泰州長江公路大橋是世界上首座跨徑超千米的三塔兩跨懸索橋，主橋跨度2×1080m。大橋按雙向6車道高速公路标準建設，設計行車速度100km/h，汽車荷載等級為公路-I級，橋面淨寬33m。泰州大橋于2007年12月開工建設，2012年11月25日建成通車。
自泰州大橋開通營運以來，運維管理機關持續開展了沉井基礎局部沖刷監測、分析以及沖刷深度預測，對大型深水沉井基礎局部沖刷的影響研究具有重要意義。
入土最深的水中沉井基礎
泰州大橋地處長江揚中河段泰興順直段。揚中河段，上至鎮揚河段五峰山，下到江陰水道鵝鼻咀。河道呈東南向，幹流長91.7km，支汊總長約68km。河段上端五峰山處，河道平均寬約1.3km，最窄處約1.1km。太平洲右汊長44.2km，洲體長為31.0km，最寬處11.0km，是長江下遊最大的江心洲。該洲将水流分為左右兩汊，左汊是主汊，江寬水深，多年來分流比維持在90%左右。右汊是支汊，窄淺而彎曲。太平洲左汊至天生港水道由兩個彎道組成，其中嘶馬彎道為上彎道，小決港以下為下彎道，整個河段平面形态屬彎曲分汊型。
泰州大橋有着國内規模最大的縱向人字形橫向門式架構鋼中塔，鋼中塔位于長江中，基礎采用圓角矩形沉井基礎，沉井标準斷面尺寸為58m×44m，總高度為76m，其中底部38m為雙壁鋼殼混凝土結構，上部38m為鋼筋混凝土結構。整個沉井基礎下沉深度為-70m，為世界上入土最深的水中沉井基礎。根據地質鑽探資料，中塔沉井處河床土層以細、粉砂為主，抗沖能力差，易發生床面沖刷。
圖1 泰州大橋沉井基礎結構總圖
泰州大橋中塔水中沉井施工從2007年12月1日着床，到2008年9月1日下沉到設計标高處，曆時197天，經曆了整個枯水期——豐水期。沉井着床後在2009年、2010年相繼開展了沖刷監測。根據監測結果，沉井施工期實際沖刷形态與河工模型試驗結果基本相符，最大沖刷深度為20.7m，實際沖刷最深點高程為-34.9m。
沉井基礎局部沖刷監測及分析
泰州大橋橋區位于長江近河口段，處于徑流和潮流的交彙地區，水流運動和地形演變複雜。近年來，長江上、下遊及橋區多項大型涉水工程的建立，加劇了該河段局部調整，特别是上遊三峽建壩後泥沙輸沙量銳減，其長期效應還有待進一步顯現。自泰州大橋開通營運以來，為準确掌握橋位處河床地形變化和水中沉井基礎周邊的沖刷情況，每年均開展相關的監測工作，主要監測方案如下——
A區：①測量範圍——以橋軸線為中心，向上、下遊各2000m，兩側測至岸邊的0m等高線範圍。測量面積約為8.4km2。②測量比尺——1:10000。③監測時間——主汛期後監測一次。④監測方法——單波束監測。
B區：①測量範圍——以主塔沉井為中心區域500×500m。②測量比尺——1：1000。③監測時間——主汛期前、後各監測一次。⑤監測手段——多波束監測。
圖2 橋位監測範圍示意圖
根據泰州大橋曆年河床地形及水中沉井基礎沖刷監測結果，主要分析如下——
1.橋區河床變化。泰州大橋主橋橋區-5、-10m等高線基本未發生變化較為穩定，20m、-30m等高線略有下移，同時主墩沉井由于水流沖刷作用有局部沖刷坑存在。從營運期變化來看，-20m和-30m等高線總體小幅度沖刷，中塔沉井基礎周邊-30m沖刷坑在施工期逐漸增大後，到營運期略有增大，變化幅度較小。
橋區-20m等高線變化情況
橋區-30m等高線變化情況
圖3 泰州大橋主橋橋區-20m、-30m等高線變化情況
2.橋軸線斷面變化。泰州大橋橋軸線變化統計如圖4。根據監測結果，中塔沉井基礎兩側約230m範圍内河床沖刷明顯，其他區域總體略有沖刷，幅度較小。進入營運期以來，沉井兩側河床仍呈小幅沖刷狀态，兩側沖刷範圍達到沉井寬度的5倍左右，沉井周邊沖刷對橋軸線河床斷面穩定影響較小。
圖4 橋軸線斷面變化
3.沖刷最深點變化。根據泰州大橋建設期及營運期中塔沉井基礎周邊多波束地形測量結果，沉井周邊最大局部沖刷深度統計如表1。綜合施工期和營運期監測結果可知，沉井基礎最大沖刷深度與大通站洪峰流量關系密切。2008年沉井下沉初期随水動力增強，沖刷深度随之增大，最大流量在120003/s、15000m3/s、30000m3/s時，最大沖刷深度分别為4～9.9m。進入主汛期後，最大沖深快速發展，2008年第1個洪水期流量級在45000m3/s左右，最大沖刷深度達18.6m；2010年流量級增至65000m3/s，最大沖深為20.7m；2010-2015年最大洪峰流量級均未突破65000m3/s，最大局部沖刷深度20.7-22.2m之間變化。2016年最大洪峰流量級達70700m3/s，最大沖深增至23.7m；2016-2019年流量級均未突破，最大沖刷深度在21.0-23.7m之間變化。
圖5為曆年沖刷最深點軌迹圖。可以看出，沉井基礎周邊沖刷最深點基本圍繞其順橋向中心線上遊側左右擺動。沖刷最深點離沉井基礎邊緣距離不超過25m。
圖5 沖刷最深點曆年軌迹線圖
局部沖刷深度預測
自2003年6月三峽水庫樞紐開始蓄水，以及長江上遊向家壩、溪洛渡大型水電樞紐相繼于2012、2013年運作後，三峽水庫壩下的水流泥沙條件發生較大改變。開展新水沙條件下，來水來沙特征變化監測，對泰州大橋水中沉井基礎局部沖刷的影響研究具有重要意義，同時也為新水沙條件下泰州大橋沉井基礎的沖刷預測提供依據。
大通水文站距離泰州大橋320km，其流量、泥沙特征基本代表長江下遊來水、來沙特征。根據監測資料，泰州大橋建設期間，大通站輸沙總量呈減少趨勢；進入營運期後，大通站來沙總量進一步減少，減少幅度達20%。同時，資料顯示，曆年徑流總量略有減少，且年内徑流分布趨于均勻。
1.輸沙率變化對局部沖刷深度的影響。采用水槽模型試驗研究輸沙率變化對水中沉井基礎局部沖刷深度的影響，試驗從兩方面進行研究——一是當局部沖刷已經發生時，輸沙率變化對沉井基礎局部沖刷的影響；二是當局部沖刷未發生時，不同輸沙率情況下沉井基礎的局部沖刷深度。試驗控制條件如表2。當局部沖刷已經發生時，輸沙率變化對水中基礎橋墩局部沖刷的影響試驗結果見表3。當局部沖刷未發生時，不同輸沙率情況下的水中基礎橋墩局部沖刷深度見表4。
輸沙率與局部沖刷深度關系試驗結果表明，在橋梁水中基礎局部沖刷已經發生的情況下，輸沙率變化對局部沖刷深度基本不影響；在橋梁水中基礎剛開始沖刷時，輸沙率越大，局部沖刷深度越小，輸沙率對水中基礎局部沖刷深度影響幅度在4%左右。是以，針對泰州大橋水中基礎局部沖刷已經發生的情況下，上遊來沙的變化對水下基礎局部沖刷幅度影響不大。從試驗結果看，水中基礎局部沖刷深度主要受水流動力條件影響較大。
2.墩前行近流速對局部沖刷深度的影響。中塔沉井基礎自施工期至2019年底，遭遇大通站最大流量為2016年7月份70500m3/s，沉井基礎最大局部沖刷深度23.1m。根據施工期局部沖刷試驗成果和營運期現場監測資料，在12000-70500m3/s流量區間内，中塔沉井基礎局部沖刷深度見表5。
根據大型橋梁水中基礎營運期局部沖刷驗證試驗結果，局部正态水槽試驗研究水中基礎橋墩局部沖刷深度具有較高的可靠性。為此，對于中塔沉井基礎遭遇70500m3/s流量以上動力條件時，進行了水槽拓展試驗，試驗水流動力條件及結果見表6。
圖6 沉井基礎拓展性試驗沖刷形态圖
根據泰州大橋沉井基礎施工期局部沖刷試驗成果、沉井基礎營運期局部沖刷驗證試驗結果、沉井基礎拓展性試驗結果，泰州大橋沉井遭遇91000m3/s流量時最大局部沖刷深度可達41m。泰州大橋沉井基礎不同流量下的局部沖刷深度見表7。根據表7，對水中沉井基礎局部沖刷深度與墩前行近流速進行拟合，得到關系如圖7。
圖7 新水沙條件下中塔沉井基礎局部沖刷深度與行近流速關系
2020年汛期，長江流域發生多輪強降雨，上遊持續來水，導緻2020年7月長江發生流域性大洪水，大通水文站自7月初以來水位持續快速上漲，至7月12日達最高水位16.24m，最大洪峰流量達到84700m3/s。根據2020年汛後監測結果，泰州大橋沉井基礎周邊最大沖深增至30.8m，與上述拟合曲線理論計算結果較好地吻合。
泰州大橋所處太平洲分汊河段曆年來分流穩定，橋位區及上、下遊河勢有利于大橋的安全營運。近年來，随着橋位上、下遊及橋區多項大型涉水工程的建立，水流泥沙條件發生變化。根據曆年監測結果分析及沖刷試驗研究，泰州大橋水中沉井基礎的局部沖刷深度主要随水流動力條件影響，通過拟合的中塔沉井基礎局部沖刷深度與墩前行近流速關系曲線，可較好地對沉井基礎沖刷深度進行預測，而上遊來沙的變化對沉井基礎局部沖刷深度影響不大。
本文刊載 / 《大橋養護與營運》雜志 2021年 第4期 總第16期
作者 / 金世安
作者機關 / 江蘇泰州大橋有限公司