<em>海堤开口</em>中海床防护设计探讨

海堤开口中海床防护设计探讨

摘要：在厦门集杏海堤开口改造工程中对海床及临近桥墩等建构筑物冲刷进行研究，并提出工程防护措施。同时，对国内外不同的冲刷深度理论计算公式进行分析计算，在对计算结果进行研究对比的基础上，提出作者自己的看法，为类似桥墩冲刷、海床防护工程研究、设计提供了参考和借鉴。

关键词：海床防护 冲刷 水闸 桥墩

 

1 概述

厦门集杏海堤开口改造工程位于厦门西海域西北部杏林湾湾口的集杏海堤东段（见图1-1工程总体布置示意图），建设规模为新建水闸一座，采用闸涵结合的结构型式，闸孔总净宽264m，主要是为了提高杏林湾水库的防洪设计标准，达到50年一遇湾内水位控制在1.40m的防洪要求，减少洪涝灾害对周边人民的生产和生活安全造成的不利影响。

海堤开口处东南侧约650m处为已建杏林大桥（见图1-2），该工程是省重点工程，是福厦铁路及公路进出岛北通道的重要组成部分，对厦门经济发展具有重要意义。海堤开口后堤前水域水流流态有一定变化，在桥墩处最大流速达2m/s以上，区域为滨海地貌，上覆层为淤泥软弱层，抗冲刷能力极差。将对海床产生一定冲刷，危及桥墩安全，故需对桥墩区域海床进行防护。

 

  图1-1        工程总体布置示意图 

    图1-2       杏林大桥

2 湾外侧水闸消能防冲结构设计

湾外侧闸下消能采用底流消能。采用钢筋砼消力池，池深2.0m，池长18m。为消减水流的剩余能量，使水流均匀地扩散，减少底部冲刷，消力池后端设置海漫。海漫末端设置防冲槽，防冲槽内抛填块石

3 防护方案

结合模型试验开口后水流流速流态情况，口门处最大达3.08m/s，桥墩处最大达2.08m/s，设计采用全范围抛石防护，参照《防波堤设计与施工规范》（JTJ298-98）有关规定进行护底块石的稳定重量和面层厚度计算，其防护范围为317679m²，抛石块石规格为单块重量100～200kg，按抛填两层考虑，厚度为1m。经防护后，能满足海床冲刷和桥墩基础安全的需要。

4 对海床冲刷的分析研究

本工程实施后，水流冲刷对建构筑物的影响主要有两方面。一方面是海床冲刷引起水闸消能设施的破坏；另一方面是水流对杏林大桥桥墩的局部冲刷，从而影响杏林大桥的安全。

4.1对水闸下游海床冲刷的分析研究

4.1.1水闸下游冲刷机理

水流流经水闸流向下游时，具有较大的上下游水位差，同时闸宽一般小于上、下游河宽，使过闸流量比较集中，单宽流量加大。因此，过闸水流具有较大的动能，一般需采取适当的消能防冲措施，保护下游河道。

4.1.2水闸下游冲刷计算

结合试验中得出的流量和流速，选用SL265-2001《水闸设计规范》［1］公式（式（1））和毛昶熙公式（式（2））[2]分别估算水闸下游冲刷深度，其最大冲刷深度计算结果见表4-1。

表4-1              水闸末端海床最大冲刷深度估算

工况	水位组合		单宽流量（m3/s）	最大流速（m3/s）	抗冲流速（m3/s）	冲刷坑深度（m）
	上游水位（m）	下游水位（m）				dm（式1）	tp（式2）
1	1.4	1.2	9.5	1.93	0.8	7.9	7.5
2	1.4	1	12.6	2.66	0.8	12.4	11.9
3	1.4	0.8	16.7	3.69	0.8	18.2	17.8
4	1.4	0.6	18.0	4.14	0.8	20.1	19.8

注：表中上下游水位数值为计算为表明其差值对冲刷深度的影响，实际运行管理中，上下游不允许有过大的水头差，一般应控制在30cm之内。

从表4-1计算结果可知：

（1）闸上下游水头差对冲刷深度的影响非常大，从水闸的冲刷安全角度而言，必须严格控制闸上下游运行水头差。

（2）相同运行水位组合时，采用不同计算公式得出的冲刷值差异较大，表中计算冲刷坑深度达7.5～20.1m。分析认为，在实际工程中，冲刷坑的形成是一个动态过程，随着冲刷坑的加深，水流流速变小，河床抗冲流速将加大，实际冲刷坑深度将小于表中计算深度。式（1）、式（2）计算结果相近，研究认为计算是合理的。

4.2 对桥墩附近海床局部冲刷的分析研究

4.2.1桥墩局部冲刷机理

桥墩是一个阻水建筑物，从建设到使用在桥墩周围发生的床面冲刷和泥沙运移是个较为复杂的过程。引起桥墩冲刷的主要原因有二：一是由于桥墩阻水而在墩前形成壅水产生下移螺旋流，立轴漩涡体系向下游传播发展，在桥墩下游形成回流区，该回流区的流动是有旋流动，漩涡的中心形成真空，卷起泥沙带往下游，从而导致河床下切；二是由于桥墩阻水形成侧向绕流产生马蹄形螺旋流淘刷两侧地形，从而导致桥墩周围床面的冲刷，在马蹄形漩涡的作用下，桥墩周围河床上的泥沙被冲起带向下游，逐渐形成冲刷坑。当冲刷坑发展到一定深度时，水流能量减弱，冲刷逐渐停止（见图4-1）。因此，冲刷坑的形成是由局部水流条件的改变引起。

图4-1  桥墩局部冲刷现象示意图

4.2.2桥墩冲刷计算分析

1、计算条件

⑴桥墩冲刷计算水位采用开闸放水时桥墩处水位。湾内防洪水位为1.4m，考虑0.2m水头差，桥墩冲刷计算水位为1.2m(黄海)。

⑵桥墩冲刷计算流速采用物模报告提供的2.08m/s，由于桥位处流向受多种因素影响，目前无流向资料，本次估算按5°考虑。

⑶桥址处表层为淤泥及淤泥质粘性土，其下为砂或风化的花岗岩。

2、桥墩冲刷研究

桥位位于厦门海区，本次计算采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2002）中的河槽部分冲刷计算公式。按一般冲刷和局部冲刷分别进行计算，并根据滨海淤泥层地质条件，选用粘性土河床桥墩冲刷公式进行计算。

（1）冲刷深度的影响分析

①本桥址表层淤泥质粘性土的液性指数IL＝1.58大于一般冲刷公式的上限1.19，也大于局部冲刷公式中的上限1.48，所以本次冲刷计算采用当量粒径取D＝0.005mm，和粘性土IL＝1.58二种方法进行计算，取其不利者。

②冲刷计算床面采用桥址处的多年的断面资料选取最不利断面，根据工程设计方案。本桥采用-5.94m和-4.20m。

③本桥的桥墩为并列2组，墩号范围为24#～34#，规范中的冲刷计算公式为单墩，如果水流夹角为零度，则无影响，现在水流与桥轴线的交角未知，暂时用5度计算。本次计算将按各自独立的单墩和两墩连在一起分别计算，取其不利者，计算结果见表4-2。同时，对不同单宽流量时的冲刷情况进行了计算，其结果汇总见表4-4。

（2）冲刷计算成果

表4-2                   海堤改造工程集杏大桥冲刷估算成果表

墩号	24＃	25＃	26＃	27＃	28＃	29＃	30＃	31＃	32＃	33＃	34＃
计算水位(m)	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2	1.2
计算流速（m/s)	2.08	2.08	2.08	2.08	2.08	2.08	2.08	2.08	2.08	2.08	2.08
原地面高程(m)	-3.85	-3.71	-4.20	-2.67	-1.98	-2.25	-2.38	-2.33	-2.55	-2.42	-2.26
一般冲刷后河床高程(m)	-13.68	-13.68	-11.79	-11.79	-11.79	-11.79	-11.79	-11.79	-11.79	-11.79	-11.79
局部冲刷后河床高程（m)	-15.5	-15.5	-15.5	-17.5	-19.5	-19.5	-17	-17	-19.5	-20.5	-20.5
冲刷终止层地质	风化 岩石	风化 岩石	中粗 砾砂	中粗 砾砂	中粗 砾砂	中粗 砾砂	中粗 砾砂	中粗 砾砂	风化 岩石	中粗 砾砂	中粗 砾砂

 

此外，本研究在分析桥墩局部冲刷产生机理的基础上，还选用有代表性的国内外桥墩的其他局部冲深公式对大桥主桥墩的局部冲深进行计算与比较提出冲深分析结果。关于桥墩局部冲刷深度的计算公式众多，由于桥墩附近水流结构十分复杂，要从理论上建立描述这一物理现象的合理数学模型还存在着诸多困难，目前，用于桥墩局部冲深计算的公式一般是经验公式、半理论半经验公式，考虑的因素主要有水流因素（包括流速和水深）、河床泥沙因素（河床泥沙粒径、容重等）、桥墩因素（桥墩形状、桥墩计算宽度、桥墩与水流流向的夹角等）。本研究选用了具有代表性的五个桥墩局部冲深公式对桥墩局部冲深进行了计算，下面将这五个桥墩局部冲深公式归纳如下：

3、国内规范公式

（1）65-1式 修正式，《铁路桥渡勘测设计规范（TBJ-86）》推荐的河床桥墩局部冲刷公式。计算结果见表4-4、表4-5。

式中，h_s为桥墩局部冲刷深度（m），一般冲刷后床面算起；K_ξ为墩形系数，可查规范表得到；h_p为一般冲刷后水深（m）；B₁为桥墩计算宽度；V为一般冲刷后垂线平均流速；V₀为河床泥沙起动流速，可采用沙莫夫公式进行计算；d为河床质平均粒径；V′₀为墩前泥沙起冲流速；K_η为河床颗粒影响系数；本公式除d单位为mm外，其余各项采用kg.m.s制。

（2）周玉利简化公式

周玉利从桥墩局部冲刷的马蹄形旋涡理论出发，利用不同国家的实测资料，用量纲分析原理和逐步回归分析，建立了一个形式简单的桥墩局部冲刷计算公式：

h_s=0.304K_ξh^0.29B^0.53D^-0.13V^0.61

式中：h_s为桥墩局部冲刷坑深度；K_ξ为墩型系数，见《公路桥位勘测设计规范（JTJ062-91）》，可查表确定,本研究取K_ξ=1；h为行进水流深度（m），取一般冲刷后水深；B为桥墩计算宽度（m）；D为床沙平均粒径（m）；V为一般冲刷后墩前流速（m/s）；本公式采用kg.m.s 制；其它符号同前。计算结果见表4-4、表-5。

4、国外Ahmand、Inglis-poona、Shen，et al 计算公式

国外有许多学者致力于桥墩局部冲深的研究，提出了相当多的经验公式或半理论半经验公式，而且很多公式形式上有很多类似之处，但由于各公式是在不同的水力变量下得到的，因而它们的系数也存在很大的差异，以下列出具有代表性的Ahmad 和Inglis-poona 以及Shen，et al 桥墩局部冲刷计算公式。

式中，b₂为垂直于行进水流的桥墩设计宽度；h₀为行进水流深度；F为Froude数，；d 为泥沙的平均粒径（m）；A、B 为常数；m、n、p、r 为指数；具体的系数和参数见表4-3，计算结果见表4-4、表-5。

表4-3                       系数和指数

4.2.3代表公式计算结果及分析

经计算可看出，随着洪水上下游水头增大，水深的增加，桥墩局部冲深亦增大。其中周玉利简化公式、《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2002）的河槽部分冲刷计算公式以及国外Shen，et al计算公式结果相当接近，而《铁路桥渡勘测设计规范（TBJ-86）》推荐的河床桥墩局部冲刷公式和国外国外Ahmand、Inglis-poona计算结果则较为接近。不同公式计算结果存在差别的原因，一是经验公式中考虑因素少，不够全面；二是半经验半理论公式在推导过程中有许多假定条件，加之未知的参数大都用试验资料确定，而试验资料的范围及试验条件有限，因而实际应用时难免出现一定的误差，而铁路桥渡工程相对公路而言，其安全等级要求更高，因此较公路行业计算公式的安全系数也会更高些，导致计算的冲刷深度更大些。国内规范公式是在大量收集试验和现场资料的基础上，结合我国河流的特点提出来的，考虑因素较为全面，并且一般都取了冲深的上包线值，因而计算结果是较合理可信的。同时建议进一步结合物理模型试验进行核实验证，以便对防护方案进一步优化设计。

 

 

表4-4                        桥墩局部冲刷深度结果汇总表

单宽流量工况(m3/s)	hb桥墩局部冲刷深度结果（m）
	公路规范公式	铁路规范公式	周玉利简化公式	Ahmad	Inglis-poona	Shen，et al
9.52	1.31	5.72	1.23	6.52	6.69	1.28
12.62	1.46	6.73	1.39	7.93	7.75	1.39
16.74	1.62	7.84	1.57	9.65	8.98	1.50
17.95	1.66	8.13	1.62	10.13	9.32	1.53

表4-5                      总冲刷深度结果汇总表

单宽流量 工况(m3/s)	总冲刷深度结果（m）
	公路规范公式	铁路规 范公式	周玉利 简化公式	Ahmad	Inglis -poona	Shen，et al
9.52	10.00	14.42	9.92	15.21	15.39	9.97
12.62	11.82	17.10	11.76	18.30	18.12	11.75
16.74	13.99	20.21	13.94	22.02	21.35	13.87
17.95	14.58	21.05	14.54	23.05	22.24	14.45

 

5 结论与建议

（1）排洪闸在闸下湾外水位较低时开闸运行，水面波动较大，水闸下游出现波状水跌，对水闸下游冲刷破坏能力较强，因此，水闸不宜在闸下低水位运行，而且闸下必须采取防护措施。

（2）采用冲刷公式得出的冲刷坑深度为7.5～20.1m，表明水闸下游冲刷程度很严重，必须采取可靠的防冲保护措施。

（3）目前，用于计算桥墩局部冲深的公式一般是经验公式、半理论半经验公式，至今还没有桥墩局部冲深的纯理论推导公式。本文采用的经验公式的计算结果，可对河床变化以及桥墩的局部冲刷问题作初步的判断。从保证工程安全运行的角度出发，建议对河道的桥墩周边局部区域及相应的河道堤岸坡作适当的防护工程措施（如抛石等），并加强对桥墩周边区域冲刷坑的监测，以确保工程的安全运行。

（4）经抛石防护后，能有效防止海床受集中水流冲刷的破坏影响，保证桥墩受水流冲刷的稳定安全，但由于种种最不利断面的选择等冲刷计算因素存在较大不确定性，防护范围需模型实验才能进一步优化设计确定。