杨媛媛，崔 成 ，邢 毅，左书华

(1.上海城投公路投资(集团) 有限公司,上海 200335; 2.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456)

随着我国国民经济快速发展和社会的需求，在沿海地区兴建的跨海湾、河流和河口大桥已成为连接相关地域的重要交通通道。由于海湾、河流和河口的桥梁工程所处区域条件往往比较复杂，桥梁基础受到风、浪、流等综合因素的影响，桥墩周围会发生局部冲刷，降低桥梁基础的稳定性，当局部冲刷达到一定深度时会威胁到桥梁结构的安全。根据桥梁工程所在水域的水流形态，桥梁基础的局部冲刷一般分为单向流冲刷、潮汐往复流冲刷以及潮汐河口混合水流冲刷[1-3]。不同学者针对冲刷坑形成机理和冲刷演化过程等问题做了深入研究，认为漩涡是桥墩局部冲刷的主要因素，包括墩前垂直向下的水流，墩后尾流漩涡和墩两侧的立轴漩涡; 决定桥墩局部冲刷深度的动力条件是墩前角区主马蹄涡强度大小[4-5]，不过至今也并没有形成成熟或公认的预测预报公式。因此，为了确保桥梁施工和运行期桥梁基础的安全，需要在桥梁建设时对桥梁基础进行局部防护，其防护措施，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。

常用的防冲刷方法是设置抛石护底，根据行业设计规范可以根据堤前最大底流速计算所需护底块石的重量。随着长江口航道整治工程中应用软体排护底防冲刷取得成功以来，软体排在护底工程中的应用越来越广，具有排水性良好，保沙，低成本，便于大批量生产，施工便捷快速等优点。除了用在航道整治和岸滩防护工程中，在近海防波堤护底工程中也有应用，如滨海港防波堤，但是在该工程的排体受力验算中未考虑波浪作用[6]。仅考虑水流作用对软体排结构自身稳定性影响的研究较多[7-11]，与内河水动力条件以水流为主不同，海洋环境中水动力条件多是波浪与水流共同作用为主，水动力环境更为复杂。软体排的破坏部位一般位于排体边缘和头部，发生冲刷塌陷会出现排布损毁或者暴露等问题。何阳等[12]通过物理模型试验研究了3种不同厚度混凝土块软体排在波浪和水流作用下的稳定性，分析了特定流速下失稳临界波高。田鹏等[13]结合物理模型实验结果和数值模拟结果，分析了软体排失稳的主要影响因素，基于力学平衡原理给出了波浪作用下压载稳定计算方法。网箱石笼结构是在由带有韧性的合金钢丝编制成的网箱内填充一定数量的碎石制成。与混凝土浇筑块体、栅栏板或者块石护脚结构相比，网箱石笼是柔性的透水结构，受力性能良好。经过物理模型试验可知，同等重量的网箱石笼比混凝土浇筑块体和栅栏板的压载稳定性好。另外石笼结构具有造价低，施工简单快速，环境友好性的特点[14]。网箱石笼在河道治理中应用较多[15-16]。

此外，钩连体是一种新型的消能防护结构，首次在长江深水航道中应用，现场观测结果表明，该结构防护范围内泥沙促淤效果明显，有一定防护作用。钩连体利用本身构件来逐渐消减水流的动能，减缓流速，即使在水流冲击下发生位移、滚动，也能保持高度不变，继续发挥作用。复合材料优点是耐久性能、耐疲劳性能、抗拉抗压性能优异，具备较强的防腐蚀能力，适用于海洋工程。

东海大桥北起上海浦东南汇的芦潮港，跨越杭州湾北部海域，南至浙江省嵊泗县崎岖列岛的小洋山，全长约32.5 km(图1)，是上海国际航运中心深水港工程的重要组成部分，于2002年6月开工建设，2005年5月建成通车，桥梁基础采用高桩承台结构和圆形基桩形式。东海大桥建成后至今，多年海床扫测成果表明，部分桥墩周围发生了明显的局部冲刷现象，最大冲刷深度已达到或稍超出设计时预估的冲刷深度，自2009年以来最大冲刷深度超过和达到警戒点的数量逐年在增加，截止2018年冲刷坑底标高低于-19 m的桥墩数量则达到了284处，其中低于-20 m的有102处，已对桥梁结构安全构成一定的风险，为此迫切需要实施桥墩防护工程，确保桥梁安全运营。

图1 东海大桥位置图Fig.1 Location map of Donghai Bridge

本文针对东海大桥典型冲刷桥墩，采用铺设无压脚软体排防护方案和软体排辅助栅栏板和网箱石笼压脚优化方案及主动钩连体防护方案，开展波浪与水流作用下的断面试验，分析护底结构的稳定性，为桥墩防护设计提供科学依据。

1 物理模型试验

1.1 试验条件

根据本次典型桥墩试验区水文全潮试验结果，推算最大可能垂线平均流速1.98 m/s；水位采用平均水位0.23 m(国家85高程)；根据嵊山海洋站重现期波要素和《浙江省海塘工程技术规定》提供的浙北开敞海域的不同重现期波要素，使用MIKE 21软件包中的 SW波浪数学模型推算的典型桥墩附近水域的100 a重现期波要素Hs=5.12 m,T=10.5 s。

1.2 试验设备和仪器

试验用水槽长90 m、宽3.0 m、高1.5 m。水槽一端配备液压伺服不规则造波机及其控制系统，可产生试验要求的不规则波浪和规则波浪，另一端设置消波框减少反射波浪。模型试验采用可逆泵提供潮流动力，单台泵可供最大稳定流量800 m3/h，可满足工程试验段最大流速要求。采用BG-1型波高传感器采集系统采集波面高度，采用Vectrino声学多普勒点式流速仪测量流速。

1.3 模型设计

根据《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTST 231-2-2010)和《波浪模型试验规程》(JTJT 234-2001)，按正态重力相似准则设计模型。结合试验结构尺度及设备性能等因素确定模型长度比尺，长度比尺设定为λ=30，则时间比尺λt=λ0.5=5.5，重力比尺λG=λ3=27 000。

桥墩结构模拟：采用木板制作墩身和承台，采用PP-R管材模拟群桩。保证外形几何尺寸相似。图2给出了桥墩模型。防护结构模拟如下。

1.3.1 混凝土联锁块软体排

波浪作用下软体排很容易发生翘起和翻卷失稳。因此在波浪动力较强的海域，仅采用软体排很难满足稳定性要求。东海大桥所在海域潮流动力强，涨落潮最大流速可达2 m/s左右；控制浪向主要为NNE(NE)-E向，大浪受台风影响较大，距离工程区较近的大戢山测站实测到7.5 m波高；海床底沙主要为淤泥质粉沙，中值粒径为0.01～0.035 mm。可见，桥区水动力强劲、泥沙环境复杂。因此为了满足稳定性需求，防止波浪和水流直接作用排体,需要辅助重物压载排体边缘和头部。压载排脚重物选用网箱石笼和栅栏板。

混凝土联锁块软体排的压载块尺寸选为48 cm×48 cm×20 cm，重量111 kg，对于压载块的模型概化应保证几何尺度、重量、重心位置等均相似。考虑到压载块的模型尺度和重量较小(模型尺度为16 mm×16 mm×6.7 mm，模型重量为4.0 g)，使用混凝土很难加工成满足试验需求的模型压载块，选用密度比混凝土略小的塑料(2.0×103kg/m3)作为制作模型压载块的原料加工比较方便，按照几何相似模型尺寸16 mm×16 mm×6.7 mm，重量3.5 g比设计模型重量轻0.5 g，为满足重量相似在压载块内嵌入小铁钉，通过上述方法近似模拟混凝土压载块。

排体选用棉布模拟，考虑到加筋条和系结条的模型尺度较小，无法严格按照原型构造进行模型加工，使用强力胶直接将压载块粘贴到棉布上。加工好的混凝土联锁块软体排模型见图3、图4。

图2 桥墩模型 图3 混凝土联锁块软体排模型Fig.2 Model of pier Fig.3 Model of concrete interlocking block soft mattress

图4 混凝土联锁块软体排防护方案图Fig.4 Protection scheme of concrete interlocking block soft mattress

1.3.2 压脚网箱石笼

压脚网箱石笼尺寸为5 m×2 m×0.5 m，由合金钢丝编制而成，内填块石，单个网箱整体重8.5～9.0 t。按模型比尺计算得到模型网箱尺度为16.7 cm×6.7 cm×1.7 cm，网箱整体重量315～333 g。加工好的压脚网箱石笼模型见图5。

图5 网箱石笼模型Fig.5 Model of net cage

1.3.3 压脚栅栏板

压脚栅栏板尺寸为6 m×6 m×0.3 m(厚)规格，透空率38%，重16 t，采用水泥添加铁丝和铁粉制作模型，除保证外形几何尺寸相似外，还保证重心位置及重量相似。按比尺计算模型栅栏板尺度为20 cm×20 cm×1.0 cm，重量594 g。加工好的压脚栅栏板模型见图6。

图6 栅栏板模型Fig.6 Model of fence panels

1.3.4 钩连体

采用含锌钢丝制作钩连体保证足够的刚度，含锌钢丝的密度大于水泥砂浆，通过在钢丝表层涂油漆以保证钩连体几何和重量相似，单个钩连体模型重量0.9 g，加工好的钩连体见图7。图8给出了试验布置图。

图7 钩连体模型 图8 试验布置图Fig.7 Model of active ground consolidator Fig.8 Sketch of physical experiment

2 试验结果

2.1 钩连体方案

为了进行比较分析，分别对铺设15 000个钩连体、铺设20 000个、铺设25 000个钩连体方案开展物理模型试验。图9～图10给出了试验过程照片。表1给出了试验结果汇总。

表1 钩连体方案试验结果Tab.1 Experimental result of scheme for active ground consolidator

图9 纯水流工况护底结构失稳 图10 波浪和水流组合作用下钩连体护底结构失稳Fig.9 Instability of bottom protection structure for active ground consolidator case under the action of current Fig.10 Instability of bottom protection structure for active ground consolidator case under the combined action of wave and current

从试验过程和结果可以看出，铺设15 000个钩连体方案，在垂向平均流速1.98 m/s纯水流作用下，钩连体之间结合不够紧密，在水流作用下有明显的位移，逐渐有临近的钩连体勾结成团，露出部分底床，护底结构失稳。该工况下，15 000个钩连体方案不能对底床形成有效防护。

铺设20 000个钩连体方案，在垂向平均流速1.98 m/s纯水流作用下，有个别钩连体发生明显位移，护底结构没有发生明显变形，能覆盖整个防护区域，护底整体稳定性较好。该工况下，20 000个钩连体方案能对底床形成有效防护。在100 a重现期波浪(Hs= 5.12 m，T=10.5 s)与最大可能流(垂向平均流速为1.98 m/s)同向组合作用下，迎浪侧大量钩连体发生明显的位移，大量钩连体相互勾卷成团,露出较大范围的底床，护底结构失稳。波浪和水流反向组合作用下，顺浪侧有少量钩连体相互勾卷成团,露出部分范围的底床，护底结构失稳。波浪引起的底流速和水流流速叠加，使作用护底结构的流速增大，从而引起护底结构失稳。由于选用波要素为100 a重现期、波高较大、波浪非线性特性明显，波浪产生的底流速在顺浪向较大，因此护底结构迎浪侧钩连体失稳率较大。该工况下，20 000个钩连体方案不能对底床形成有效防护。

铺设25 000个钩连体方案，在垂向平均流速1.98 m/s纯水流作用下，护底结构没有发生明显变形，能覆盖整个防护区域，护底整体稳定性较好。该工况下，20 000个钩连体方案能对底床形成有效防护。在100 a重现期波浪(Hs= 5.12 m，T=10.5 s)与最大可能流(垂向平均流速1.98 m/s)同向组合作用下，护底结构没有发生明显变形，能覆盖整个防护区域，护底整体稳定性较好。该工况下，20 000个钩连体方案能对底床形成有效防护。

2.2 软体排方案

首先开展无压脚常规混凝土联锁块软体排在纯水流作用下稳定性试验，流速选用最大可能流速，垂向平均流速1.98 m/s。从试验过程(图11～图12)和结果可以看出，在纯水流持续作用下，软体排护底结构保持稳定，能对底床形成有效防护。进一步在100 a重现期波浪(Hs= 5.12 m，T=10.5 s)与最大可能流(垂向平均流速1.98 m/s)组合作用下，试验软体排护底的稳定性。从试验过程(图11)和结果可以看出，在波峰经过排体边缘时，排头发生翘起，波峰经过后排体回落。随着波峰值的增加，排头翘起幅度随着相应增大，当随机波列中较大波高作用排体时，排头翘起幅度较大，瞬间显著增加了水流与排体作用面积，翘起的排体在水流作用下发生向顺流向翻卷，这种翻卷变形不能恢复，护底结构彻底失稳，不能对底床形成有效防护。

图11 水流作用下软体排护底结构 图12 波浪和水流组合作用下软体排护底结构失稳Fig.11 Bottom protection structure for concrete interlocking block soft mattress case under the action of current Fig.12 Instability of bottom protection structure for concrete interlocking block soft mattress case under the combined action of wave and current

与纯水流作用不同，在波浪作用下会在排体上下表面形成压力差，从而使排体翘起，进一步引起护底结构失稳。为了能保持护底结构稳定性，需要在排体边缘压载重物抵抗波浪作用产生的压力差。

进一步考虑分别在排脚压载重8.5～9.0 t的网箱石笼和重16 t的栅栏板两组方案。分别在100 a重现期波浪(Hs= 5.12 m，T=10.5 s)与最大可能流(垂向平均流速1.98 m/s)组合作用下，试验两组优化方案的稳定性。图13～图14给出了试验过程照片。从试验过程和结果可以看出，在波浪和水流组合作用下，带压脚软体排护底结构保持稳定，能对底床形成有效防护。表2给出了软体排护底方案各组工况试验结果汇总。

图13 波浪和水流组合作用下网箱石笼压脚护底结构稳定性 图14 波浪和水流组合作用下栅栏板压脚护底结构稳定性Fig.13 Concrete interlocking block soft mattress case with net cage under the combined action of wave and current Fig.14 Concrete interlocking block soft mattress case with fence panel under the combined action of wave and current

表2 软体排方案试验结果Tab.2 Experimental result of scheme for concrete interlocking block soft mattress

两组优化方案对比，网箱石笼重量仅为栅栏板重量的0.56倍，就能保证护底结构的稳定，是因为网箱石笼的透水性更好，能有效减小波浪作用下在结构上下表面形成的压力差；并且网箱石笼结构是在由带有韧性的合金钢丝编制成的网箱内填充一定数量的碎石制成。与混凝土浇筑块体、栅栏板或者块石护脚结构相比，网箱石笼有一定柔性，受力性能良好。

3 结论

通过系列工况波流作用下的断面试验，结果表明在东海大桥海域100 a重现期波浪(Hs=5.12 m，T=10.5 s)与最大可能流速(1.98 m/s)共同作用下：

(1)对于铺设25 000个钩连体方案，护底结构整体稳定，对底床能形成有效防护。

(2)对于无压脚的软体排方案，软体排结构迎浪侧发生大幅度翻卷，护底结构失稳，不能对底床起到有效的防护作用。

(3)对于软体排方案分别辅助16 t栅栏板和9 t网箱石笼压脚，护底结构保持稳定，对底床起到有效的防护作用；网箱石笼重量为栅栏板重量的0.56倍，受力性能好，材料利用率高。