.65～-39.89 m为中密粉砂层；-39.89～-50.33 m为密实细砂层；-50.33～-56.83 m 为密实中砂层；-56.83～-65.00 m为密实粗砂层，持力层为密实粗砂层。

1.2 实测流速

桥位断面垂线平均最大流速为1.93～2.10 m/s(20 a一遇洪水)，枯水期垂线平均最大流速低于1.05 m/s。枯季大潮和中潮相差不大，平均落潮流速为0.5～0.8 m/s，平均涨潮流速小于0.57 m/s。沉井施工从2019年12月28日出坞浮运开始，至2020年12月28日终沉结束。整个施工阶段，与沉井基础冲刷防护关系密切的关键施工工序有2020年1月22日完成的定位着床、2020年3月初进行的抛石防护。2019年12月至2020年9月，根据现场所测流速进行数据分析，得到沉井位附近各月平均流速和平均流速大于1.0 m/s及1.5 m/s的概率如图2所示。

图2 5号墩附近各月现场实测流速

2 模型试验

2.1 试验方案

模型试验在长34 m、净宽4.8 m的水槽中进行，泥沙动床段长5 m、宽4.8 m，铺沙厚度0.6 m，桥墩基础布置在试验段的中央。模型设计时，综合考虑流速、雷诺数、水深、水下休止角、桥墩压缩比等基本条件，确定模型几何比尺为1∶100，水流连续相似，流速比尺为1∶10。模型沙经过窦国仁公式[17]换算后，采用中值粒径为0.68 mm的木屑代替。整个模型试验，模型沙为单一介质，没有考虑实际地质条件的泥沙分层和黏性土层的影响。

原始河床面试验是假定沉井自-14.5 m标高原始河床面入土无限深，在1.0，1.5，2.0，2.5 m/s 4组原型流速对应的模型流速冲刷2.5 h后，研究河床冲刷状态。

挖槽是沉井浮运到位前在沉井墩位处开挖基坑，开挖深度为11.5 m，基坑底标高到-26 m；开挖范围为沉井外圈放宽10 m，基坑底与河床面放坡坡比为1∶3。挖槽冲刷模型试验中，沉井着床入土后，采用1.0，1.5，2.0，2.5 m/s 4组原型流速对应的模型流速冲刷2.5 h至床面稳定。

挖槽防护是在沉井入土后，在沉井周围的基坑内填充1m厚的防护层，防护层采用中值粒径为0.184 mm的天然砂。

2.2 试验结果分析

(1)原始河床面试验。在1.0，1.5，2.0，2.5 m/s对应的模型流速冲刷后，沉井外壁5 m范围距离内最大冲刷深度河床面高程分别为-28.8，-36.0，-41.8，-44.7 m，沉井前端和两侧均发生较大的冲刷，沉井后端尾部冲刷较小。

(2)挖槽试验。在1.0 m/s流速作用下，基坑底最大冲刷深度为2.0 m，冲深后的高程为-28.0 m，基坑外沉井后端的河床上最大冲刷深度为3.5 m，冲深后的高程为-18.0 m；在1.5 m/s流速作用下，基坑底最大冲刷深度为8.0 m，冲深后的高程为-34.0 m；在2.0 m/s 流速作用下，基坑底最大冲刷深度为14.0 m，冲深后的高程为-40.0 m，基坑外沉井后端的河床上最大冲刷深度为18.0 m，冲深后的高程为-32.5 m；在2.5 m/s流速作用下，基坑底最大冲刷深度为17.4 m，冲深后的高程为-43.4 m。沉井在2.0 m/s流速作用下的模型试验冲刷状态如图3所示。

图3 2.0m/s流速作用下的模型试验冲刷状态

(3)挖槽防护试验。在1.5 m/s流速作用下，沉井周边防护区基本不发生冲刷，防护效果较好，在防护区外侧出现冲刷，最大冲刷深度在8.0 m左右；在2.0 m/s流速作用下，沉井前方防护区基本不冲，最大冲刷发生在沉井两侧，最大冲刷深度为4.0 m左右，在防护区外侧最大冲刷深度为13.0 m；在2.5 m/s流速作用下，沉井前方防护区基本不冲，两侧及后方防护区发生冲刷，最大冲刷深度为6.0 m左右，在防护区外侧最大冲刷深度为16.0 m。沉井在1.5 m/s流速作用下的模型冲刷状态如图4所示，1.5 m/s流速作用下的冲刷等深线变化结果如图5所示。

图4 1.5 m/s流速作用下挖槽防护模型试验冲刷状态

图5 1.5 m/s流速作用下挖槽防护冲刷等深线变化

3组物理模型试验中沉井附近最大冲深结果如图6所示。可以看出：不同流速作用下，挖槽的最大冲刷深度略小于同一流速下原始河床冲刷深度，说明单一土层地质条件下，通过沉井定位着床前在河床上挖槽来降低河床最大冲刷深度的效果不明显；沉井入土后挖槽内抛石防护可以显著降低沉井附近河床的冲刷深度；2.5 m/s流速作用下，沉井入土后河床的最大冲刷深度为-44.7 m，这一数据对制定沉井下沉施工策略具有重要意义。汛期到来前，若沉井刃脚底标高下沉到-44.7 m之下，可有效避免沉井发生倾斜、偏位风险。

图6 最大冲刷深度

3 现场实测分析

3.1 河床冲刷现场实测结果

图7(a)～(c)所示3次基坑开挖后的扫测图均发生在沉井定位着床前，其中图7(a)～(b)发生在沉井浮运到位前，图7(c)发生在沉井浮运到位后。由图7(a)～(b)可以看出，在基坑开挖完成后10 d的时间，基坑底冲刷大约0.5 m；由图7(b)～(c)可以看出，沉井浮运到位前后近一个月时间内，基坑底部并没有发生明显的冲刷或淤积。

图7(d)为沉井定位着床后当天的扫测图，显示着床当天沉井前端两侧和后端靠岸侧发生轻微冲刷，冲刷深度约1.0 m；至图7(e)抛石防护前，沉井前端两侧最大冲深达到-28 m高程。

2020年3月初完成抛石防护施工，在开挖的基坑内沉井周围抛填粒径5～15 cm的碎石，抛填厚度为1 m。图7(f)～(i)显示，抛石防护之后约4个月的时间，沉井前端两侧未出现明显的冲刷。图7(j)～(k)显示：7月中下旬至8月，沉井后端靠岸侧和沉井靠岸侧中部出现一定程度的冲刷，最大冲深底标高达到-30.0 m；7、8月份冲刷程度相比5、6月份要严重一些，最大冲深增加2～3 m，与图2中所示7、8月份水流流速较大有关；最大冲刷深度发生在沉井靠岸一侧，这是因为沉井长轴线与水流主流向存在6°夹角所致。图7(k)～(l)显示，8～10月，随着水流流速的降低，河床冲刷基本保持稳定，局部最大冲刷深度在往复潮流作用下出现约1 m的回淤。

图7 沉井施工过程冲刷实测结果

3.2 实测结果与模型试验对比分析

将沉井施工过程河床冲刷分为出坞浮运-抛石防护前、抛石防护后-汛期前、7～8月份汛期3个阶段，现场实测与模型试验结果对比分析如表1所列。

表1 现场实测与模型试验冲刷结果对比分析

现场实测冲刷结果与挖槽试验的结果验证了沉井施工前利用挖槽来防止冲刷的必要性。在挖槽物理模型试验中，原型流速1.0 m/s作用下基坑外沉井后端河床冲刷后高程为-18.0 m，位于粉质黏土层中，1.0 m/s 的流速与沉井定位着床下沉初期流速相近，如果不进行施工前挖槽，沉井在下沉初期极有可能面临难以下沉的风险；且粉质黏土层中夹杂的硬塑黏土层分布高差较大，极易造成下沉初期沉井倾斜偏位。试验中在原型流速2.0 m/s作用下，基坑外沉井后端河床上最大冲刷深度为18 m，冲深后高程为-32.5 m，此中2.0 m/s的流速与7、8月份实测最大流速相近，考虑7、8月份沉井下沉状态，假如在未挖槽状态下到7月份沉井刃脚底标高在-32.5 m以上，沉井结构就会存在倾斜、结构开裂风险。

现场实测冲刷结果与挖槽试验、挖槽防护试验的结果同样验证汛期前抛石防护的重要性。挖槽物理模型试验中，原型流速2.5 m/s作用下基坑底最大冲深后高程为-43.4 m；现场实测7、8月份最大冲深底标高为-30.0 m，抛石防护有效降低了冲刷深度。挖槽防护试验中，原型流速2.5 m/s作用下，基坑底最大冲深后高程为-32.2 m，大于实测基坑最大冲刷标高-30 m。造成差异的原因一方面是7、8月份实测流速达到2.5 m/s的概率小；另一方面是试验中采用单一土层，而实际地质层中存在抗冲刷能力较强的硬塑黏土层。

4 结 论

(1)研究表明：通过在河床上挖槽来降低河床最大冲刷深度效果不明显，而沉井入土后挖槽内抛石防护可以显著降低沉井附近河床的冲刷深度。

(2)物理模型试验可以较好地预测河床冲刷形态，得出最大冲深极值，为制定沉井下沉施工工序提供参考。

(3)在含黏土层、不连续硬塑粉质黏土层的复杂地质条件下，在河床开挖基槽可以有效降低沉井前期施工时发生倾斜、偏位的风险。