石井兵

摘 要：河床下切、水流局部冲刷，水流在受到墩身的阻拦时，其结构发生变化，流线变弯曲，河床附近的漩涡淘刷桥墩迎水端和周围的淤泥和砂石。桥墩的建设，使原来的江面过水断面减小，导致水流流态发生变化，局部河水流速增大，对桩基产生剧烈冲刷。在水流的冲刷下，把河床中的松散沉积物局部冲走，进而导致桩基础埋深不够，影响桥墩桩基自身的承载能力和桩基抗弯能力，威胁桥梁的安全。本文就施工的闽江特大桥主墩遭受江水冲刷安全性进行简单分析。

关键词：河床下切；局部冲刷；桥梁主墩安全性；分析

中图分类号： U445 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-59-2

1 河床下切、局部冲刷对桥梁结构安全的影响

河床下切：指河床标高比设计时河床基准面下降，成因为冲刷产生河床下切或人为挖砂产生河床下切。从河中采砂是取砂料的传统方法。长期人为无序地采砂，致使河床下切，导致采砂河段桥梁墩桩基的承载能力和抗弯能力的下降，危及桥梁的安全。

局部冲刷：是水流在受到墩身的阻拦时，其结构发生变化，流线变弯曲，河床附近的漩涡淘刷桥墩迎水端和周围的淤泥和砂石。桥墩的建设，使原来的江面过水断面减小，导致水流流态发生变化，局部河水流速增大，对桩基产生剧烈冲刷。在水流的冲刷下，把河床中的松散沉积物局部冲走，进而导致桩基础埋深不够，影响桥墩桩基自身的承载能力和桩基抗弯能力，威胁桥梁的安全。

在闽江下游河段上的桥梁因河床下切和局部冲刷影响结构安全的实例：

解放大桥：由于解放大桥修建年代久远，加上近年来桥址处河段水流动力条件发生较大变化，河床局部冲刷加剧，危及桥梁基础稳定。1994年以来，桥墩相继坍塌，于1995年4月份中断交通，开始着手重建工作。

闽江二桥：同样由于闽江的水文动力条件不断地发生变化，使得河床局部冲刷加剧，修建于1970年的闽江二桥部分桥墩的河床高程已接近原桥设计的局部冲刷值（冲刷上限），在使用了33年后，最后不得不于2002年旧桥拆除进行重建。

乌龙江大桥：始建于1970年的福州市乌龙江下游峡口处乌龙江大桥由于河床覆盖层厚度不足，曾采用抛石法进行防护，经长期水流冲刷原因，抛填的片块石曾随水流冲至下游马尾港处，经多次维护后，最后不得不采取下放钢筋石笼的办法进行防护。

2 闽江下游河床下切情况

闽江水口以下，主河道长115km。水口～竹岐段长48km， 河道夹在低山、丘陵峡谷中穿行，主槽稳定。竹岐～淮安段长15km，出现平原河道特征。自淮安起，河道分为南北港，分别绕南台岛两侧流向下游。北港长约32km，河道窄深，为通航河道。南港长约34km，河道宽浅，洲滩多，洪水期成为主要泄洪排沙河道。闽江口属陆相强潮的河口，闽江下游潮区界过去只能到达侯官处，现在可到达竹岐，上延15km，潮流界也从旧洪山桥下游向上延伸到侯官一带。竹岐水文站枯水期水位过程日益呈现两高两低的半日潮特性，最大潮差6.86m，平均潮差4.46m。

通过闽江竹岐站逐年水位～断面面积关系曲线分析统计同水位的断面面积变化，计算2006年～1994年河床平均刷深达8.32m～8.24m。由竹岐水文站基本分析， 2006年～1994年基本水尺大断面起点距279m处最大刷深达13.1m。

影响河床下切的主要因素如下：

水口的建库前后河流泥沙量的变化：从竹岐水文站实测泥沙资料统计，1981年～1994年多年平均年悬移质输沙量为624万t，1995年～2004年多年平均年悬移质输沙量为218 万t。水口建库前后河流多年悬移质年输沙量减少64.8%； 据1995年～1998年的统计，入库与出库悬移质含沙量减少率达42.1%～62.9%，平均减少率达51.6%。闽江的天然径流、泥沙运动规律改变导致下游河流动力作用也发生了变化，从而加剧了河床明显刷深。

闽江下游河道大量采砂：据竹岐水文站泥沙资料统计， 1995年～2005年，多年平均年悬移质输沙量为210万t。但是闽江下游河砂质量优、开采条件好和内河及海上运输方便，所以大量开采。自1980年以来，福州市的基建迅猛发展，更是大量开采闽江的河砂。根据调查计算，1984年～1998年， 每年约从闽江采砂和卵石950万t，约合650万m3。除供应本市建设外，闽江下游河砂还供应其它地级市用砂， 甚至出口台湾、江苏、上海、日本等。1998年通过水口船闸上行的运砂量累计723万t，2002年猛增至8023万t。据统计， 1998 年河砂出口169万t，2003年猛增至1132万t。来沙少，采挖多，失去平衡，导致闽江下游河床迅速下切。

目前福州城市基础设施建设很多， 闽江流域沿线大片土地的开发利用已在进行中。闽江下游的地势低洼，通过吹砂造地加以完成。根据规划，闽江下游可开发土地19.15km2，按单位面积平均填砂2.8m3计， 共需河砂5312万m3，这些河砂大多数将取自闽江下游。采砂增加的河道容积大部分被增大的进潮量填补。按以上预测的采砂速度，若干年后，竹岐水文站将全面处在闽江潮流界控制之下，潮流对河道冲刷进一步加强，河床标高必将继续下降。

3 闽江特大桥主墩安全性分析

福州绕城公路是国道主干线系统和国家高速公路网的组成部分，也是福州市干线公路网的重要路段。闽江特大桥跨越闽江航道，是福州绕城公路的重要枢纽工程，设计基准期为100年，设计安全等级为一级，设计洪水频率为300年一遇，设计流量为39900m3/s，设计洪水水位为13.77m，桥下闽江航道等级为内河IV级，主桥第二、三孔为通航孔，双孔单向通航，单向航道净宽60m，通航净高为8m。

闽江特大桥位于福州市闽侯县竹岐乡和荆溪镇之间的闽江上，上跨闽江航道和在建的闽侯江滨路。上部结构引桥采用4×35m+5×35m+4×35m PC连续T梁+3×40m+3×40m+3×40m+4×40m PC连续T梁，主桥采用（70m+4×110m+70m）变截面连续-刚构箱梁，下部结构主桥采用箱墩，钻孔灌注桩基础，主桥27#和31#墩处设GPZ盆式支座，28#～30#主墩与主梁固结刚构；引桥采用柱式墩，钻孔群桩或单排桩基础。

闽江特大桥主桥27#～30#号主墩处于闽江之中，距离上游水口水电站50km，水口水电站在汛期频繁泄洪和平时水流造成的主墩基础处河床局部冲刷十分严重，在2010年5月23日最大泄洪量达到17500m3/s时候，正在钻孔施工中的29#墩钻孔平台的钢管桩被冲走，严重影响钻孔平台的结构稳定性，为了摸清钻孔平台钢管桩基础处实际冲刷情况，项目部于2010年5月24日用测绳对29#墩钻孔平台钢管桩基础处河床进行测高，结果显示平台迎水方向最前排钢管桩埋深平均减少3.9m，最多达到4.4m，另外在同一排的钢管桩之间或桩基钢护筒之间的河床冲刷最严重，最大达到5m左右。由测得结果显示河床冲刷十分严重，考虑到河床冲刷对大桥施工期间和成桥后的安全造成隐患，存在一定安全风险，直接关系到整座大桥的安全运营，项目部决定请福州陆海工程咨询有限公司（第三方）对河床标高进行专业测深。福州陆海工程咨询有限公司于2010年5月27日对桥位处河床进行声纳测深，此次测深结果对比该公司2009年8月25日的测深结果显示，9个月时间27#～30#主墩处河床冲刷下切严重，对比结果详见表1。

3.1 河床标高测设数据分析

①2010年5月27日第三方声纳测深结果同项目部采用测绳测量的结果不一致，误差较大。经过仔细分析，有可能是以下几点因素导致结果数据出现较大的误差：

第三方两次测深条件有差异：第一次测深时，是在栈桥平台施工以前，测深目的是为栈桥平台施工提供依据，当时江面没有构造物，测船可以沿设计桥梁基础轴线位置行走测深，能够较为真实的反应河床标高情况；第二次测深时，栈桥平台已经施工完成，受钻孔平台影响，测船不能接近桥梁基础轴线位置，当测船行走至钻孔平台位置时，只能绕行，受水流影响测船不敢距离平台太近，只能在距离平台10m的上游测深，其结果数据为推算数据，导致和钻孔平台钢管桩基础处的河床冲刷实际情况出现误差。

项目部测绳测深误差：项目部采用测绳对河床标高进行测深，由于测绳较柔软无刚性可言，受闽江水流影响会出现在水流方向上的倾斜，导致测得的河床冲刷结果偏大，但是由于深度多达24.5m（平台顶面标高为+8.500m，河床标高按 -15.000m计），按照三角函数进行计算，斜边和大直角边误差较小。

②30#墩平台处河床标高提升，说明有回淤现象，现场实际情况是30#墩基床上游修筑有一条丁坝，此处江面水流有回旋，回流明显，测量结果和实际情况较吻合。

③28#墩和29#墩平台处河床标冲刷比较严重，现场实际情况是此两处水流较急，加之钻孔平台钢管桩和桩基钢护筒阻水面积较大，平台前后水位差较大，钢管桩、钢护筒之间水流加速明显。此点和福建省港口协会出具的《福州绕城高速公路闽江特大桥通航安全评估报告（修正版）》中2.2.5中描述“桥位处河道中北部有所淤积，中南部则基本表现为刷深，桥位上下游河段也普遍表现为这一趋势。”相吻合。

以上三点分析说明，第三方两次河床标高测深结果对比与实际情况基本相符合，只是测得的河床冲刷深度数据与实际情况相比偏小。但是在短短9个月的时间河床冲刷现象如此之严重，如果不及时采取冲刷防护措施，桥梁施工阶段和成桥后的运营阶段结构的安全性将大大降低。

3.2 主墩防撞安全性分析

根据设计图纸中设计标准和设计规范中“中华人民共和国交通部部颁行业标准《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004”、“本桥主桥第2第3孔位通航孔，仅对28～30#墩进行撞击验算”、“桥下闽江航道等级为内河IV级，主桥第二、三孔为通航孔，双孔单向通航，单向航道净宽60m，通航净高为8m。”和《公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）》中4.4.2描述：“四级内河航道钢筋混凝土桩墩船舶撞击作用标准值：船舶吨级为500t、横桥向撞击作用为550kN、顺桥向撞击作用为450kN”。推论，该桥撞击验算是按照船舶吨级为500t进行的。

由此可以推断闽江特大桥主通航孔两侧桥墩的船舶撞击作用标准值的设计取值与实际情况相比偏小很多；加之主墩基础设计为高桩承台基础，由于河床的冲刷，桩基露出河床的悬臂部分将增加，桩端自由度随之增加。按照以上河床冲刷程度，可推论桩基的抗弯强度将随时间的推移大大降低，加之实际船舶撞击作用可能大大提高，最后导致桥梁结构的安全性大大降低。

为减缓河床冲刷下切速度，提高桥梁结构的安全性角度而言，对闽江特大桥主墩基础进行冲刷防护工程设计是十分必要的。结合防护工程规模大，施工过程和主桥基础施工重叠，施工难度大的特点，冲刷防护工程宜采用施工临时结构预防护与桥梁永久防护相结合的防护方案，既有远期安全防护作用，又能降低桥墩基础施工难度。