銅陵長江公路大橋橋墩局部沖刷及安全防護實踐

一、概述

長江安徽段河道全長416km，沿江安慶、池州、銅陵、蕪湖、馬鞍山等地已建跨江大橋10 座。在河道內建造橋墩，距橋墩一定范圍內會形成壅水和沖刷,對河道及岸坡穩定可能造成不利影響，且近堤段橋墩樁基礎施工，對堤防滲流穩定可能產生影響，從而影響大橋安全運行和防洪工程安全。因此，在河道管理范圍內新建橋梁時，應對建橋造成的不利影響采取相應補救措施。對于發生了沖刷危害、需防護加固的橋梁，由于橋墩局部沖刷的影響因素多，往往需要結合實際情況選擇防護方法和對策，再運用河工模型試驗和經驗公式進行復核。

銅陵長江公路大橋位于長江銅陵河段羊山磯下游約600m 處，左岸對應樅陽江堤樁號63+870 處。大橋于1991年開工建設，1995年建成通車，是當時世界上同類型大跨徑橋梁第3 位，也是安徽省境內第一座長江大橋。大橋建成運行數年后，根據監測分析，靠近左岸側主3 號橋墩基礎周圍局部沖刷嚴重,已接近設計沖刷允許值,其余橋墩局部沖刷相對穩定。為保證大橋安全運行,防止遭遇長江大洪水時局部沖刷進一步擴展，建設單位對主3 號橋墩周圍實施了安全防護工程，并對左岸不利影響段岸坡進行了防護。

二、銅陵長江公路大橋橋墩局部沖刷及影響

1.主3 號橋墩基礎結構

銅陵長江公路大橋全長2592m，其中跨江主橋長1152m，采用主跨432m 雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，跨江主橋下部設8 墩7 孔，橋跨80+90+190+432+190+90+80（m），墩位從合肥往銅陵方向依次編號，即主1 ～主8 號橋墩。主3 號橋墩基礎采用10 根樁徑2.8m 鉆孔灌注樁，樁基礎外側設外徑24.8m 雙壁鋼圍堰，鋼圍堰采用水下混凝土封底，底部高程-36.6m（黃海基面，下同），頂部直接澆筑橋墩承臺，高程-3.3m，橋梁上部荷載由樁基礎、鋼圍堰及河床基礎共同承擔。根據設計要求，大橋正常運行期間，橋墩鉆孔灌注樁外側的鋼圍堰底部高程-36.6m 不能被沖空。

2.主3 號橋墩沖刷情況

大橋水下基礎部分于1994年完工，由于橋墩阻水和擠壓作用，工程初建時在橋墩周圍河床產生了強烈局部沖刷，經過2 ～3年河床自動調整后，河床沖淤趨于穩定，并經歷了1998年、1999年長江大洪水考驗。自三峽水庫建成運行后，長江安徽段水流含沙量大幅度減少，含沙量減少約70%，清水下泄明顯，河道沿程沖刷呈加快趨勢，橋墩附近河床產生了局部沖刷引起新的相對沖淤動態平衡，致使主3 號橋墩基礎周圍形成沖刷坑。主3 號橋墩周圍工程前河床高程-14.6m，1994年9月河床高程-30m，1995年7月河床高程-31m，1999年4月河床高程-30m，2002年5月河床高程-33m，2012年8月河床高程-34.9m，2013年8月河床高程-33.7m。如遇長江大洪水繼續沖刷，將嚴重影響大橋安全運行。

3.沖刷對岸坡穩定影響

河道中建設橋墩，橋墩沖刷對兩岸岸坡穩定的影響，與工程所在河段河勢情況、地質條件、橋墩距岸邊的距離及岸坡現狀等因素有關。銅陵長江公路大橋位于長江銅陵河段進口單一段，該段河道寬1.1km，其上游大通河段和悅洲左、右汊分流比近幾十年來變化甚微，左右兩汊水流匯流進入銅陵河段主流位置也相對穩定，受右岸羊山磯節點控制，多年來銅陵河段進口單一段深泓線靠河道右緣走向基本穩定。根據水下地形監測資料分析，大橋建成運行后，左岸橋軸線上游200m 至其下游2100m 范圍內河床沖刷退移，河床由“V”型變成“U”型，斷面面積增大,沖刷集中在高程-5.0m 至河床深槽之間，最大沖刷退移250m，最大刷深19m；橋軸線以下-30.0m 深槽向左擴大了150 ～250m，槽尾部向下延伸擴大約300m。左岸岸灘表層為薄層亞粘土層及淤泥質亞粘土，土層呈軟塑至流塑狀，岸坡抗沖能力較差,高程0m 以下岸坡較陡，局部陡坡坡度1 ∶2.0，處于臨界狀態。如不采取適當防護措施，有可能引起崩岸險情，影響附近橋墩安全。

三、橋墩安全防護

由于主3 號橋墩周圍沖刷嚴重，河床地形復雜，現有經驗公式難以精確計算，橋墩安全防護方案配合河工模型試驗確定，并由此觀測防護效果及后期河床發展趨勢。

1.防護型式比選

橋墩沖刷防護主要有消能減沖和護底抗沖兩種型式。由于橋墩局部沖刷的破壞，常規消能減沖措施（如防護樁群等）施工難度大，工程效果難以保證。擬采用護底抗沖措施。

護底抗沖措施是利用拋石、砂袋、砂枕、混凝土、軟體排等結構對橋墩基礎周圍進行防護，以抵擋橋墩前沖擊水流產生的底部向下漩流，達到明顯折減最大沖刷深度。常用的橋墩防護型式主要有：籠石防護、砂枕防護及水下鋼筋混凝土防護等。籠石防護是在橋墩周圍拋填格賓網籠石進行防護；砂枕防護在橋墩周圍采用“砂枕+袋裝級配碎石+護面塊石”三層防護體系進行防護；水下鋼筋混凝土防護在橋墩周圍形成一道完整鋼筋混凝土護坦。由于工程區常年水深約40m，現有水下鋼筋混凝土防護施工難以完成。綜合施工條件、防護效果、后期維護等因素，按照籠石防護和砂枕防護兩種型式開展了河工模型試驗，依據河工模型試驗成果，推薦采用砂枕防護方案，并建議防護區域頂面高程調整至-28.0m，防護效果最佳。

2.防護措施確定

為使防護區域與現有河床平順銜接，依據最新的水下地形測圖劃定防護范圍，將主3 號橋墩周圍-30.0m 等高線范圍納入防護區域，平面形成84.8m×104.8m（垂直水流方向×順水流方向）矩形防護區域，即沿橋軸線方向橋墩鋼圍堰以外西側20m、東側40m，垂直橋軸線方向橋墩鋼圍堰以外上下游各40m。防護平臺范圍內河床高于高程-28.0m，平臺直接與現有床面相接，河床低于高程-28.0m，按1 ∶3 坡比與現有河床相接，防護平臺總面積7617m2（不含橋墩）。工程結構按照實際經驗確定為：砂枕將沖刷坑填平至高程-30.5m，層厚1～3m；袋裝級配碎石層拋厚1m；護面塊石拋厚1.5m。

3.防護措施實施

由于橋墩部位水流條件復雜，傳統的水下拋投方法，無法在橋墩周圍形成完整的防護區域。為使施工材料精準拋填到指定位置，達到設計標準，將砂枕和袋裝級配碎石盛放于網兜，護面塊石制作成格賓網籠，尺寸均為1.5m×1.5m×0.5m，采取水上吊放、水下到位脫鉤的施工方法。拋投作業時，按照自上游向下游拋投順序，分砂枕、袋裝級配碎石、護面塊石三個工序，每個階段拋填完成后，立即進行水下測量，控制拋填范圍及拋填厚度符合設計要求后，再進行下道工序。

四、岸坡防護工程

本次岸坡防護工程的范圍、厚度等參考類似工程經驗確定，同時應滿足相關規范要求。

1.防護型式比選

岸坡防護包括水上護坡和水下護腳。長江中下游常用的護坡型式有預制塊護坡、干砌塊石護坡、漿砌塊石護坡及鋼絲網石籠護坡等。由于預制塊購置方便，外形美觀、施工進度快，防護效果好等優點，推薦采用預制塊護坡。護腳結構有拋石、混凝土鉸鏈排、模袋混凝土、模袋砂等。混凝土鉸鏈排整體性強，能有效抵御水流淘刷，護岸效果好，使用壽命長，但這種結構對河床岸坡平整度要求較高，且岸坡不宜陡于1 ∶2.5，岸坡較陡時易整體滑動。模袋混凝土、模袋砂是在模袋內充灌混凝土、水泥砂漿或砂，模袋混凝土適應河床變形能力差、易發生斷裂，模袋砂能較好適應河床變形能力，但遇拋錨等情況容易損壞。拋石護腳是長江中下游普遍采用的一種護岸結構型式，由于取材容易、施工簡單，與河床的適應能力好，被廣泛采用。目前安徽省長江上的大橋岸坡防護工程均采取拋石護腳，運行情況良好。推薦采用拋石護腳。

2.防護范圍確定

根據安徽省長江河道上大橋防護工程的實踐，大橋上游岸坡防護長度可取主橋墩距岸邊距離1～2倍，下游岸坡防護長度可取橋墩距岸邊距離的2～4倍，當岸坡較緩且主橋墩離岸邊較遠時取小值，否則取大值。銅陵長江公路大橋主3 號橋墩距離岸邊約250m，根據監測資料可知，左岸大橋上游200m 至其下游2100m 沖刷退移，結合實際情況，確定岸坡防護范圍為橋軸線上游200m 至其下游500m。

3.岸坡防護方案

岸坡防護寬度遵循從灘頂（或堤頂）至近岸深槽，當深泓線距離岸邊較近時，護至深泓部位當深泓線距離岸邊較遠時，護至1 ∶3～1 ∶4 緩坡處。

護坡與護腳以設計枯水位為分界線，設計枯水位利用相鄰的大通站和蕪湖站12月至次年2月多年水位的平均值，采用直線內插推算為3.23m。護坡由封頂、坡身、腳槽組成,護坡頂部至灘頂,腳槽高程依據設計枯水位確定，為便于施工，腳槽可高于設計枯水位0.5～1m。長江干流新護段拋石護腳厚度宜采用1.2～1.8m，自岸邊向江中逐漸增厚，拋石前沿拋防沖備填石，一般15～25m3/m。結合工程段岸坡情況，確定水下拋石護腳均厚1.2m、拋寬80m。經復核，工程實施后岸坡穩定滿足規范要求。

五、結語

銅陵長江公路大橋主3 號橋墩安全防護和岸坡防護工程于2015年建設完成。通過近年來監測分析，主3 號橋墩局部沖刷得到控制，左岸岸坡穩定，工程效果明顯，可為長江干流類似大橋工程除險加固提供借鑒■