盧中一，高正榮

（南京水利科學(xué)研究院，交通部港口航道泥沙工程重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 210029）

橋梁建設(shè)中沉井是常見的橋墩基礎(chǔ)形式之一。目前國內(nèi)沉井施工常用的方法是選擇水情較小的枯期將沉井浮運(yùn)到位，準(zhǔn)確定位后分次加高進(jìn)行沉放、著床直至規(guī)定高程。施工時受工序統(tǒng)籌所限，體積龐大的沉井在墩址上方的水中要懸浮一定時段。受墩體、水流和底部河床泥沙的共同作用，在沉井下沉、接高、再下沉、再接高這樣多次反復(fù)的施工過程中，即使選擇在流速小的枯季著床，沉井底部河床還是會形成一定深度的局部沖刷，對于尺度超大的沉井，下沉過程中形成的局部沖深有時足以危及著床后的沉井穩(wěn)定[1]。鑒于目前缺少對大型沉井基礎(chǔ)沖刷防護(hù)的研究和實例，因此，開展這方面的試驗研究，對于優(yōu)化防護(hù)工程的布置、前瞻防護(hù)工程的工效，對設(shè)計和施工均具有積極意義。本次以位于長江下游某長江大橋為例，通過室內(nèi)試驗對大型沉井基礎(chǔ)有關(guān)沖刷防護(hù)問題進(jìn)行探討。

1 試驗概述

沖刷試驗在寬水槽中進(jìn)行，根據(jù)橋址所在水域的水流動力條件，水槽設(shè)計成單向流水槽，上游采用矩形薄壁量水堰調(diào)控流量，下游采用橫向推拉式尾門微調(diào)水位，沉井迎水面一定距離（以不受沉井阻水影響為前提）布設(shè)直讀式流速儀監(jiān)控行近流速。水槽總長34m，凈寬4.8m，水槽動床段長10m，寬4.8m，鋪沙厚度為0.6m，沉井模型布置在試驗段的中央。在模型設(shè)計時，已考慮了流速、雷諾數(shù)、水深、休止角、橋墩壓縮比等必須滿足的基本條件，模型比尺為1∶100。

經(jīng)比選，采用經(jīng)過防腐處理的木屑作為模型沙，其中值粒徑d50＝0.80 mm，顆粒容重γsm＝1.15 t/m3，干容重γom＝0.60 t/m3。根據(jù)以往模擬碎粒體無黏性泥沙局部沖刷試驗的結(jié)果，一般情況下經(jīng)歷2～3 h后橋墩局部沖刷達(dá)到?jīng)_刷基本平衡狀態(tài)。本次試驗顯示，橋墩沖刷坑達(dá)到?jīng)_刷基本平衡狀態(tài)的時間為2.5 h左右，因此以后的試驗時間均采用3 h進(jìn)行控制。沖刷后的床面地形采用地形界面儀和測針相結(jié)合的方法進(jìn)行測量。

2 沉井結(jié)構(gòu)

矩形沉井：外觀為四邊角呈圓弧形的矩形柱。迎水面總寬44.10m，順?biāo)鞣较蚩傞L58.20m。上部承臺高6.0 m，承臺頂標(biāo)高為+6.0m。沉井總高88.0m，其中底部（標(biāo)高-82.0m）向上44.0m為鋼沉井，再向上44.0m為混凝土沉井（見圖1）。

圖1 沉井結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）

3 防護(hù)材料塊徑的確定

試驗遵循在滿足最小穩(wěn)定重量的前提下塊徑宜小不宜大的原則選取碎石。為滿足施工部門要求，采用原型5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm五種塊徑碎石，并將其配成不同級配比組次進(jìn)行碎石塊徑與起動流速的關(guān)系試驗。級配試驗時除了進(jìn)行放置沉井模型時的試驗外，另外選擇一些典型的工況，進(jìn)行部分不放置沉井模型的試驗，以期進(jìn)行對比。

4 碎石塊徑、級配及起動

本著“對沖刷防護(hù)的碎石級配進(jìn)行優(yōu)化，在確保河床穩(wěn)定的前提下盡量控制最大塊徑碎石所占比例，以利于工程實施”的原則，對采用的5種塊徑碎石進(jìn)行了5種不同比例的配比，按照單塊徑碎石的水流條件對級配碎石進(jìn)行起動流速的測試，并與單塊徑碎石的起動流速進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 單塊徑碎石和級配碎石的起動流速（水深12m，不放置沉井時）

試驗顯示：在5種不同級配碎石中，小塊徑碎石占多數(shù)的級配3和中塊徑碎石占多數(shù)的級配4的起動流速增幅較明顯。試驗顯示：要達(dá)到某一級起動流速，只要掌控好級配碎石的比例，級配碎石中的塊徑明顯小于采用單塊徑碎石的塊徑，因此從工程實施角度出發(fā)，拋石護(hù)底采用級配碎石既能使實際操作便利可行、又能保證護(hù)底工程具有穩(wěn)定的工程效果。

在同樣試驗條件下，進(jìn)行放置沉井基礎(chǔ)后單塊徑碎石及級配碎石的起動試驗。碎石分別布設(shè)在沉井迎水面、拐角、邊側(cè)、橫軸線中部以及背水面等位置共32處，碎石距沉井基礎(chǔ)的相對位置見圖2。

圖2 沉井基礎(chǔ)周邊碎石起動順序示意圖

由于受墩基阻水及墩體壓縮過水面積等影響，位于沉井周邊各處的碎石的起動情況不盡相同，即使投拋相同塊徑碎石，只要位置不同使其起動的流速也不相同。試驗觀測顯示：在眾多的試驗組次中，只要流速相同，不論是單塊徑碎石還是級配碎石，不同部位碎石的起動先后順序基本相同：

首先起動部位：7號

第二順序起動部位：8號、9號、14號、6號、13號、20號、29號、27號

第三順序起動部位：10號、11號、15號、16號、19號、21號、25號、26號、30號

第四順序起動部位：4號、22號、17號、5號、12號

第五順序起動部位：18號、23號、24號

在放置沉井基礎(chǔ)情況下，將5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm五種單塊徑碎石按小塊徑為主和中粗塊徑為主分成5種級配，具體如下：

級配①：5 cm碎石70%+10 cm碎石15%+15 cm碎石15%（按重量百分?jǐn)?shù)計，下同）

級配②：5 cm碎石60%+10 cm碎石30%+15 cm碎石10%

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

級配④：10 cm碎石70%+15 cm碎石20%+20 cm碎石10%

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

級配碎石的鋪設(shè)位置、水文條件均與前述單塊徑碎石試驗相同。

試驗顯示：位于沉井迎水面?zhèn)冉翘幍?號、8號、9號三處碎石最容易發(fā)生位移，當(dāng)墩前行近流速達(dá)到2.0m/s時，5種級配碎石均全部沖光。位于沉井兩側(cè)的碎石，其起動順序、對應(yīng)起動流速與單塊徑碎石情形大致接近，當(dāng)墩前行近流速達(dá)到2.4～2.70m/s時，5種級配碎石也相繼沖光。位于墩前緩流區(qū)內(nèi)的1號、2號、3號各點(diǎn)的碎石處于少量位移、基本穩(wěn)定狀態(tài)；墩后掩護(hù)區(qū)內(nèi)的31號、32號等處，級配以5 cm小塊徑碎石為主，即使流速增大至2.8m/s時，也始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。

通過碎石起動試驗，得到如下認(rèn)識：

1）采用拋石防護(hù)來保證沉井基礎(chǔ)周邊床面的穩(wěn)定，確保沉井迎水面兩側(cè)角附近（7號、8號、9號三處）碎石的穩(wěn)定至關(guān)重要，只要碎石在該區(qū)域內(nèi)保持穩(wěn)定，其他區(qū)域的穩(wěn)定就有保證。

2）實施拋石護(hù)底，工程自身的穩(wěn)定必須放在首位。在起動順序第一、第二區(qū)域內(nèi)，25 cm碎石要占一定比例，在5～25 cm五種碎石中組成級配盡量以中粗塊徑為主；從度汛角度考慮，級配碎石中應(yīng)舍棄5 cm碎石，控制10 cm碎石的比例。

3）根據(jù)級配碎石的起動位置和位移狀態(tài)，對沉井周邊床面實施拋石防護(hù)時應(yīng)分區(qū)域、按配比進(jìn)行：迎水側(cè)角處以粗塊徑配比為主，第2、第3起沖區(qū)以中粗塊徑為主，較遠(yuǎn)處和迎水緩流區(qū)、背水掩護(hù)區(qū)可采用中塊徑碎石。

5 防護(hù)工程區(qū)域的功能劃分

沉井基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)采用護(hù)底抗沖措施，根據(jù)各部分所處位置和功能作用，將整個防護(hù)區(qū)域平面布置分為核心區(qū)（Ⅰ區(qū)）、永久防護(hù)區(qū)（Ⅱ區(qū)）和護(hù)坦區(qū)（Ⅲ區(qū)）三部分，不同區(qū)域的基本功能是：

核心區(qū)：局部沖深最大的區(qū)域，是沖刷防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。根據(jù)沉井基礎(chǔ)預(yù)防護(hù)需要，范圍為沉井基礎(chǔ)邊壁外20 m（等寬）。根據(jù)施工要求，核心區(qū)首先要進(jìn)行預(yù)防護(hù)，確保沉井的安全著床和防止現(xiàn)有床面的沖刷?？紤]到沉井著床過程中其沉井刃腳會造成防護(hù)層的局部缺損，可用專門設(shè)備在水下進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)拋彌補(bǔ)。

永久防護(hù)區(qū)：核心區(qū)外化解墩基、床沙共同作用時防護(hù)工程所需的平面尺度。在本工程定為局部沖深10m等深線范圍（核心區(qū)外25m），在預(yù)防護(hù)時也是必須防護(hù)的區(qū)域。

護(hù)坦區(qū)：設(shè)置在永久防護(hù)區(qū)外側(cè)的外圍防護(hù)區(qū)，其作用是保護(hù)永久防護(hù)區(qū)、使整體防護(hù)工程適應(yīng)河床沖刷變形，其范圍可根據(jù)防護(hù)等級制定。

6 安全度汛階段沉井防護(hù)工程穩(wěn)定性研究

試驗顯示：對于本次研究的沉井，當(dāng)沉井井底距床面4m時，V=0.80m/s的行近流速（垂線平均，下同）就會引起底部床面較明顯的局部沖刷[2]；沉井井底距床面越近，床面開始沖刷所對應(yīng)的開沖流速就越小。根據(jù)1950—2003年的大通流量資料統(tǒng)計，發(fā)生在每年12月—翌年2月枯季的多年月平均流量分別為14 200m3/s、11 000m3/s和11 700m3/s，從不同流量下水位與流速對應(yīng)關(guān)系式[4]可以得到枯季同期橋區(qū)水域的水流條件（見表2）。

表2 橋區(qū)水域枯季（每年12月—翌年2月）水流條件

從橋區(qū)水流條件來看，枯季的流速在0.76～0.85m/s之間，沉井井底距床面距離如果小于4m，沉井底部床面還是能引起局部沖刷。試驗顯示，行近流速在0.80m/s時，矩形沉井基礎(chǔ)引起的局部沖刷最大深度在4.10m左右，如果考慮沉井著床階段對底部床面土層的擾動影響，沖刷坑最大深度有可能超過5m。因此從確保沉井基礎(chǔ)所在河床面穩(wěn)定的角度出發(fā)，施工期預(yù)防護(hù)工程可分為沉井平穩(wěn)著床和安全度汛兩個階段先后進(jìn)行。

預(yù)防護(hù)工程必須具備其工程的鋪設(shè)范圍和拋投高度，以達(dá)到床面穩(wěn)定、工效良好和費(fèi)用經(jīng)濟(jì)的建設(shè)要求。建設(shè)部門對沉井基礎(chǔ)防護(hù)工程提出“穩(wěn)定性好、范圍小、厚度薄”的總體要求，為此在必須滿足安全度汛（20 a一遇）情況下進(jìn)行了沉井基礎(chǔ)預(yù)防護(hù)工程范圍的比選試驗，水流條件見表3。

表3 試驗水流條件

試驗中，該大橋沉井基礎(chǔ)預(yù)防護(hù)的防護(hù)尺度見表4。

表4 預(yù)防護(hù)工程的防護(hù)尺度

方案1（大范圍）：

核心區(qū)（Ⅰ區(qū)）：（沉井邊壁外）縱、橫向均寬20m，厚2.5m，碎石級配比：30 cm（60%）＋20 cm（40%）。

永久防護(hù)區(qū)（Ⅱ區(qū)）：（Ⅰ區(qū)外）縱、橫向均寬40m，厚2.0m，碎石級配比：30 cm（40%）＋20 cm（40%）＋15 cm（20%）。

護(hù)坦區(qū)（Ⅲ區(qū)）：（Ⅱ區(qū)外）縱、橫向均寬30m，內(nèi)側(cè)15m厚2.0m，外側(cè)15m漸厚至3m，碎石級配比：20 cm（50%）＋15 cm（50%）。

護(hù)坦邊坡為1∶3，采用單顆塊徑30 cm碎石護(hù)坡。

方案2（中等范圍）：

核心區(qū)（Ⅰ區(qū)）：（沉井邊壁外）縱、橫向均寬20m，厚2.5m，碎石級配比：30 cm（40%）＋20 cm（60%）。

永久防護(hù)區(qū)（Ⅱ區(qū)）：（Ⅰ區(qū)外）縱、橫向均寬25m，內(nèi)側(cè)12m厚2.0m，外側(cè)13m漸高至3m，碎石級配比：30 cm（20%）＋20 cm（60%）＋15 cm（20%）。

護(hù)坦邊坡為1∶3，采用20 cm（50%）＋15 cm（50%）級配碎石護(hù)坡。

方案3（小范圍）：

核心區(qū)（Ⅰ區(qū)）：（沉井邊壁外）縱、橫向均寬20m，厚2.5m，碎石級配比：30 cm（40%）＋20 cm（60%）。

護(hù)坦邊坡為1∶3，采用20 cm（50%）＋15 cm（50%）級配碎石護(hù)坡。

對3個方案進(jìn)行了汛期最大流量的沖刷試驗，以防護(hù)工程的穩(wěn)定性、防護(hù)工程外可能發(fā)生的最大沖深、最大沖深與防護(hù)工程的相對位置、邊坡穩(wěn)定情況以及防護(hù)工程量等指標(biāo)進(jìn)行對比，試驗結(jié)果見表5，大范圍預(yù)防護(hù)后及中等范圍預(yù)防護(hù)后周邊河床沖刷形態(tài)見圖3和圖4。

表5 護(hù)底預(yù)防護(hù)工程不同范圍的工效比較

圖3 大范圍預(yù)防護(hù)后周邊河床沖刷形態(tài)

圖4 中等范圍預(yù)防護(hù)后周邊河床沖刷形態(tài)

從試驗結(jié)果看，方案1（大范圍）的工程效果最好，護(hù)底工程穩(wěn)定，護(hù)底工程外的床面沖刷較小，而且最大沖深距工程相對較遠(yuǎn)，有利于防護(hù)工程的持久穩(wěn)定，但方案1存在明顯的缺陷：一次性拋投量太大，與主要保證沉井施工期穩(wěn)定的初衷不相符。經(jīng)相對比較，方案1的拋投量約為方案2（中等范圍）的4倍，約為方案3的7倍。方案3（小范圍）雖然有拋投量小的優(yōu)點(diǎn)（僅占方案1拋投量的14.5%，為方案2的56.3%），但度汛護(hù)底工程效果較差，存在護(hù)底工程自身不穩(wěn)定、可能危及沉井基礎(chǔ)安全的缺陷，因此建議不予采用。相比而言，方案2具有度汛后防護(hù)工程及邊坡保持自身穩(wěn)定、能確保沉井基礎(chǔ)安全度汛以及拋投量適中等優(yōu)點(diǎn)，可以作為沉井基礎(chǔ)施工期的預(yù)防護(hù)工程推薦方案進(jìn)行護(hù)面。沉井基礎(chǔ)施工期護(hù)底預(yù)防護(hù)工程外河床的沖刷特征見表6和圖5。

表6 矩形沉井施工期預(yù)防護(hù)工程外河床沖刷特征（防護(hù)范圍：148.2m長×134.0m寬）

圖5 施工期防護(hù)區(qū)外最大沖深曲線（矩形沉井）

7 平穩(wěn)著床階段沉井防護(hù)工程的穩(wěn)定性

沉井的著床通常選在枯季進(jìn)行，此時橋區(qū)水域流量小，流速慢，相對減小了沉井基礎(chǔ)處的局部沖刷。但由于工序復(fù)雜沉井下沉?xí)r仍需要數(shù)天乃至更多的時間，而且在沉井接近床面時底部床面容易發(fā)生明顯的局部沖深，為確保沉井的安全著床，對橋基附近床面進(jìn)行預(yù)防護(hù)是必須的。

由于有安全度汛防護(hù)工程尺度作參考，加上枯季最大行近流速通常在1.00～1.20m/s之間，實施沉井平穩(wěn)階段預(yù)防護(hù)時，在保證護(hù)面碎石穩(wěn)定的前提下存在選擇小塊徑級配碎石、縮小防護(hù)范圍的可能性，以便有利于沉井刃腳的順利下切和沉井內(nèi)部吸排土石方的需要。

根據(jù)放置矩形沉井后周邊級配碎石穩(wěn)定性試驗成果，5 cm碎石占70%、10 cm和15 cm碎石各占15%的最小級配碎石（見級配①）除了位于迎水面兩側(cè)角底部在行近流速0.7m/s情況下發(fā)生少量位移，距沉井邊壁較近的碎石第二起沖區(qū)（離沉井邊壁最遠(yuǎn)8m）在行近流速1.0～1.30m/s級配碎石才發(fā)生少量位移；在第二起沖區(qū)外緣的10號、15號和21號（距沉井分別為15m、18m和19.5m）在行近流速1.2～1.30m/s時級配碎石才發(fā)生少量位移，而枯季最大流速一般在1.00m/s左右，因此沉井著床階段預(yù)防護(hù)的塊徑可采用級配①的比例（即5 cm碎石70%+10 cm碎石15%+15 cm碎石15%），對緊靠沉井邊壁8～10m的范圍進(jìn)行著床期預(yù)防護(hù)，沉井著床期間可能引起迎水面兩側(cè)小范圍內(nèi)小塊徑碎石的位移，待沉井平穩(wěn)著床后可采用水下點(diǎn)拋彌補(bǔ)，到時即使拋投稍大塊徑碎石也不會影響沉井基礎(chǔ)的施工，隨后在沉井周圍拋投大塊徑級配碎石進(jìn)行安全度汛防護(hù)。在以沉井平穩(wěn)著床為主要目的的施工期前期預(yù)防護(hù)時可暫不考慮布設(shè)護(hù)坦區(qū)，防護(hù)體周邊河床的沖刷形態(tài)見圖6。

圖6 防護(hù)體周邊河床沖刷形態(tài)

8 結(jié)語

沉井基礎(chǔ)防護(hù)工程可分為滿足平穩(wěn)著床和安全度汛兩個階段分步實施，試驗表明，防護(hù)尺度為148.2m（長）×134.0m（寬）×2.0～2.5m（高）的方案2具有度汛后防護(hù)工程及邊坡保持自身穩(wěn)定、能確保沉井基礎(chǔ)安全度汛以及拋投量適中等優(yōu)點(diǎn)，可以作為滿足安全度汛要求的預(yù)防護(hù)工程推薦方案進(jìn)行護(hù)面。沉井著床時的枯季最大流速一般在1.00m/s左右，可采用以小于10 cm碎石占多數(shù)的級配碎石先行護(hù)面，防護(hù)尺度為78.2m（長）×64.1m（寬）×2.5 m（高），對沉井著床期間可能引起迎水面兩側(cè)局部范圍內(nèi)小塊徑碎石的位移，可在沉井平穩(wěn)著床后采用水下點(diǎn)拋彌補(bǔ)，再在沉井周圍拋設(shè)大塊徑級配碎石進(jìn)行安全度汛防護(hù)，這樣既滿足施工需要，又使整體預(yù)防護(hù)工程達(dá)到總體要求。

[1] 高正榮，黃建維，盧中一.長江河口跨江大橋橋墩局部沖刷及防護(hù)研究[M].北京：海洋出版社，2005.

[2] 盧中一，高正榮.大型沉井基礎(chǔ)施工過程中的局部沖刷試驗研究[C]//第十四屆中國海洋工程學(xué)術(shù)討論會論文集.北京：海洋出版社，2009：1 139-1 146.