世界桥梁2019年第47卷第4期（总第200期）17东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究 陈述
（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430052）
摘要：受长江、钱塘江来水来沙和人类活动的影响，东海大桥所在水域海床发生普遍冲刷，桥墩周围发生较大局部冲刷$为防止海床进一步冲深，保证该桥运营安全，对桥墩基础冲刷防护方案进行研究$根据自然条件和工程特点，主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案；采用失效风险方法进行比选，确定周边防护区采用复合材料勾连体的防护方案$以该桥某桥墩为例，依据相关规范和研究成果，提出桥墩基础具体冲刷防护方案，开展先导性物理模型试验，依据试验结果及工程实际对防护方案进行优化$结果表明：铺设3层复合材料勾连体时防护结构整体稳定性更强，防护区内形成淤积，促进了防护体与海床的结合，对主体防护区稳定起到积极作用；优化后的防护方案总体能够满足桥墩基础冲刷防护要求$ 关键词：东海大桥；桥墩!冲刷；复合材料勾连体；先导性物理模型试验；防护方案
中图分类号：U443.2；U442.32文献标志码：A文章编号：1671—7767（2019）04—0017—05
1引言
在需要跨越河流、河口甚至海湾建设桥梁时，桥梁基础受到水流、波浪和潮汐等综合作用，桥墩局部冲刷情况变得非常复杂）12$研究表明，海洋环境中的桥墩局部冲刷机理、冲刷坑形态和冲刷过程与径流作用时有较大区别，最大冲刷深度预测难度较大$韩海骞等3认为径流较潮流条件下的桥墩冲刷深度减少20%〜30%，且最大冲刷深度位置变化较大；Han等4研究表明，最强动力条件一致时，潮汐往复流与径流条件下的最大冲刷深度基本一致，但达到冲刷平衡时间更长；Qi等5发现由波浪引起的向上渗流可能会削弱周围沙土的单位浮力，使砂层更容易受到冲刷$针对跨越河流的桥梁基础冲刷防护，戴荣尧等］6对实测数据和试验资料进行分析，在确定水流底部漩辐影响范围的前提下，建立了局部冲刷防护范围计算公式；蒋焕章7通过试验研究了局部冲刷坑在墩头前缘和两侧的宽度计算，提出了局部冲刷防护范围计算公式$上述成果可作为研究跨海桥梁基础冲刷防护范围的参考$
针对桥梁基础局部冲刷防护措施，Chiew等8按防护机理将其分为2类，一类是采用增加周边床面抗冲能力的防护措施进行防护，另一类是减小水流冲刷力的工程措施达到防护目的$Tafarojnoruz 等9研究发现，防护措施不当甚至可能造成负面效果$高正荣等）10*、贾界峰等⑴*及樊俊生通过对苏通大桥防护方案研究，提出拋投袋装沙作预防护和运用下沉护坦原理作为冲刷防护设计理念，以及平面设计分区方法和纵向分层防护结构$近年来，国内外的研究者提出了一些新的空间透水框架防护结构，如房世龙等）13*在对传统防护工程措施进行优缺点比较的基础上，着重对四面体透水框架防护方法进行了介绍；魏祥等）14*在对国内外岸滩防护工程调研基础上，通过模型试验对勾连体基本结构特性进行
系列研究，认为勾连体铺设2层以上时整体勾连效果显著，孔隙率能够达到90%以上$目前，拋石防护因其取材便利、施工简单、造价较低等特点，在跨越河流的桥梁基础局部冲刷防护工程中得到了较广泛的应用，但适用于具备深水、强浪、潮汐、腐蚀等特征的跨海桥梁基础的局部冲刷防护措施则相对少见$
本文在对国内外研究成果整理分析的基础上，结合东海大桥工程海域自然条件和防护工程特点，对桥墩基础冲刷防护方案进行研究$
2工程概况
东海大桥建于2005年，起始于上海浦东新区芦潮港，至浙江省嵊泗县小洋山岛，全长约32.5km，是我国第一座跨海大桥$桥梁下部为高桩承台结构，桩基为PHC管桩和钢管桩$大桥所在海床属于长江口水下三角洲南翼向海延伸部分，地质以粘土质粉砂和粉砂质粘土为主，中值粒径在0.004〜0.018mm之间$根据验潮站和实测资料分析，该
收稿日期2018—11—05
作者简介：陈述（1983—），男，高级工程师,2004年毕业于武汉大学港口海岸及治河工程专业，获学士学位（E-mail chens@brdi）$
18世界桥梁2019,47(4)反间谍
海域潮汐属非正规浅海半日潮，多年平均潮差约为3m，大潮垂线平均流速可达2m/s，受台风影响最大波高可达7m，平均含沙量约1.0kg/m3$大桥既受潮汐、波浪的影响，同时还受钱塘江和长江径流下泄以及人类活动的影响，海域床面冲刷严重$ 2002年至今，大桥管理单位组织对大桥桥墩的海床进行了9次扫描，经分析，大部分桥梁基础周围出现了明显的冲刷现象，桥墩处普遍冲深在5〜10 m（见图1）$为防止桥墩处海床面冲刷进一步发展而影响到大桥整体结构安全，需尽快实施东海大桥冲刷防护工程$
3桥墩基础冲刷防护方案比选
桥墩冲刷防护类型种类繁多，根据该工程自然条件和防护要求，结合类似防护工程经验）15*，认为通过铺设护底材料增加桥梁基础周围海床的抗冲能力，同时降低水流流速以减小床沙淘刷的防护思路是合理的$考虑到在冲刷坑抛填时应避免施工过程中对桥梁桩基和牺牲阳极块产生损坏等因素，保证工程实施的安全性和可行性，推荐冲刷坑主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案$复合材料勾连体系是一种开放式空间框架结构，由复合材料圆管灌注混凝土而成，耐腐蚀、受力、透水性能好，在体勾连状态下防护结构整体稳定性强$采用失效风险（Failure Risk，简称FR）方法，对于周边防护区的防护措施，引进复合材料勾连体防护，对周边防护区采用复合材料勾连体与抛石防护进行比较（见表1）$
桥墩编号
（a）大桥西侧
桥墩编号
（b）大桥东侧
图1东海大桥冲刷现状
表1抛石防护和复合材料勾连体防护比较
防护类型水毁方式
剪切破坏抛石防护卷扬破坏
边缘破坏复合材料勾连体整体溃败
水毁影响
抛石被水流冲走
盛泽疫情泥沙通过抛石之间的空隙被冲走
抛石层边缘失稳
防护体被冲散，失去整体勾连性,
个体发生位移
监测方法
抛石位置移动
抛石下方存在淘刷空间
抛石位置移动
勾连体的位置发生移动
维护手段
扩大抛石范围或者增加抛石厚度
优化级配采用土工织布作为滤层
在抛石边缘设置护坦
增加单个构件自重、优化杆件受力
性能或增加单位面积勾连体数量
防护工程成功与否主要与防护类型水毁可能性、水毁后的影响（包括生命安全与经济损失）、监测难易及维护成本等有关$防护工程的失效风险主要从防护失效造成的结果、防护失效发生的概率及监测的难度3个方面进行评价$对不同影响因素的敏感性进行赋值，各因素的敏感性按等级分为1〜10，其中防护失效造成的结果按照影响较小、适中、中高和高分为4个风险等级，取值分别为1、4、7和10；防护失效发生的概率按照不可能、可能性小、可能和可能性大分为5个等级，取值分别为2、4、6、8、10；监测难度按照简单、一般、较难和困难分为4个等级，取值分别为1、4、7和10$其值越小则防护工程水毁的风险越小，反之亦然$定义FR为防护工程的失效风险「9*，即：
FR$%（X1&2，…，X Q（1）式中，X1&2，…，X”为防护类型的各影响因素$抛石防护相比复合材料勾连体防护可能会带来更高的运营维护成本，且抛石防护的整体性相对较差，工程量相对较大）16*$结合环保方面要求，抛石防护失效造成的结果赋值大于复合材料勾连体防护，分别为7与4；对于
失效发生概率，抛石防护与复合材料勾连体防护分别赋值6与4；对于监测难度，抛石防护涉及到底部淘刷泥沙的问题，需要泥沙取样分析，监测难度较大，抛石防护与复合材料勾连
奔豚症东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究陈述19
体防护分别赋值为7与4。根据公式(1)，对不同部分赋值进行相乘，得到抛石防护措施的失效风险为294，复合材料勾连体防护的失效风险仅为64，认为复合材料勾连体防护相对较优。
综上分析，防护工程分为主体防护区和周边防护区。主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案，其中袋装碎石作为主要填充冲刷坑材料，可起到改善桥梁基础受力、增加海床抗冲能力以及一定的反滤层作用；袋装混凝土干混料在入水凝固后，主要起到抵抗表面水流冲刷和压载袋装碎石的作用。周边防护区采用铺设复合材料勾连体的防护方案，可降低桥梁基础附近水流流速和水流挟沙能力，达到减速促淤的效果。
4桥墩基础冲刷防护设计
4.1初步设计
以东海大桥某处桥墩为例，进行桥墩基础冲刷防护初步设计。防护工程的设计标准为100年重现期波浪与最大可能流速的共同作用，并考虑桥墩桩及防护工程压缩水流导致流速增大的影响，设计流速取2.4m/s。依据《防波堤设计与施工规范》(JTS154—1—2011)等相关规范和常用方法，综合考虑工程偏安全等方面，袋装混凝土干混料按单个重量150kg填装，换算成粒径为40〜50cm，抛投厚度取3〜4倍中值粒径，即1.5m。袋装碎石选用粒径为10〜40mm的碎石，按单袋重量30kg填装。该构件作为反滤垫层，防止原冲刷坑底的河床受紊流作用被淘刷，同时可减缓冲刷坑区域的坡度，有利于周边防护体的整体稳定。结合桩基础受力计算结果，主体区域防护顶面高程确定为一20.5m。根据局部冲刷防护范围公式囚计算结果，结合实际冲刷坑地形和相关试验研究成果囚，初步提出周边防护区范围在主体防护区以外12〜15m，复合材料勾连体层数不少于2层。
4.2先导性物理模型试验
为验证上述桥墩冲刷防护初步设计的可行性，采用先导性物理模型试验)17*进一步研究。首先按重力相似准则设计模型并开展防护结构稳定性物理模型试验。复合材料勾连体采用含锌钢丝模拟制作，袋装碎石和袋装混凝土干混料采用棉布袋内填碎石模拟制作。试验中模拟潮流及波浪，水槽底床铺设天然沙模拟动床。试验结果表明，在100年重现期波浪与最大可能流速的共同作用下，铺设2层复合材料勾连体时，有部分勾连体脱离体发生相互勾卷成团，铺设3层复合材料勾连体时，有个别勾连体发生位移，整体勾连效果显著，稳定性好。这说明随着勾连体铺设层数或单位面积个数的增加，勾连体的整体稳定性随之增强。同时，由于周边复合材料勾连体的防护效果显著，主体防护区抛填的袋装碎石基本稳定，未发生位移。桥墩冲刷防护物理模型试验如图2所示。
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(b)3层复合材料勾连体试验
图2桥墩冲刷防护物理模型试验
按泥沙起动相似原则设计模型，开展防护结构局部冲淤试验。模型沙采用天然沙，满足水下休止角相似原则。试验中模拟潮流及波浪，水槽底床铺设天然沙模拟动床。试验结果表明，在100年重现期波浪与最大可能流速的共同作用下，复合材料勾连体区与海床面结合后，在防护结构外侧边缘呈现一定冲刷态势，复合材料勾连体防护区域内会形成淤积。泥沙淤积现象对勾连体和海床的结合起到了促进
作用，对袋装碎石区的稳定也起到了相应的保护作用。复合材料勾连体能够减小水流紊动强度，使通过防护区域的水流流速及挟沙能力降低，从而促使泥沙落淤，促使防护结构能更好地与泥面交结，增强床面抗冲能力，达到减小河床冲刷的目的。根据试验结果，总体认为该防护设计能够满足该桥墩冲刷防护的需要。
43设计优化
根据先导性物理模型试验结果，结合实际冲刷
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世界桥梁 2019,47(4)
坑地形和工程情况，对桥墩基础冲刷防护设计进一 步优化，推荐主体防护区内一22 m 高程以下区域抛 投袋装碎石，自一22 m 高程抛投1.5 m 厚的袋装混
凝土干混料，同时保证主体防护区内一20. 5 m 高程 以上区域抛投至少1. 0 m 厚的袋装碎石。自主体
防护区向外横桥向15 m 、顺桥向12. 5 m 为周边防 护区，该范围内抛投3层复合材料勾连体(见图3)。
洋山港
3层复合材料勾连体
+4. 50
>1.86(平均高潮位) 呈辛+0. 23(平均潮位) 二.34(平均低潮位)
袋装干混料1. 5 m 厚 袋装碎石
芦潮港
12 500 十 28 740 十 12 500
冲刷坑两侧防护区 冲刷坑防护区
冲刷坑两侧防护区
53 740分区长度
总长度
(a)立面
湾 州
杭-洋山港
(b)平面
港
芦
43 207
冲刷坑防护区
73 207
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总长度
擲坐凶
O
尺寸单位：mm 标高車位：m
图3桥墩冲刷防护布置
上述方案已应用于冲刷情况较严重的典型桥墩
处，现场初步监测数据表明，该方案总体防护效果 良好。
5结论及展望
(1) 通过对海床地形实测资料分析，东海大桥
大部分桥墩基础周围出现了明显的冲刷现象，为防
止桥墩处海床面冲刷进一步发展而影响到大桥整体
结构安全，需尽快实施冲刷防护工程。
(2) 在对相关研究成果和类似工程分析的基础
上，结合该工程自然条件和防护要求，通过失效风险 的方法对比分析后，提出了一种耐腐蚀、稳定性和受
力特性更好的复合材料勾连体与抛石相结合的防护 措施$
(3) 以东海大桥某处桥墩为例，依据相关规范
和研究成果，提出了初步防护设计方案并开展先导 性物理模型试验研究。结果表明：铺设3层复合材 料勾连体时整体勾连效果显著，防护结构稳定性强，
复合材料勾连体能够减小水流紊动强度，使通过防
护区域的水流流速及挟沙能力降低，防护区内形成 淤积，促进了防护体与海床的结合，对主体防护区稳
定起到积极作用，总体效果良好。
(4) 根据先导性物理模型试验结果和实际工程
情况，选取冲刷较严重的典型桥墩，按优化后的防护
方案进行施工，现场初步监测数据表明，本文提出的
方案总体防护效果良好。下一步将继续加强现场监 测，总结工程经验，进一步优化设计及施工方案，为
东海大桥后续防护工程和其它类似工程提供参考。
参 考 文 献：
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Study of Scouring Protection Schemes for
Pier Foundation of Donghai Bridge
CHEN Shu
(China Railway Major Bridge Reconnaissance&Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan430052#China)
Abstract：Due to the influence of flowing water and sands from the Changjiang River and the Qiantangjiang River and human activities#the seabed in the water area where the Donghai Bridge is located has been widely scoured#and the piers have exposed to great local scouring.To protect the seabed from being further scoured and ensure the operational safety of the bridge#the scouring protectionschemesforthepierfoundations werestudied Accordingtothenaturalenvironment andcharacteristicsoftheproject#theprotectionschemeofpilingupbaggedrubblesandbagged dryconcretemixture(theconcretebagsareontherubblebags)atthe mainprotectionarea was chosen The failure risk evaluation was carried out#aiming to make comparisons of schemes#and theprotectionofusingcompositematerialsconnexionforthesurroundingprotectionareawasde6 termined A pier of the bridge was cited as an example Basedontherelativecodesandresearch findings#aspecificanti6scouringschemeforthepierfoundation wasproposed Thepilotphysical modeltestwasdone#basedontheresultsofwhichandtheconditionoftheactualengineering#the protectionscheme wasoptimized The results show that the integral stability of the protection structurewasstrongerwhenthreelayersofcompositematerialsconnexionwerelaid Thecompos6 itemater
ials were fi l ed up in the protection area#promoting the combination of the protection structureandtheseabed#which wouldplayanactiveroleinsustainingthestabilityofthe main protectionarea Theprotectionschemeafteroptimizationcangenera l ymeettheanti6scouringpro6 tection requirements of the pier foundation.
Key words:Donghai Bridge；pier%scouring；composite materials connexion；pilot physical model test；protection scheme
(编辑：陈雷)
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