水運工程規范在橋梁防沖刷方面的應用
——開陽高速公路那龍河大橋沖刷防護工程探討

◎ 王海林 中交第四航務工程勘察設計院有限公司

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水運工程規范在橋梁防沖刷方面的應用
——開陽高速公路那龍河大橋沖刷防護工程探討

◎ 王海林 中交第四航務工程勘察設計院有限公司

橋區沖刷是經常出現的工程問題，威脅橋梁安全急需解決。但目前國內尚無這方面的規范、標準，本文結合工程實例將水運工程相關規范及工程經驗引用至橋梁沖刷防護。

水運 工程 橋梁 沖刷

1.沖刷防護工程簡介

1.1工程概況

那龍河大橋是開陽高速公路陽東段的一座跨河大橋，橋長229.4米，橋臺基礎為鋼筋砼鉆孔灌注樁基礎。河段無通航要求。2#～11#墩位于河床內，沖刷較嚴重，河床斷面以平均每年60～70cm的速度下切。為保證橋墩處土層不再被沖刷，從而地基能對樁基提供足夠的摩擦阻力，保證橋梁安全，需要對2#～11#橋墩進行防沖刷處理。

1.2沖刷情況分析

綜合分析各種因素，那龍河大橋橋墩沖刷的原因主要有以下幾點：

（1）橋墩自身引起水流流態局部變化引起沖刷，水流經過橋墩附近時，水流大致分為表面渦流、向下射流、馬蹄形渦流、尾跡渦流，其中以向下射流與馬蹄形渦流為造成橋墩局部沖刷之主因。

（2）由于上游2000m處的水利工程的建設，攔截了其上游流域的泥沙，使向下游河段的輸沙量減小，增大了下游水流的挾沙能力。攔河壩離大橋較近，當開閘放水時，橋區水流流速較急，水流的沖刷能力較強，橋區沖刷強度較大。

（3）河道挖沙所造成的河道不規則變形引起沖刷。采砂使河床局部變形，打破了水沙運動的平衡，水流流態變化引起溯源沖刷，進而導致河床全面調整，影響河床穩定。

2.水運工程在沖刷防護中的應用

2.1防護思路

橋墩沖刷防護工程的功能是在設計的水動力條件下為橋墩樁基與原狀土共同作用提供保障。本工程具有搶險性質，設計主要遵循以下原則：沖刷防護結構安全可靠，耐久性強；沖刷防護效果滿足使用功能和設計標準；合理確定防護范圍、平面布置和防護結構，確保經濟合理；應考慮施工中不可避免的不均勻性對防護效果的影響；設計方案簡潔明了，施工環節少；就地取材，備料容易；選用常用施工工藝，船機、設備調集方便；動態設計：鑒于橋墩處沖刷情況的不斷變化，根據沖刷防護監測結果，合理地調整設計。

本次防沖刷工程結構方案設計從地形條件、施工條件、工程造價等多方面進行考慮，選定拋石防護。目前積累了不少工程經驗，比較成熟，但很少運用規范規程依據。

2.2防護方案

2.2.1平面分區

本工程沖刷防護范圍為2#～11#橋墩。在河流方向防護寬度為80 m，橋軸線方向防護總寬度為160m。整個防護區域分為核心區及護坦區，核心區布置于每個橋墩四周6m×40m，10個橋墩核心區面積共2400m2。其余防護范圍均為護坦區，即橋墩與橋墩之間以及防護區域的上下游段，護坦區面積共10400m2。本次工程合計總防護面積約1.28萬m2。如圖1。

2.2.2結構設計

橋墩局部沖刷防護采用“護底塊石+級配石層+護面塊石層”的防護結構。2#～6#橋墩處于河流主河道，防護塊體順應河床走勢，因此不需進行整平，以盡量減小對河流形態的影響；7#～11#橋墩處于河流非主河道，河床起伏不大，需先順應現有河床整平成斜面后再鋪填防護結構。整個防護區域沿水流方向外側10m均要做厚度為0.5m、寬度為10m的護底。

圖1　

2#～6#橋墩直接在河床面40m×80m范圍內覆蓋一層0.5m厚的混合級配碎石（規格為50～150mm），其倒慮作用可防止河床泥沙及裝砂袋年久老化后的中粗砂被河水淘走流失。最上層整個防護范圍內覆蓋1m厚的30～100kg護面塊石，護面塊石沿核心區邊沿以1∶10的緩坡過渡至護底，其余邊坡均為1∶3。

7#～11#橋墩河床整平后，核心區在河床面覆蓋一層0.5m厚的混合級配碎石（規格為50～150mm），上層覆蓋1m厚的30～100kg護面塊石，護面塊石沿核心區邊沿以1∶10的緩坡過渡至護底，其余護坦區均為1m厚的10～100kg護面塊石，因護坦區下面因為沒有級配碎石，所以塊石的最小規格要有所下降，取為10～100kg護面塊石。

橋墩局部沖刷后均有馬蹄形坑洞，在坑內填充碎石，填充至與周邊河床齊平。如圖2。

2.3設計要點

近年來，很多學者及工程實際都對影響拋石防護效果的各種特征參數，如拋石中值粒徑D50、布設高度h、拋石厚度t、拋投范圍c 和拋石級配等進行了研究，本文將水運工程相關規范條文引入橋梁樁基沖刷設計，使方案更有依據和指導性。

（1）拋投范圍。根據大量的參考文獻及工程實踐經驗，防沖刷的范圍較廣，結構的整體穩定性較好，對地形的適應性強，減小了橋墩處的水流流速，水流沖刷后，河床上的大塊石逆水上移，減少了沖深，最大沖深點所在位置遠離墩樁，增強了核心區塊石的穩定性。因此橋墩防護的范圍越廣，防護的整體穩定性越好，效果越佳。一般防護的范圍不小于2倍橋墩尺度，常用3～7倍橋墩尺寸。考慮工程投資的影響，本工程防護范圍有所限制，河流方向防護寬度為80 m，橋軸線方向防護總寬度為160m。

（2）塊石規格。水運行業中有幾本規范均對水流與塊石規格的關系進行了規定：《航道整治工程技術規范》（JTJ312-2003）及《港口及航道整護岸工程設計與施工規范》（JTJ300-2000）中，水流流速大于3m/s時，d=0.04×（建筑物最大表面流速）2。《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）中，

圖2　

這些規范中塊石的粒徑都是與流速的平方成正比。

《防波堤設計與施工規范》（JTS154-1-2011）中對于護底塊石的穩定重量，當最大底流速為2m/s時塊石的穩定重量為60kg，當最大底流速為3m/s時塊石的穩定重量為150kg。

根據流速資料并結合幾年洪水期殘留塊體考察，本次外層塊石的取100kg。為了防護體更密實堅固，要求級配良好，兼顧下層級配塊石的粒徑，每種材料粒徑層層相扣才能有效地防止淘刷。由此塊石粒徑的下限取為30kg。施工時應注意，外層安放較大的塊石。

（3）塊石厚度。根據工程經驗，塊石厚度一般為3～5層，相關研究表明拋石層越厚，結構整體性越好，防護效果也就越佳。按照100kg塊石厚度約1m，考慮橋區水深流急，為加強防護效果，適當加大，但厚度過大，則減小了過水斷面，引起二次副流，因此給予適當加大，取為1.2m。

（4）級配碎石厚度。《港口及航道整護岸工程設計與施工規范》（JTJ300-2000）中規定級配碎石位于水上不小于0.4m，水下不小于0.6m。水上水下的區別主要考慮施工的誤差，本工程河水很淺，在枯水季節幾乎無水，因此取0.5m可以保證級配碎石的反濾作用。

（5）級配碎石粒徑。粒徑范圍應根據下層要防護河床砂的粒徑。根據工程經驗，當不均勻系數＜5則級配較差，不均勻系數＞10時則級配較好。本工程設計級配碎石的中值粒徑D50 為100mm左右，要求50～100mm的級配碎石占50％，100～150mm的級配碎石占50％。

（6）質量標準。由于國內尚無針對河床沖刷防護的正式的施工規范、規程和質量檢驗評定標準，本工程設計參照交通運輸部《水運工程質量檢驗標準》（JTS257-2008）的相關條文規定執行。本工程對各結構層按以厚度控制為主，以高程控制為輔的原則進行驗收，并提出標高、厚度及邊線位置等的允許變差值。

2.4防護效果

那龍河大橋實施后經過洪水的考驗，根據現場勘察結果，由于設計方案較為合理，橋區防護效果很好，有效地保護了樁基，保證了橋梁的安全。

［1］航道整治工程技術規范（JTJ312-2003）.

［2］港口及航道整護岸工程設計與施工規范（JTJ300-2000）.

［3］堤防工程設計規范（GB 50286-2013）.

［4］防波堤設計與施工規范（JTS154-1-2011）.

［5］水運工程質量檢驗標準（JTS257-2008）.