高正榮，楊程生，唐曉春，俞竹青

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024; 2.江蘇省水文水資源勘測局 蘇州分局，江蘇 蘇州 215006)

大型橋梁沖刷防護工程損壞特性研究

高正榮1，楊程生1，唐曉春2，俞竹青1

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024; 2.江蘇省水文水資源勘測局 蘇州分局，江蘇 蘇州 215006)

以蘇通大橋為例，通過模型試驗和沖刷防護工程及周邊河床地形的長期監(jiān)測開展了大型橋梁沖刷防護工程的損壞特性研究。研究結(jié)果表明，大型橋梁沖刷防護工程存在兩種損壞形式：防護工程防護區(qū)面層沖刷損壞和防護工程護坦邊坡坍塌損壞；防護工程的破壞主要發(fā)生在防護工程后1～2年內(nèi)。提出了以“損壞率”和“穩(wěn)定邊坡”分別表示兩種不同類型的破壞指標(biāo)。同時，提出了防護工程“成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線”概念，為監(jiān)測沖刷防護工程穩(wěn)定性制定定量目標(biāo)。研究結(jié)果還表明，在防護體穩(wěn)定后，防護區(qū)呈“洪季淤積、枯季沖刷”特點，這一變化對防護體穩(wěn)定影響有限。研究結(jié)果為類似工程設(shè)計、監(jiān)測、維護和相關(guān)研究提供參考。

沖刷防護工程；損壞形式；長期監(jiān)測；模型試驗；損壞率；面層沖刷；邊坡坍塌

Abstract:Taking Sutong Bridge as an example,long-term monitoring on scour protection engineering and riverbed terrain and model test are applied to study the failure mechanism of scour protection engineering.The results show that there are two forms of failure in scour protection for large bridges in tidal reach,which are erosion on surface and collapse of slope of aprons; and they usually occur in 1 to 2 years after engineering acceptance.Damage rate and steady slope are suggested for failure index for two forms of failure respectively.Meanwhile,shaping security reference line is proposed based on results of long-term monitoring.When the size of protection engineering is less than the shaping security reference line,failure would take place.Moreover,the results also show that changes of protection zone are caused by sediment erosion or siltation on surface after engineering adapted with surrounding current and terrain; and these changes have no significant effect on stability of protection engineering.The research results can provide references for bridge design and related studies.

Keywords:scour protection engineering; damage in the form; long-term monitoring; model experiment; breakage rate; surface scour; slope collapse

長江河口地區(qū)由于江面寬闊、水流條件異常復(fù)雜，因此在該河段興建大型橋梁工程，橋墩基礎(chǔ)安全問題尤為突出。蘇通大橋位于長江河口地區(qū)，見圖1，主墩基礎(chǔ)處水深流急，漲、落潮動力強勁且底質(zhì)抗沖性差，橋墩實施后基礎(chǔ)沖刷深度大。根據(jù)橋梁損毀情況統(tǒng)計，橋梁基礎(chǔ)沖刷是導(dǎo)致橋梁破壞的首要原因[1]。為提高蘇通大橋群樁橋基安全，其主塔墩實施了沖刷防護工程。Chiew[2]按防護機理把傳統(tǒng)的橋墩局部沖刷防護工程措施分為兩類：一類是實體抗沖；另一類是減速減沖。蘇通大橋根據(jù)橋墩自身特點以及其水文泥沙及底質(zhì)條件選擇了合適的實體抗沖防護措施[3-5]。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對橋墩局部沖刷防護措施研究較多[6-11]，橋墩實施防護工程后跟蹤監(jiān)測和相應(yīng)損壞機理研究甚少。Chiew[12]對拋石護底抗沖措施的結(jié)構(gòu)和破壞機理進行了研究，總結(jié)出拋石護底結(jié)構(gòu)的破壞機理由三部分組成：1)拋石剪力破壞：拋石重量不足以抵抗墩前向下水流和馬蹄形旋渦的綜合剪力作用，謂之剪力破壞；2)卷揚破壞：河床泥沙被向上紊動帶動，穿過拋石孔隙后卷揚流失，造成基層拋石坍塌，防止這種破壞要求設(shè)置合宜的反濾層；3)邊緣破壞：拋石層邊緣的不穩(wěn)定性以及邊緣河床泥沙易被沖刷成局部沖坑從而影響拋石層的穩(wěn)定性，防止這種破壞要求設(shè)置邊緣護坦。房世龍、陳紅就四面體透水框架群作為橋墩防護工程形式，進行了潰敗機理的試驗研究[13]，提出了四面體透水框架群的潰敗形式主要有整體潰敗和邊緣潰敗。江勝華等[14]對橋墩局部沖刷防護的塊石起動進行了研究，認(rèn)為墩前河床底部流速約為0.5倍的行進流速，墩側(cè)河床底部流速約為0.7倍的行進流速，橋墩兩側(cè)的防護塊石更易走失，使得橋墩拋石防護的損壞有了一定的認(rèn)識。楊程生等[3]根據(jù)2004～2006年的防護區(qū)地形資料對蘇通大橋沖刷防護工程進行了穩(wěn)定性分析。許映梅等開展了蘇通大橋沖刷防護工程及橋區(qū)河床河勢監(jiān)測研究工作[15]，重點研究了防護工程穩(wěn)定性、橋區(qū)河勢及橋軸線斷面變化情況。因此，國內(nèi)外學(xué)者對防護工程的損壞機理有了一定的認(rèn)識。本文通過蘇通大橋多年沖刷防護工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合前期防護工程模型試驗研究結(jié)果[16]，對防護工程的損壞形式進行了深入分析，揭示了沖刷防護工程的損壞形式，同時進行了損壞率計算和護坦區(qū)邊坡坍塌演變特征分析，探討了防護區(qū)面層沖刷和護坦區(qū)邊坡坍塌機理，提出了防護體穩(wěn)定定量分析方法，為工程設(shè)計、施工、維護和營運管理提供有力支撐。

圖1 蘇通大橋河段河勢Fig.1 The river regime of tidal reach

1 蘇通大橋橋墩沖刷防護工程及長期監(jiān)測

1.1沖刷防護工程基本情況

基于蘇通大橋河段水動力和河床底質(zhì)特點[4-5]，防護工程結(jié)構(gòu)型式采用袋裝砂+級配碎石+護面塊石三層防護，平面包括核心區(qū)、永久區(qū)和護坦區(qū)，北主墩防護尺寸280 m×380 m，南主墩280 m×350 m，總厚度3～4.5 m，級配碎石粒徑3～25 cm，其中3～10 cm、10～25 cm各占50%，護面塊石單塊穩(wěn)定重量不小于50 kg。南、北主墩防護方案平面布置見圖2和圖3。沖刷防護工程2003年7月開始，2004年7月結(jié)束。拋投方式主要采用開體駁船進行拋投施工，局部補拋采用浮吊定點吊拋，核心區(qū)施工平臺內(nèi)永久防護采用預(yù)留孔拋投和軌道定點拋投相結(jié)合的方式進行施工。

1.2主墩沖刷防護工程防護效果分析

蘇通大橋于2008年5月建成通車，其主墩基礎(chǔ)沖刷防護工程自2003年8月開始施工，2004年7月工程驗收。工程驗收后每年在汛前4月份和汛后9月份，分別對南、北主墩防護區(qū)700 m×700 m范圍實施多波束地形測量[17]。至2015年4月一共進行了27次測量。利用GIS技術(shù)[18]分析沖刷防護工程及其周邊地形沖淤變化、防護效果和防護工程穩(wěn)定性，總結(jié)了防護工程及其周邊河床的變化特點。

南主墩位于主航道深槽南側(cè),其周邊存在一層厚度為6.5～7.5 m的淤泥質(zhì)亞粘土,其抗沖性能[19]較好。南主墩沖刷防護工程實施后，有效地保護了南主墩周邊河床，減少了橋墩局部河床的沖刷，見圖4。

北主墩位于主航道深槽區(qū)北側(cè)，靠近主泓。地質(zhì)勘探表明，北主墩區(qū)域地質(zhì)以粉細(xì)沙為主，河床泥沙運動頻繁，易沖刷。北主墩沖刷防護工程實施后，有效地保護了主墩核心區(qū)河床，而北主墩防護體南、北兩側(cè)河床大幅沖刷，均形成10 m以上的沖刷溝，這種沖刷形態(tài)是典型的雙向流作用下的沖刷型態(tài)，與韓玉芳等的試驗研究結(jié)果較類似[20]。同時受潮流加劇的影響，北主墩防護工程的東北角深槽增深23.5 m，為涉水建筑物引起的沖刷和深槽演變自然沖刷兩種效應(yīng)之和，見圖5。

圖2 南主墩沖刷防護方案平面布置(mm)Fig.2 Layout of the scouring protection project of the south main pylon pier (mm)

圖3 北主墩沖刷防護方案平面布置(mm)Fig.3 Layout of the scouring protection project of the north main pylon pier (mm)

圖4 2003-08-11～2008-05-24建橋前后南主墩周邊地形沖淤變化(m)Fig.4 Topographic changes around the south main pier before and after construction of the bridge (comparison between 2003-08-11and 2008-05-24)

圖5 2003-08-11～2008-05-24建橋前后北主墩周邊地形沖淤變化(m)Fig.5 Topographic changes around the north main pier before and after construction of the bridge (comparison between 2003-08-11and 2008-05-24)

1.3沖刷防護工程營運期穩(wěn)定性分析

圖6和圖7分別為自大橋通車截至2014年9月營運期間南、北主墩防護區(qū)總體沖淤變化情況。營運期間南主墩防護區(qū)最大局部區(qū)域沖刷深度在4.6 m左右，位于南主墩上游的護坦和永久區(qū)的交界處，南主墩下游2 m以上的沖刷坑范圍較小?？傮w來看，沖刷區(qū)范圍占護坦區(qū)和永久區(qū)的面積比重甚微，見表1。南主墩各防護區(qū)內(nèi)85%以上的面積變化幅度在-1～1 m之間，局部區(qū)域也有2 m以上的淤積，沒有出現(xiàn)大范圍、大面積的沖刷現(xiàn)象。營運期間南主墩防護體總體變化不大，穩(wěn)定較好。

北主墩防護區(qū)最大沖刷深度為5.7 m，位于北主墩東北角護坦區(qū)，主墩核心區(qū)和永久區(qū)變化幅度集中在-1～1 m之間，2 m以上沖刷面積比重較小，2 m以上沖刷面積占護坦面積約2.87%。見表2。因此，沖刷略大的發(fā)生在護坦區(qū)，核心和永久區(qū)大部分區(qū)域變化幅度在1 m以內(nèi)，防護體較穩(wěn)定。

表1 南主墩防護區(qū)內(nèi)2008-05-24～2014-09-15特征統(tǒng)計表Tab.1 Statistical characteristics of south main pier protection zone during May 24,2008 to September 15,2014

圖6 南主墩沖刷防護工程營運期變化情況(m)(2008-05-24與2014-09-15對比)Fig.6 Changes of the south main pier scour protection engineering during operation period (comparison between 2008-05-24 and 2014-09-15)

圖7 北主墩沖刷防護工程營運期變化情況(m)(2008-05-24與2014-09-15對比)Fig.7 Changes of the north main pier scour protection engineering during operation period (comparison between 2008-05-24 and 2014-09-15)

表2 北主墩防護區(qū)內(nèi)2008-05-24～2014-09-15特征統(tǒng)計表Tab.2 Statistical characteristics of north main pier protection zone during May 24,2008 to September 15,2014

1.4沖刷防護工程及其周邊河床的變化特點

多年監(jiān)測顯示沖刷防護工程及其周邊河床的變化特點，主要表現(xiàn)為一方面防護工程實施后防護體周邊河床的沖刷，由于主墩附近底質(zhì)不同，河床沖刷幅度和形態(tài)也不同。北主墩防護工程周邊河床的沖刷型態(tài)是典型雙向流作用下的沖刷型態(tài)。另一方面，隨著防護工程與周邊地形逐漸適應(yīng)，防護區(qū)及其周邊河床地形變化表現(xiàn)為“洪季淤積，枯季沖刷”[3]的現(xiàn)象。

2 沖刷防護工程模型試驗研究

2.1試驗方法及內(nèi)容

對于跨江大橋橋墩沖刷問題和防護問題，用系列模型延伸法[21]研究至今已積累較豐富的經(jīng)驗，研究成果已廣泛應(yīng)用于橋墩、沉井和圍堰的沖刷和防護之中。水文分析表明蘇通大橋河段落潮流起主要作用，本文和文獻[20]研究結(jié)果均認(rèn)為在往復(fù)流作用下的橋墩沖刷深度小于同級別單向流作用下的局部沖刷深度，據(jù)此研究主橋橋墩沖刷防護方案的防沖效果和沖刷防護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性采用恒定流沖刷模型進行試驗較為適宜。

2.2試驗設(shè)備及條件[16]

橋墩基礎(chǔ)沖刷防護試驗?zāi)Ｐ退劭傞L36 m，寬5.0 m，動床段處于水槽中部(長7.5 m、寬5 m),進口處設(shè)矩形薄壁量水堰，出口處用推拉式尾門，由人工微動調(diào)節(jié)控制。在護坦穩(wěn)定試驗中，由于要進行大流量、大流速的沖刷試驗，將該水槽寬度改造為 2.5 m，長度及其他尺度不變。模型試驗水文條件選取300年一遇和20年一遇，見表3。試驗?zāi)Ｐ捅瘸卟捎?∶100和1∶130兩種。

表3 沖刷防護試驗水文條件Tab.3 Hydrological conditions of erosion test

由于模型試驗主要研究橋墩附近沖刷深度及形態(tài)，因此模型沙選擇主要考慮起動相似λvc=λv以及水下休止角的相似。

根據(jù)現(xiàn)場泥沙采樣，橋墩底床泥沙中值粒徑d50=0.12～0.16 mm，試驗選用武漢水院公式和唐存本公式計算起動流速，經(jīng)比較，兩者公式得出的結(jié)果比較接近。經(jīng)比選采用天然沙作為試驗?zāi)Ｐ蜕?，中值粒徑d50=0.22 mm，s=2.65 t/m3，蘇通大橋主墩處水深在19～31 m之間，經(jīng)計算天然沙的起動流速在23～25 cm/s之間。模型采用天然沙，滿足相似條件的幾何比尺λho為1。

原型沙水下休止角按張紅武天然沙公式(d=0.061～9 mm)計算：

經(jīng)計算，原型沙φ=32.4°，模型沙φ=33.2°。

在圓筒中用顆粒沉降法測定模型沙的水下休止角為32°～34°，與公式計算結(jié)果接近。用該天然沙進行橋墩局部沖刷試驗基本滿足水下休止角相等的要求，保證了橋墩的局部沖刷形態(tài)相似。

2.3整體防沖工程的試驗效果

從試驗結(jié)果來看[5，16]，橋墩防護后有效地保護了防護區(qū)內(nèi)河床地形免遭沖刷，如圖8所示。墩前側(cè)向繞流還會對防護體外未進行護底的床面產(chǎn)生沖刷，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致。

2.4防護工程沖刷穩(wěn)定試驗

恒定流沖刷模型[5，16]試驗有兩個目的，1) 研究沖刷防護護面石料的穩(wěn)定性；2) 研究護坦特性，建立在特定區(qū)域速度與石料損壞比例以及護坦特性之間的函數(shù)關(guān)系。

1)面層石料穩(wěn)定性

為了直觀顯示沖刷防護護面石塊的損壞，先選出試驗區(qū)域，表面大小范圍為10 cm×10 cm，在表面噴上少許噴漆，在鄰近區(qū)域噴上明顯不同的顏色，通過攝像分析確定各分區(qū)上石子移動的數(shù)目，試驗參數(shù)和流速見表4，各分區(qū)最大損壞比例為8%～10%，見圖9。

圖8 北主墩防護工程外側(cè)沖刷形態(tài)示意(300年一遇)Fig.8 Schematic form of scour protection works outside north main pier(300-year flood)

表4 模型試驗的流速情況Tab.4 Flow conditions for model test

圖9 各個區(qū)域面層損壞與局部流速之間的函數(shù)關(guān)系(模型試驗結(jié)果)Fig.9 Damage as function of local velocity and U2/gd (results of model test)

2)護坦邊坡穩(wěn)定性

護坦起著防止邊側(cè)坍塌、外推沖刷區(qū)和減少最大沖深的作用，護坦自身穩(wěn)定關(guān)系到整個防護工程的成敗。沖刷穩(wěn)定邊坡是衡量護坦穩(wěn)定與否的一個重要指標(biāo)，試驗初期，護坦邊坡開始逐漸坍塌，隨著時間的推移，護坦外側(cè)逐漸形成由護坦塊石和床沙共同形成的自然混合邊坡，最終形成沖刷穩(wěn)定邊坡。試驗結(jié)果顯示除迎水面護坦因受邊側(cè)繞流影響導(dǎo)致邊坡稍緩?fù)?，護坦其余部位的穩(wěn)定邊坡均在1∶2.1～1∶2.6之間，見圖10。

圖10 護坦區(qū)外側(cè)沖刷穩(wěn)定性邊坡示意(模型試驗結(jié)果)Fig.10 Schematic diagram of stable slope of the lateral scour of apron area (model test results)

3 蘇通大橋沖刷防護工程損壞特性研究

沖刷防護工程長期監(jiān)測結(jié)果分析表明，防護工程實施后防護區(qū)變化主要有兩個方面：一方面防護區(qū)表面有一定的沖淤變化；另一方面是防護體周邊河床有一定的沖刷現(xiàn)象，北主墩防護工程護坦區(qū)有坍塌現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果和模型試驗研究結(jié)果，并結(jié)合前人[12-13]對防護工程破壞的認(rèn)識，可對蘇通大橋沖刷防護工程的損壞形式分為兩種：一種主要是潮流對防護表面直接作用引起的防護區(qū)面層沖刷，稱為直接損壞；另一種主要是防護區(qū)外側(cè)的河床受到?jīng)_刷，從而使護坦區(qū)石塊下移對邊緣處造成的損壞，稱為間接損壞。

3.1南、北主墩防護區(qū)沖、淤量演變過程

為了掌握蘇通大橋沖刷防護工程直接損壞和間接損壞發(fā)生的時機，首先從防護區(qū)的沖、淤總量為出發(fā)點，根據(jù)防護區(qū)量值的變化規(guī)律，分析南、北主墩防護工程直接損壞的主要時間段，再進一步判斷防護體的總體穩(wěn)定性。根據(jù)防護區(qū)歷次河床監(jiān)測地形與防護工程實施前(2003年8月15日實測防護區(qū))河床地形高程對比分析，計算出了防護區(qū)的淤積量和沖刷量，見圖11和圖12，其中2004年7月6日為工程驗收時的計算值，見表5。北主墩防護區(qū)河床易沖刷，且沖刷量大，出現(xiàn)大面積的“沖刷區(qū)”，南主墩防護區(qū)河床抗沖性強且沖刷量小。沖刷量是相對于防護區(qū)起始河床而言的，該沖刷量是由于防護材料是分步拋投，每一次拋投后均引起周邊河床地形大面積沖刷，導(dǎo)致沖刷后地形高程已經(jīng)低于原始河床高程，即便在“沖刷區(qū)”拋投防護材料后仍然低于原始河床。由于淤積量是通過前后地形高程差來計算的，就導(dǎo)致沖刷區(qū)的防護體工程量無法計算出來，但“沖刷區(qū)”的防護體是存在的；此外，南、北防護工程還存在整體的不均勻沉降[4]。因此，2014年7月6日監(jiān)測計算的淤積量遠(yuǎn)小于實際拋投工程量和驗收工程量，仍可以通過該淤積量過程線的變化來判斷南、北主墩沖刷防護工程總體變化及穩(wěn)定情況。

由圖11和圖12可知計算的防護區(qū)淤積量和沖刷量均是動態(tài)變化的，由此可以判定在防護工程施工結(jié)束后防護區(qū)淤積量增大主要是防護區(qū)存在泥沙淤積現(xiàn)象。因此，2004年7月6日后的淤積量主要包含兩個方面的量值，一方面是防護區(qū)拋投防護材料的堆積量，另一方面是防護區(qū)的泥沙淤積量。而計算的2004年7月6日后的沖刷量同樣存在兩方面的量值，一方面是防護區(qū)面層的泥沙沖刷量，另一方面是部分防護體損失的量。

從2004-07-06～2005-04-07期間變化過程來看，南、北主墩防護區(qū)成型堆積量逐漸減小，而沖刷量逐漸增加，該沖刷量主要是以防護體損失量為主，在2005年4月7日達到歷次監(jiān)測的最小值，說明該時間段是南、北主墩防護工程直接損壞和間接損壞發(fā)生的主要時期。在此后的監(jiān)測過程中防護區(qū)總淤積量均未低于該最小工程量，可以定義該最小淤積量為沖刷防護工程經(jīng)歷損壞后的“防護體穩(wěn)定工程量”，以此作為“防護體成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線”，若監(jiān)測的淤積量低于該“防護體成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線”，則說明防護體發(fā)生新的損壞，反之則說明防護體穩(wěn)定，這對判斷防護工程的穩(wěn)定具有重要意義。

圖11 南主墩防護區(qū)防護工程總體沖淤量隨時間變化過程Fig.11 The overall erosion and deposition of the south main pier protection zone in the process of time

圖12 北主墩防護區(qū)防護工程總體沖淤量隨時間變化過程Fig.12 The overall erosion and deposition of the north main pier protection zone in the process of time

表5 南、北主墩沖刷防護工程整體沖淤計算表Tab.5 The topographic erosion and deposition calculate of the scouring protection project of the north and south pier

南、北主墩防護工程總體發(fā)生較大損壞主要在2004-07-06～2005-04-07期間內(nèi)，損壞形式主要是防護體面層沖刷和邊坡坍塌。在2005年4月7日之后的淤積量未低于防護體成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線以下時，則防護體未出現(xiàn)新的損壞，防護區(qū)的沖淤變化主要是泥沙的沖、淤量變化，主要變化特點是“洪季淤積、枯季沖刷”，目前這種泥沙的沖淤變化對防護體的穩(wěn)定并未造成影響。

3.2防護區(qū)面層沖刷損壞

防護工程直接損壞主要是潮流對防護表面的直接作用引起的，面層沖刷主要是水下構(gòu)筑物的存在會使流速變快，河床剪應(yīng)力和摩阻流速增強。由于蘇通大橋位于徐六涇節(jié)點段，橋區(qū)水動力條件強勁，河床底質(zhì)泥沙運動頻繁，在橋墩周邊實施防護工程后，橋墩基礎(chǔ)和防護工程自身均使得附近河床剪應(yīng)力和摩阻流速增強；同時在施工過程中水拋面層塊石存在一定不均勻性，面層塊石有些起伏不平；在河床剪應(yīng)力和摩阻流速增強后致使面層塊石滑動翻滾流失，而造成防護工程的損壞。由于北主墩區(qū)河床底質(zhì)易沖刷，北主墩兩側(cè)面層防護體損壞明顯大于上、下游區(qū)域，見圖5；南主墩防護工程面層損壞在區(qū)域上差別不明顯。為了更好地跟蹤防護區(qū)的面層損壞情況，基于多波束觀測精度的考慮，以防護區(qū)內(nèi)沖淤變化幅度在-1～1 m區(qū)間內(nèi)的區(qū)域面積和淤積區(qū)面積作為防護工程完好區(qū)，沖刷幅度大于1 m的沖刷區(qū)作為損壞區(qū)，即為直接損壞區(qū)。利用GIS技術(shù)對各沖淤等級進行面積統(tǒng)計，進而得到各防護區(qū)沖刷幅度大于1 m的直接損壞區(qū)面積，該面積與防護區(qū)面積比即為損壞率，各區(qū)損壞率統(tǒng)計見表6、表7。

表6 南、北主墩沖刷防護工程損壞率分區(qū)分時段統(tǒng)計 %Tab.6 Statistical characteristics of south/north main piers breakage ratio in segments within different time quanta %

表7 各區(qū)面層損壞率監(jiān)測情況 %Tab.7 The surface layer damage monitoring %

蘇通大橋沖刷防護工程完成后，面層沖刷損壞主要發(fā)生在2004年7月6日～2005年4月7日，此后防護體總體基本保持穩(wěn)定，防護區(qū)變化主要是泥沙沖淤變化，南、北主墩防護體的面層損壞率基本可忽略?？梢姡?、北主墩總體損壞率分別為12.66%和18.46%。防護工程實際監(jiān)測的面層損壞高于模型試驗值，這是由于水下施工難度較大、拋投不均勻而造成這種現(xiàn)象的主要原因。此外，實際監(jiān)測的損壞過程與模型試驗結(jié)果較為一致，均發(fā)生在初期一定時間內(nèi)。2005年4月7日后，在防護工程與周邊水流適應(yīng)后，面層塊石也隨之穩(wěn)定，面層將繼續(xù)保持穩(wěn)定。經(jīng)過近十年的長期監(jiān)測認(rèn)為，在防護工程穩(wěn)定后，防護區(qū)面層的沖淤變化呈“洪季淤積、枯季沖刷”特點，目前未影響防護體的穩(wěn)定。

歐美使用的塊石護面維護標(biāo)準(zhǔn)[22]：“在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)條件下，對核心區(qū)和永久區(qū)的損壞10%～20%是可以接受的；對于護坦，沿周長約有50%的完全起動是可以接受的”。目前監(jiān)測結(jié)果表明，初期南、北主墩總體損壞率分別為12.66%和18.46%，之后防護一直較穩(wěn)定，未發(fā)生新的損壞。因此，蘇通大橋沖刷防護工程的直接損壞在可接受的范圍之內(nèi)，用損壞率概念對直接損壞來進行分析統(tǒng)計是較合理的。

3.3防護工程護坦區(qū)邊坡坍塌損壞

間接損壞是指主要防護區(qū)外側(cè)的河床受到?jīng)_刷，從而使護坦區(qū)石塊在潮流的作用下移動而對邊緣處造成的損壞。由現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果看，北主墩防護區(qū)護坦沖刷較嚴(yán)重發(fā)生的區(qū)域在防護區(qū)東北角，防護區(qū)兩側(cè)護坦也有一定損壞，見圖4和圖7，如護坦邊坡不能穩(wěn)定下來，這種損壞會導(dǎo)致永久區(qū)的防護結(jié)構(gòu)坍塌外移，最終會侵入核心區(qū)而導(dǎo)致防護工程失敗。

圖13為北主墩護坦東北角邊坡坍塌最嚴(yán)重區(qū)段的剖面圖(斷面位置見圖7)，防護工程驗收后，防護體周邊河床逐漸沖刷，隨沖刷的加深，護坦邊坡開始坍塌，并逐漸變陡，到2005年10月護坦外側(cè)河床沖刷達到最深處，護坦邊坡通過再平衡，最終形成“穩(wěn)定邊坡”。監(jiān)測顯示護坦外側(cè)河床沖刷深度雖有一定的調(diào)整，護坦穩(wěn)定邊坡為1∶2～1∶2.2，這與模型試驗結(jié)果一致。防護體周邊沖刷并引起邊坡坍塌的過程表明，防護工程周邊沖刷和護坦邊坡坍塌主要發(fā)生在防護工程實施后的初期1～2年時間內(nèi)，經(jīng)一年后沖刷企穩(wěn)，達到最終穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定時間較面層沖刷穩(wěn)定時間略長。

圖13 北主墩東北側(cè)護坦區(qū)邊坡坍塌沖刷演變Fig.13 Slope collapse scour evolution of apron area at the northeast side of the north main pier

長期監(jiān)測顯示，護坦坍塌現(xiàn)象沒有持續(xù)發(fā)生，邊坡坍塌僅限發(fā)生于護坦區(qū)內(nèi)，永久區(qū)和核心區(qū)未出現(xiàn)坍塌沖刷，從而有效地保護了沖刷防護工程的總體安全，同時也驗證了在蘇通大橋橋墩沖刷防護工程設(shè)計中運用“下沉護坦原理”[4]的必要性，即在護坡頂端或沖刷防護結(jié)構(gòu)周圍布設(shè)一定數(shù)量的散粒體材料(石料),運用護坦與被防護的河床床面柔性接觸和散粒體材料可在護坡上重新分布的特點(見圖14) 。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該處斷面雖有沖淤變化，但這種沖淤變化對護坦區(qū)穩(wěn)定影響有限。

圖14 依據(jù)下沉護坦原理的沖刷防護Fig.14 Sketch of the scouring protection structure using sinking protection-apron principle

3.4防護工程損壞機理分析

蘇通大橋南、北主墩防護工程的損壞形式主要是面層沖刷和邊坡坍塌兩種形式，不存在卷揚破壞形式。南主墩防護工程的面層損壞和邊坡坍塌主要發(fā)生在2004年7月～2005年4月期間，北主墩防護工程的面層損壞也發(fā)生在這一時期，但北主墩東北角的護坦變化一直延續(xù)至2005年10月，2005年10月后護坦穩(wěn)定邊坡基本形成。此后，防護區(qū)河床監(jiān)測結(jié)果表明南、北主墩防護工程保持較好的穩(wěn)定性，均未出現(xiàn)新的損壞。這也進一步驗證了作者曾在“蘇通大橋主塔墩基礎(chǔ)沖刷防護工程穩(wěn)定性分析”一文[3]中提出的結(jié)論：“在2005年8月25日后南主墩沖刷防護工程總體上趨于穩(wěn)定，2005年10月16日后,北主墩防護區(qū)東北角的沖刷溝沒有進一步發(fā)展,防護工程總體上趨于穩(wěn)定”。

因此，現(xiàn)場監(jiān)測蘇通大橋沖刷防護工程損壞過程和模型試驗損壞過程基本一致，均發(fā)生在初期，這期間由于防護工程的實施河床剪應(yīng)力和摩阻流速增強，防護工程面層塊石有一定的損壞翻滾流失，與周邊水流適應(yīng)后面層塊石達到穩(wěn)定狀態(tài)；與此同時護坦外側(cè)河床開始沖刷，導(dǎo)致護坦邊坡坍塌，坍塌到一定程度后與周邊河床相適應(yīng)，達到穩(wěn)定邊坡狀態(tài)。在防護工程與周邊水流以及河床適應(yīng)后，防護區(qū)的變化主要就是橋區(qū)泥沙的沖淤變化，呈“洪季淤積、枯季沖刷”特點，這種泥沙沖淤變化對防護工程穩(wěn)定影響不大。據(jù)此通過防護區(qū)淤積量監(jiān)測，判斷防護區(qū)淤積量與防護體成型穩(wěn)定工程量基準(zhǔn)線差別，進而推斷防護工程出現(xiàn)了新?lián)p壞的可能性。就目前的模型試驗結(jié)果和長期監(jiān)測結(jié)果來看，在未發(fā)生特殊水文年和橋區(qū)河段邊界調(diào)整的情況下，南、北主墩防護體穩(wěn)定性是有保證的。

4 結(jié) 語

1)蘇通大橋沖刷防護工程的損壞形式主要是防護區(qū)面層沖刷損壞和護坦邊坡坍塌損壞。沖刷防護工程的兩種損壞形式主要發(fā)生在防護工程后的1～2年多時間內(nèi)。防護區(qū)面層塊石先穩(wěn)定，護坦邊坡后穩(wěn)定。

2)南、北主墩防護工程完成初期的總體損壞率分別為12.66%和18.46%，在可接受的范圍之內(nèi)，之后防護體一直較為穩(wěn)定，未發(fā)生新的損壞。

3)防護體隨沖刷的加深，護坦邊坡開始坍塌變陡，隨后護坦邊坡再平衡，進而形成“穩(wěn)定邊坡”。護坦區(qū)穩(wěn)定邊坡坡度在1∶2～1∶2.5之間，與模型試驗結(jié)果一致。

4)首次提出了以“防護工程成型穩(wěn)定工程基準(zhǔn)線”作為判斷防護工程穩(wěn)定的一個新指標(biāo)，為監(jiān)測沖刷防護工程穩(wěn)定性創(chuàng)造定量目標(biāo)。

5)在防護體穩(wěn)定后，防護區(qū)呈“洪季淤積、枯季沖刷”特點，這一變化對防護體穩(wěn)定影響有限。

6)通過對蘇通大橋沖刷防護工程損壞特性的研究，為工程維護和營運管理提供有力支撐，為類似工程設(shè)計、監(jiān)測、維護和相關(guān)研究提供參考。

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(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China; 2.Suzhou Branch of Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau,Suzhou 215006,China)

TV866；U445.7

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.004

1005-9865(2016)02-0024-11

2015-05-23

高正榮(1963-)，男，江蘇海門人，教授級高級工程師，主要從事海岸工程及橋梁工程研究。E-mail：zrgao08@163.com