馬鞍山長(zhǎng)江大橋近岸橋墩岸坡防護(hù)方案的水槽試驗(yàn)研究

黃衛(wèi)東，姚仕明，沈之平，廖小永

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢 430010)

1 概述

在橋梁的水毀事件中，橋墩沖刷是最主要的原因，沖刷嚴(yán)重影響著橋梁的整體穩(wěn)定。橋墩周圍河床的沖刷深度決定了橋墩基礎(chǔ)的安全埋置深度，沖刷范圍決定了橋墩基礎(chǔ)的防護(hù)范圍。橋墩的修建改變了原有的水流結(jié)構(gòu)，其周邊會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈渦流，水流沖刷河床形成沖刷坑，進(jìn)而造成近岸邊坡變陡，導(dǎo)致河岸的穩(wěn)定性降低，當(dāng)穩(wěn)定性降低到一定程度后，河岸便會(huì)在重力作用下發(fā)生崩塌。崩岸將給河流沿岸帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，如岸邊耕地流失、交通運(yùn)輸設(shè)施破壞等。岸灘的不斷崩退，直接威脅堤防及兩岸建筑物的安全。崩岸產(chǎn)生的大量土體滑到河道內(nèi)，使河床淤積抬高;崩岸使河寬增加，在退水期不能沖刷成槽時(shí)往往會(huì)形成淺灘，不利于維持良好的航道條件。

在建的馬鞍山長(zhǎng)江大橋共設(shè)有四個(gè)近岸橋墩，其中主汊(左汊)兩邊墩的尺寸為:承臺(tái)標(biāo)高7 m，厚6 m，迎水面寬31.7 m，順?biāo)L(zhǎng)69.2 m，承臺(tái)下迎水面中布設(shè)排樁，共48根樁。受近岸水流沖刷和近岸岸坡相對(duì)不穩(wěn)定性的共同影響，近岸橋墩河床變形影響因素和趨勢(shì)更具復(fù)雜性，進(jìn)而對(duì)岸坡防護(hù)方案、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)也提出了新的要求。

2 模型情況

馬鞍山長(zhǎng)江大橋近岸橋墩岸坡防護(hù)方案的水槽試驗(yàn)采用斷面正態(tài)模型，模型幾何比尺定為1∶100。橋墩局部沖刷試驗(yàn)在長(zhǎng)約30 m、寬3 m、高1 m 的水槽中進(jìn)行，水槽鋪沙段長(zhǎng)7 m，鋪沙厚0.4 m(圖1)。試驗(yàn)采用合成塑料沙作為模型沙，計(jì)算得模型沙的設(shè)計(jì)中值粒徑為d50=0.25 mm。試驗(yàn)放水要素見表1。

圖1 馬鞍山長(zhǎng)江大橋橋墩局部模型示意圖

表1 試驗(yàn)放水要素表

需要指出的是:由于在建的馬鞍山長(zhǎng)江大橋左汊兩邊墩均位于地勢(shì)較高且坡度相對(duì)較緩的岸坡上，為了使研究的問題一般化，也為了更直觀地研究近岸橋墩附近的岸坡變形并對(duì)比各種岸坡防護(hù)措施的效果，還進(jìn)行了岸坡(1∶3)概化模型試驗(yàn)，模型起始地形見圖2。為了研究極限不利水文條件下近岸橋墩河床的變形情況，參照原型岸坡的流速，研究了水深5～10 m，流速在2 m/s 左右的工況。

圖2 概化模型起始地形圖

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 近岸橋墩周圍水流分析

橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前水面涌波、橋墩迎水面向下水流和尺度很大的紊流區(qū)。紊流區(qū)具有復(fù)雜的綜合水流結(jié)構(gòu)，包括橋墩迎水面向下的水流和兩側(cè)繞流在床面附近形成的馬蹄形漩渦、橋墩兩側(cè)分離形成的尾流漩渦以及在橋墩兩側(cè)和橋墩后由床面附近釋放的小漩渦。同時(shí)，橋墩周圍的流場(chǎng)與橋墩周邊的河床局部變形有著密不可分的關(guān)系。橋墩周圍的流場(chǎng)觸發(fā)并控制著局部沖刷模式，反之，局部沖刷的發(fā)展也影響著橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)。橋墩紊流系造成橋墩局部沖刷的重要因素。試驗(yàn)過程中觀測(cè)到的水流現(xiàn)象如下:(1)表面水流受到橋墩的頂沖作用往兩側(cè)分流，正對(duì)橋墩的水流遇到橋墩后轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕蛳碌乃?，淘刷墩前的局部河?(2)水流經(jīng)過橋墩時(shí)的左側(cè)繞流抵達(dá)岸邊的位置與墩前的行近流速有著密切關(guān)系，流速越大，水流抵達(dá)岸邊的位置越靠上游;(3)在橋墩尾部也形成較明顯的回流區(qū)。在距墩尾較遠(yuǎn)的位置，被橋墩分開的水流有合并的趨勢(shì)，斷面流速分布逐步恢復(fù)到橋墩上游的狀態(tài);(4)橋墩前有明顯的水面涌波和壅水現(xiàn)象，流量較大時(shí)，水位亦相對(duì)較高，整個(gè)承臺(tái)位于水面以下，表層水流受到橋墩的阻力相對(duì)較小，壅水現(xiàn)象沒有低水位時(shí)明顯，但水面涌波和水流紊動(dòng)卻十分清晰。此類型橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)見圖3。

3.2 近岸橋墩的近區(qū)沖刷坑

圖3 橋墩附近的水流結(jié)構(gòu)示意圖

橋墩局部沖刷深度影響因素眾多，與橋墩形狀、橋墩附近的水流強(qiáng)度以及河床組成密切相關(guān)，其機(jī)理十分復(fù)雜，概括起來，主要有以下三種觀點(diǎn):(1)墩周流場(chǎng)的漩渦體系;(2)墩前下降水流的沖擊作用;(3)水流受橋墩的壓縮作用。

影響沖刷坑深度的因素主要包括行近流速、水深、泥沙中值粒徑、泥沙級(jí)配、橋墩形狀、橋墩尺寸和水流沖擊角等。局部沖刷可分為清水沖刷和動(dòng)床沖刷兩種類型。清水沖刷是指進(jìn)入局部沖刷坑的來流不攜帶泥沙情況下的沖刷，而動(dòng)床沖刷是指局部沖刷坑可以持續(xù)地獲得來流挾沙水流的泥沙補(bǔ)給。有關(guān)研究表明:清水沖刷下的橋墩最大沖深值比動(dòng)床沖刷下的橋墩最大沖深值約大10%。為了偏于安全考慮，局部沖刷試驗(yàn)一般采用清水沖刷。

在試驗(yàn)過程中，可以觀察到以下情況:流向橋墩的水流受到承臺(tái)及樁柱的阻擋，橋墩兩側(cè)的繞流使水流急劇彎曲，床面附近形成漩渦劇烈淘刷著橋墩的迎水端床面和周邊的泥沙，形成局部沖刷坑。隨著沖刷坑的不斷加深和擴(kuò)展，坑底流速逐漸降低，水流挾沙能力隨之減弱，上游進(jìn)入沖刷坑的泥沙與水流沖走的泥沙相平衡。同時(shí)，沖刷坑底的泥沙逐漸粗化，留下較粗顆粒鋪蓋在沖刷坑表面，使坑底粗糙程度增大，抗沖能力增強(qiáng)，水流的沖刷作用與床沙的抗沖作用趨向平衡，局部沖刷坑達(dá)到最深。試驗(yàn)觀測(cè)到的最大沖深點(diǎn)位于橋墩迎水面中間略微偏深槽側(cè)的位置。沖刷坑特征值和沖刷坑范圍見表2、3。

3.3 近岸橋墩岸坡防護(hù)工程試驗(yàn)研究

在分析近岸橋墩對(duì)河床及岸坡變形影響的基礎(chǔ)上，先后分別進(jìn)行了土工織物砂枕(排)護(hù)岸、四面六邊透水框架護(hù)岸、纖維模板護(hù)坡、混凝土鉸鏈排護(hù)岸、土工布?jí)狠d軟體排護(hù)岸、拋石護(hù)岸等工程實(shí)施后的局部沖刷試驗(yàn)。防護(hù)前和防護(hù)后沖刷坑特征值及范圍見表4、5。

從表2～5中可以看出:在岸坡(1∶3)概化模型試驗(yàn)中，土工織物砂枕(排)護(hù)岸、四面體防護(hù)、土工布?jí)狠d軟體排護(hù)岸、拋石護(hù)岸等四種護(hù)岸工程實(shí)施后最大沖刷坑明顯較小，初步分析其原因?yàn)?(1)四面體具有較好的緩流促淤作用;(2)以上護(hù)岸形式整體性相對(duì)較差，個(gè)體的自由度較大，流量較大時(shí)，護(hù)岸材料容易被沖動(dòng)，部分滑落至橋墩附近，在橋墩周邊間接形成了保護(hù)層，阻止了沖刷進(jìn)一步向下發(fā)展。在同等水流條件下(行近流速V=2 m/s)，實(shí)施岸坡防護(hù)后的沖坑范圍遠(yuǎn)小于防護(hù)前的沖坑范圍，多種護(hù)岸形式實(shí)施后，其沖刷過程、沖刷形態(tài)、范圍及最大沖深點(diǎn)等基本類似，沖刷范圍和最大沖深只是在量值上有所區(qū)別。通過比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，四面體防護(hù)工程實(shí)施后，其沖坑范圍較其他防護(hù)方式的沖坑范圍略微偏小。

表2 橋址斷面概化模型各種水文條件下橋墩沖刷坑特征值表

表3 橋址斷面概化模型各種水文條件下橋墩沖刷坑范圍表

表4 岸坡(1∶3)概化模型橋墩沖刷坑特征值統(tǒng)計(jì)表

表5 岸坡(1∶3)概化模型橋墩沖刷坑范圍統(tǒng)計(jì)表

從試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果看，對(duì)岸坡變形較明顯的橋址上游70 m 至橋址下游190 m 實(shí)施岸坡防護(hù)工程后，岸坡的沖淤變形遠(yuǎn)較防護(hù)前的沖淤變形為小。放水后的沖刷地形表明，防護(hù)工程的頭部及橋址附近交接處的局部岸坡變形較為顯著，尤其是采用發(fā)布護(hù)坡、混凝土鉸鏈排護(hù)岸、土工布?jí)狠d軟體排護(hù)岸等護(hù)岸方式的護(hù)岸前沿沖刷幅度最大，局部岸坡較陡，有的甚至成懸吊狀;而對(duì)于橋址附近的局部岸坡，由于水流流經(jīng)橋墩的繞流作用，對(duì)其產(chǎn)生頂沖作用，造成位于橋墩中下部附近的岸坡明顯沖刷，岸坡變陡，甚至出現(xiàn)工程局部被掀起或翻卷的現(xiàn)象。由于實(shí)體抗沖防護(hù)工程本身具有阻水性，導(dǎo)致工程上下游交接處及坡腳處也發(fā)生了沖刷變形，形成較明顯的沖坑，從而對(duì)局部防護(hù)工程的穩(wěn)定性及護(hù)岸效果會(huì)產(chǎn)生不利影響。尤其是在已防護(hù)工程的下游，存在沖刷下延的現(xiàn)象。

在選擇防護(hù)措施時(shí)，應(yīng)綜合考慮岸坡防護(hù)和橋墩局部防護(hù)兩個(gè)方面。當(dāng)采用阻水作用較大的實(shí)體抗沖防護(hù)工程時(shí)，岸坡加固后，近岸流速普遍增大，近岸橋墩局部沖刷會(huì)進(jìn)一步加劇，沖刷坑有可能波及到坡腳，進(jìn)而引起實(shí)體防護(hù)工程的破壞。因此，鑒于馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋近岸橋墩所在的河岸具有較順直、水流流速小(300 a 一遇流量條件下橋墩附近流速在2 m/s 以下)、河床易沖動(dòng)的特點(diǎn)，建議采取減速促淤防護(hù)工程措施，傾向于采取研究較多且在實(shí)際工程中取得成功經(jīng)驗(yàn)的四面六邊透水框架護(hù)岸工程。

4 防護(hù)工程方案合理性分析

馬鞍山長(zhǎng)江大橋所在河段的岸坡較緩，坡度遠(yuǎn)小于臨界岸坡，岸坡變形主要是因橋墩局部沖刷和橋墩繞流水流頂沖附近岸坡所致。因此，岸坡防護(hù)應(yīng)充分考慮橋墩附近紊流、局部沖刷坑及流量集中三個(gè)因素，逐一分析如下:

(1)橋墩紊流。

在行近流速V=2 m/s(高于300 a 一遇標(biāo)準(zhǔn))時(shí)，靠岸邊一側(cè)的最大紊流寬度為1 B(B 為橋墩寬度)，靠深槽一側(cè)的最大紊流寬度為0.7 B 左右，上游側(cè)紊流長(zhǎng)度約為0.5 L。垂向平均流速ˉω最大值一般出現(xiàn)在橋頭迎水面中心點(diǎn)處，自該點(diǎn)至橋墩靠深槽一側(cè)邊緣為沖刷最為嚴(yán)重的區(qū)域。馬鞍山長(zhǎng)江大橋左汊近岸橋墩的寬度B=31.7 m，長(zhǎng)度L=69.2 m，故依據(jù)紊流寬度確定的防護(hù)范圍為橋墩靠岸邊側(cè)寬度31.7 m，上游側(cè)34.6 m，靠深槽側(cè)22.19 m。

(2)局部沖刷坑。

橋墩最大局部沖刷深度公式采用清水沖刷情況下的沖深公式，即:

式中 Kξ為墩形系數(shù)。對(duì)于圓形墩，Kξ=1;對(duì)于與水流成直線的長(zhǎng)方形墩，Kξ=1.4。

大量研究結(jié)果表明:清水沖刷下的橋墩最大沖深值比動(dòng)床沖刷下的橋墩最大沖深值約大10%。根據(jù)該清水沖刷深度公式計(jì)算的極限沖深為19.639 m，與表3概化岸坡模型中所測(cè)得的最大沖深值基本相當(dāng)。從實(shí)測(cè)的沖刷坑形態(tài)看，橋墩局部沖刷最嚴(yán)重的區(qū)域集中在墩頭位置，墩頭兩翼的沖坑寬度在墩頭與橋墩直線段交接處達(dá)到最大，沖刷坑寬度可用極限沖深大致估計(jì)。假設(shè)沖深在靠近橋墩邊緣處達(dá)到最大，且沖刷平衡后泥沙的斜坡大致等于泥沙的水下休止角，由于該河段泥沙的中值粒徑約為0.182 mm，故水下休止角可采用熊紹隆公式φ=36.45+4.294lgd50，由此算得水下休止角約為33.273°。橋墩兩側(cè)沖刷坑寬度Lf=hjctgφ，經(jīng)計(jì)算得Lf=29.93 m，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的靠深槽側(cè)的極限沖刷坑寬度較為吻合。由此可見，通過水下休止角推求沖刷坑的極限寬度具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。故依據(jù)沖刷坑的極限狀態(tài)，橋墩上游側(cè)、左右側(cè)護(hù)岸的長(zhǎng)度、寬度均取30 m。

(3)流量集中的影響。

由于近岸橋墩對(duì)水流的導(dǎo)流作用，在橋墩近岸一側(cè)易發(fā)生水流集中現(xiàn)象，單寬流量集中系數(shù)可采用下式計(jì)算:

綜合考慮以上因素和水槽試驗(yàn)觀測(cè)成果，并根據(jù)橋墩附近紊流及局部河床變化情況，確定馬鞍山大橋采取的初步防護(hù)方案為橋位上游70 m～橋位下游190 m 實(shí)施岸坡防護(hù)，其中橋址上游70 m～下游67 m 護(hù)岸寬度為136 m，下游67～190 m 護(hù)岸寬度為55 m(圖4)，并對(duì)該防護(hù)方案實(shí)施后的流態(tài)和地形進(jìn)行了重點(diǎn)觀測(cè)。在此需要說明的是:由于護(hù)岸工程會(huì)加劇護(hù)岸工程區(qū)域外的沖刷，因此，橋墩靠深槽一側(cè)的護(hù)岸寬度不宜過寬，故設(shè)定防護(hù)方案采取相對(duì)較小值。

5 實(shí)施方案中的創(chuàng)新點(diǎn)

圖4 防護(hù)工程布置方案及試驗(yàn)后沖刷情況

(1)用光柵式水位儀實(shí)時(shí)測(cè)量模型水位變化，采用小型光電旋槳式傳感器和多普勒超聲波流速儀(ADV)對(duì)比測(cè)量橋墩周邊的特征流速，對(duì)橋墩周邊的三維流場(chǎng)進(jìn)行了觀測(cè)。

(2)在1∶3岸坡概化模型試驗(yàn)中，對(duì)現(xiàn)階段常見的幾種護(hù)岸型式在同一水沙條件下的防護(hù)效果和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，并推薦了適合馬鞍山長(zhǎng)江大橋所在河段的護(hù)岸型式。

(3)研究了近岸橋墩對(duì)岸坡變形的影響程度和范圍，提出了近岸橋墩影響岸坡穩(wěn)定的幾個(gè)最主要因素，并通過水槽模型試驗(yàn)，建立了初步估計(jì)岸坡防護(hù)范圍的方法。該方法形式簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，根據(jù)墩型、有效墩寬和床沙的中值粒徑即可推算大致的防護(hù)范圍。防護(hù)措施效果驗(yàn)證試驗(yàn)表明:按該方法確定的岸坡防護(hù)范圍與標(biāo)準(zhǔn)基本能滿足工程需要。

(4)根據(jù)水下地形變化及河床沖淤幅度的大小，對(duì)岸坡防護(hù)的不同區(qū)域區(qū)別對(duì)待，在可能受到橋墩繞流水流頂沖易發(fā)生崩岸的岸坡區(qū)域設(shè)置了重點(diǎn)防護(hù)區(qū)。

6 結(jié)語

(1)同等水流條件下的岸坡防護(hù)措施對(duì)比試驗(yàn)表明:多種防護(hù)方式實(shí)施后均能起到一定的防護(hù)效果，但由于橋墩近岸(或在岸坡上)，實(shí)體抗沖防護(hù)工程本身具有阻水性，在其周邊易形成局部沖坑，可能與橋墩的局部沖刷形成疊加，進(jìn)而導(dǎo)致岸坡的二次破壞。因此，在岸線順直、流速相對(duì)較小的近岸區(qū)采取減速促淤的防護(hù)方式為宜。

(2)在橋址斷面概化模型實(shí)施了擬定的防護(hù)工程方案后，防護(hù)區(qū)岸坡流速減小明顯，促淤效果顯著，岸坡未見明顯破壞，較好地達(dá)到了預(yù)期的工程效果，證明該方案可行。

(3)建議以后在建類似近岸橋墩時(shí)，應(yīng)將橋墩輪廓優(yōu)化為更加圓滑的形式，以減小其對(duì)水流的頂沖作用，使其形成的繞流能夠緊貼墩壁，減小水流對(duì)附近岸坡的頂沖作用。

(4)對(duì)于在岸坡上新建工程的情況，岸坡防護(hù)應(yīng)首先考慮采用減速、不沖的防護(hù)措施。由于堤岸附近水流與固體邊界相互作用的復(fù)雜性，使用實(shí)體抗沖防護(hù)措施，有可能加劇局部河床的沖刷，造成二次破壞，增加護(hù)岸的難度。但由于四面體的抗沖性能較差，在近岸流速大于2.5 m/s、坡度較陡的岸坡仍應(yīng)考慮采用拋石護(hù)岸的方式。

(5)筆者雖然給出了適合馬鞍山長(zhǎng)江大橋岸坡防護(hù)的一些原則和標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于在復(fù)雜、敏感河段修建工程的情況，防護(hù)工程的范圍和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)物理模型試驗(yàn)或類似河段上的工程成功經(jīng)驗(yàn)加以確定。另外，還應(yīng)注意拋投時(shí)機(jī)的選擇。

［1］余文疇，盧金友.長(zhǎng)江河道崩岸與護(hù)岸［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［2］唐洪武，李福田，肖洋，等.四面體框架群護(hù)岸型式防沖促淤效果試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，2002，344(9):25-28.