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深水區(qū)群樁基礎(chǔ)防沖刷措施

2018-07-05 09:09:46姬宏奎王海偉
水科學(xué)與工程技術(shù) 2018年3期
關(guān)鍵詞:防護(hù)區(qū)袋裝軟體

姬宏奎,王海偉

(1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,石家莊050020;2.中交路橋華南工程有限公司,廣東 中山528403)

1 工程概況

池州長(zhǎng)江公路大橋跨江主橋位于歐山鎮(zhèn)下王莊村西側(cè)山頭,橋梁全長(zhǎng)5825.0m,包括跨長(zhǎng)江主通航孔斜拉橋、副通航孔連續(xù)剛構(gòu)橋、南岸大堤連續(xù)梁橋、引橋。長(zhǎng)江主通航孔橋設(shè)計(jì)里程為K20+693~K22+141,全長(zhǎng)1448.0m,采用等高塔不對(duì)稱混合梁雙塔斜拉橋。大橋Z5#墩基礎(chǔ)采用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式,承臺(tái)平面為59.3m×34.8m整體式四邊形帶圓弧承臺(tái),高8.0m,頂標(biāo)高+5.0m,承臺(tái)采用C35混凝土,索塔基礎(chǔ)采用36根直徑3.0m的鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)82.0m,樁頂標(biāo)高-3.0m,樁底標(biāo)高-85.0m。 Z6#,Z7#基礎(chǔ)為深水高樁承臺(tái),Z6#采用15根φ2.5m的鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)55.0m;Z7#墩為12根φ2.5m的鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)60.0m,均采用C30水下混凝土。

2 工程地質(zhì)

Z5#橋墩樁基覆蓋層以砂類土為主,厚33.30~36.50m,表層為松散—稍密狀的粉細(xì)砂,其下為中密狀中砂,下部為密實(shí)狀礫砂及密實(shí)狀中砂,砂層中多含有卵礫石,卵礫石含量高達(dá)20%~30%,粒徑0.2~6cm。基巖為白堊系上統(tǒng)宣南組粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖、砂巖等巖層及其風(fēng)化層,巖面埋深33.3~36.5m,巖面極為平緩;Z6#,Z7#墩位于長(zhǎng)江輔助航道段,河床高程-1.0~0.0m,地勢(shì)向南岸逐漸抬高。該區(qū)覆蓋層較厚深度38.9~53.2m,主要以含軟礫石砂層為主,容易被沖刷。

3 沖刷防護(hù)必要性

池州長(zhǎng)江公路大橋南岸主橋Z5#,Z6#,Z7#基礎(chǔ)位于長(zhǎng)江主航道深水區(qū),Z5#墩承臺(tái)處枯水期水深15.0~25.0m,洪水期水深25.0~30.0m,橋位處洪水期最大流速2.1m/s,枯水期最大流速1.5m/s,平均水流速度大。近幾年河床橫斷面變化,Z5#~Z7#河床斷面以沖刷為主。自大橋臨時(shí)鋼護(hù)筒施工以來(lái)受長(zhǎng)江洪水影響河床沖刷嚴(yán)重,迎水面平均沖刷深度達(dá)10.0m導(dǎo)致鋼護(hù)筒埋深減少較多沖刷后最大2m,為此,施工中采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)等措施以保證鋼護(hù)筒埋深成樁施工。由于工程投入人員(吊裝、護(hù)筒焊接)、機(jī)械(大型浮吊、液壓振樁錘)和材料(鋼護(hù)筒等)較多,嚴(yán)重影響工期制約關(guān)鍵線路的施工,且后期加固的成本極高,成橋后水中樁基礎(chǔ)隨著水流沖刷樁基礎(chǔ)裸露面增加,樁基自由高度增長(zhǎng),隨著長(zhǎng)時(shí)間的沖刷,水中樁基礎(chǔ)自由長(zhǎng)度增加,樁基表面混凝土受到?jīng)_蝕,嚴(yán)重影響索塔樁基礎(chǔ)的耐久性和結(jié)構(gòu)安全。

本文重點(diǎn)圍繞Z5#,Z6#,Z7#墩鉆孔平臺(tái)基礎(chǔ)工程進(jìn)行分析,Z7#墩鉆孔平臺(tái)平面設(shè)計(jì)為47.5m×28.32m,棧橋采用φ820mm×10mm鋼管樁基礎(chǔ),Z7#墩鉆孔平臺(tái)布置如圖1,圖2。

圖1 Z7#墩鉆孔平臺(tái)布置

圖2 Z7#墩鉆孔平臺(tái)縱斷面

4 沖刷防護(hù)

4.1 沖刷防護(hù)布置

抗沖刷防護(hù)根據(jù)沖刷數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及水下測(cè)量結(jié)果(沖刷范圍、沖刷深度),借鑒長(zhǎng)江主航道類似工程防護(hù)經(jīng)驗(yàn),將沖刷防護(hù)區(qū)域分為4個(gè)區(qū)域:

(1)群樁基礎(chǔ)防護(hù)區(qū)。

(2)群樁外上下游40m范圍核心區(qū)。

(3)核心區(qū)分別向上下游外延40m永久保護(hù)區(qū)。

(4)永久保護(hù)區(qū)分別向上下游外延30m護(hù)坦區(qū)。

防護(hù)布置如圖3。根據(jù)沉排船作業(yè)平臺(tái)長(zhǎng)度,Z5#橋墩核心區(qū)和永久防護(hù)區(qū)將垂直水流向250m寬度,順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度280m的主航道(除樁群基礎(chǔ))分為42塊依次沉放,主橋墩Z(yǔ)6#,Z7#因距離較近,墩中心距為100m彼此防護(hù)區(qū)重疊,因此采用聯(lián)合防護(hù)布置,將Z6#,Z7#橋墩聯(lián)合防護(hù)區(qū)內(nèi)核心區(qū)和永久防護(hù)區(qū)垂直水流向290m寬度,順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度280m的主航道(除樁群基礎(chǔ))分為54塊依次沉放,每塊排自上而下進(jìn)行沉排,袋裝砂和拋石隨后跟進(jìn),如圖4??偡雷o(hù)區(qū)防護(hù)范圍四周采用拋石壓重,保證軟體排不被掀起??紤]航道內(nèi)落淤過(guò)程及施工難度,選擇在長(zhǎng)江汛期結(jié)束后枯水期施工。

圖3 Z5#橋墩防護(hù)布置

圖4 Z6#,Z7#橋墩防護(hù)布置

4.2 沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)

護(hù)底防護(hù)結(jié)構(gòu)有剛性和柔性兩種性質(zhì)護(hù)底形式。鋼絲石籠和混凝土護(hù)底屬于剛性防護(hù),軟體排則屬于柔性防護(hù)。

4.2.1 鋼絲石籠

在主航道護(hù)底工程中施工難度較大,且鋼絲耐久性不易保證,采用合金鋼絲可以大大延長(zhǎng)其壽命,但是造價(jià)較高;拋石防護(hù)應(yīng)用較多,因塊石粒徑大,塊石間空隙率較大,需要設(shè)置可靠的反慮防止拋石下的泥沙顆粒通過(guò)拋石孔隙被淘刷,在軟體排和拋石之間設(shè)置砂袋過(guò)渡層,以達(dá)到更好的防護(hù)效果。橋墩沖刷防護(hù)應(yīng)在吸取國(guó)內(nèi)外類似大橋防護(hù)工程成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合橋位處水文、地質(zhì)條件和施工條件等確定可行有效的防護(hù)方案、防護(hù)時(shí)機(jī)及實(shí)施方案。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相似工程實(shí)例的調(diào)研和研究,護(hù)底結(jié)構(gòu)選型:

(1)群樁基礎(chǔ)處采用加長(zhǎng)袋裝砂+級(jí)配碎石+拋石壓重。

(2)核心區(qū)采用砂肋軟體排(380g/m2)+袋裝砂+拋石防護(hù)。

(3)永久保護(hù)區(qū)采用砂肋軟體排(230g/m2)+拋石防護(hù),護(hù)坦采用拋石防護(hù),護(hù)坦上下游采用1∶3的坡比與河床銜接。結(jié)構(gòu)如圖5,圖6。

圖5 樁群基礎(chǔ)沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)

圖6 核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)

4.2.2 袋裝砂

群樁基礎(chǔ)防護(hù)區(qū)采用8m×1.2m×0.6m長(zhǎng)條袋裝砂,核心區(qū)袋裝砂采用1.6m×1.6m×0.6m方形袋裝砂,袋裝砂采用河砂,粒徑大于0.07mm,土工編織袋內(nèi)層為毛氈、外層為丙綸的復(fù)合編織土工布。經(jīng)砂袋試拋試驗(yàn),當(dāng)砂袋個(gè)重6.5t時(shí),不再發(fā)生位移。主墩外側(cè)流速最大區(qū)域在鋪設(shè)6.5t時(shí),呈穩(wěn)定無(wú)位移狀態(tài),因此采用加長(zhǎng)袋裝砂(6.5t)。

根據(jù)類似工程試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),處于相同區(qū)域,同一重量沙袋的形狀、鋪設(shè)方式所引起砂袋穩(wěn)定狀況差別較大。矩形砂袋采用豎向鋪設(shè)后比采用橫向鋪設(shè)穩(wěn)定。矩形砂袋豎向鋪設(shè)時(shí),翻滾半徑較長(zhǎng),不易縱向翻滾。此外,應(yīng)控制護(hù)底砂袋的充盈度,一般在0.7~0.8較好??紤]群樁基礎(chǔ)施工特點(diǎn),采用加長(zhǎng)矩形袋裝砂尺寸8m×1.2m×0.6m,在每排鋼護(hù)筒之間拋投,可利用平臺(tái)鋼管樁、鋼護(hù)筒阻止其翻滾,達(dá)到較好穩(wěn)定性。

4.2.3 壓重塊石

根據(jù)試拋試驗(yàn)成果,單塊塊石最小穩(wěn)定重量定為18kg,考慮施工條件及水流復(fù)雜情況,采用單塊最小重量20kg。護(hù)面塊石規(guī)格20~80kg,且要求50~80kg塊石不少于50%。表層盡量選用較大粒徑的塊石護(hù)面。不同防護(hù)區(qū)域頂高程不同處銜接坡比不小于1∶3。

4.3 軟體排施工質(zhì)量控制

為滿足工程施工精度要求,采用倒垂線法及人工潛水方法進(jìn)行軟體排搭接檢測(cè)。探摸沉排完成后,監(jiān)理人員參加對(duì)每幅排的6點(diǎn)浮標(biāo)檢測(cè),即排頭、排尾邊沿兩點(diǎn),沿堤軸線排體邊沿兩點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),檢查排體的鋪設(shè)位置與上幅排的搭接寬度是否滿足設(shè)計(jì)要求,并作記錄。同時(shí)根據(jù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行潛水探摸,確保排與排之間搭接大于等于2m。按照上幅排布收縮最大處位置,在保障有2m排體搭接的基礎(chǔ)上,進(jìn)行下一幅排體檢測(cè)。

4.4 拋投壓重施工質(zhì)量控制

由于水流條件復(fù)雜和水下施工難度較大,水下拋投袋裝砂及拋石存在諸多不確定性,施工過(guò)程中及時(shí)測(cè)量拋后水下地形。每完成一個(gè)區(qū)域即進(jìn)行測(cè)量檢驗(yàn),對(duì)誤差較大的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)拋,以保證達(dá)到設(shè)計(jì)的拋填厚度。

拋投過(guò)程中每天采用單波束測(cè)深儀觀測(cè)河床變化情況,分析拋投效果。同時(shí)每周采用多波速測(cè)深儀全面觀測(cè)拋投效果,該技術(shù)具有測(cè)量范圍大、速度快、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。能精確反映河床的細(xì)微變化。

軟體排施工及拋投檢測(cè)結(jié)果如表1。

表1 防護(hù)施工檢測(cè)結(jié)果

由檢測(cè)結(jié)果可知,軟體排鋪設(shè)、壓重料拋投均滿足要求。

防護(hù)施工在汛期后施工,由于河道落淤,沖坑有回填現(xiàn)象,防護(hù)施工時(shí)經(jīng)測(cè)量沖坑深度最大為4.3m,在鋪設(shè)軟體排之前將最大沖深處進(jìn)行拋石處理 (拋石厚度2m)后實(shí)施軟體排鋪排。防護(hù)施工完成后防護(hù)結(jié)構(gòu)層表面基本與原河床面持平。防護(hù)剖面如圖7。

圖7 防護(hù)后剖面河床剖面

4.5 防沖刷效果及后期維護(hù)

沖刷是與流場(chǎng)相關(guān)的,流場(chǎng)變化沖刷情況會(huì)隨著變化。因此采用多波速檢測(cè)方法,每年汛期前后檢測(cè)沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)沖淤情況,對(duì)于不滿足要求的防護(hù)部位,采用拋石補(bǔ)拋及綠格石籠護(hù)腳等修復(fù)措施。

根據(jù)后期沖刷測(cè)量結(jié)果,群樁基礎(chǔ)防沖刷防護(hù)區(qū)域邊緣及核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)、護(hù)坦區(qū)接觸部位有不同程度沖蝕,與設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)最大差值達(dá)0.8m。經(jīng)分析采用補(bǔ)拋4m×4m×1.2m綠格石籠網(wǎng)在防護(hù)區(qū)域四邊及各防護(hù)區(qū)域接茬部位進(jìn)行防沖刷管理維護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)長(zhǎng)江深水群樁基礎(chǔ)砂肋軟體排+袋裝砂+拋石防護(hù)組合成套防護(hù)施工技術(shù),保證池州長(zhǎng)江公路大橋高效高質(zhì)量地完成施工。為類似工程的橋墩沖刷處理提供借鑒。

(2)防水軟排施工對(duì)于測(cè)量定位的精度要求較高,對(duì)大型鋪排船、拋石船施工組織要求較高,小型項(xiàng)目難以承擔(dān)。建議繼續(xù)研究群樁沖刷防護(hù)措施及施工技術(shù),以便于中小型工程能夠應(yīng)用。

[1]薛小華.橋墩沖刷的試驗(yàn)研究[D].武漢:武漢大學(xué),2005.

[2]趙凱.橋墩局部沖刷模擬試驗(yàn)研究[D].南京:河海大學(xué),2007.

[3]張景明.長(zhǎng)江口深水航道治理工程護(hù)底軟體排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)工程,2016(12).

[4]盛佐賓,羅爽.上海青草沙水庫(kù)及取輸水泵閘砂肋軟體排施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2011(40).

[5]陳輝,陳磊,李濤章.軟體排在南京新生洲右汊全江護(hù)底工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)水利,2016(2).

[6]俞先林.超大群樁基礎(chǔ)永久沖刷防護(hù)技術(shù)[J].特種結(jié)構(gòu),2009(3).

[7]盧中一,高正榮,黃建維.蘇通大橋大型樁承臺(tái)橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷防護(hù)試驗(yàn)研究[J].中國(guó)港灣建設(shè),2009(2).

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