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泰州长江公路大桥是世界上首座跨径超千米的三塔两跨悬索桥，主桥跨度2×m。大桥按双向6车道高速公路标准建设，设计行车速度km/h，汽车荷载等级为公路-I级，桥面净宽33m。泰州大桥于年12月开工建设，年11月25日建成通车。

自泰州大桥开通运营以来，运维管理单位持续开展了沉井基础局部冲刷监测、分析以及冲刷深度预测，对大型深水沉井基础局部冲刷的影响研究具有重要意义。

入土最深的水中沉井基础

泰州大桥地处长江扬中河段泰兴顺直段。扬中河段，上至镇扬河段五峰山，下到江阴水道鹅鼻咀。河道呈东南向，干流长91.7km，支汊总长约68km。河段上端五峰山处，河道平均宽约1.3km，最窄处约1.1km。太平洲右汊长44.2km，洲体长为31.0km，最宽处11.0km，是长江下游最大的江心洲。该洲将水流分为左右两汊，左汊是主汊，江宽水深，多年来分流比维持在90%左右。右汊是支汊，窄浅而弯曲。太平洲左汊至天生港水道由两个弯道组成，其中嘶马弯道为上弯道，小决港以下为下弯道，整个河段平面形态属弯曲分汊型。

泰州大桥有着国内规模最大的纵向人字形横向门式框架钢中塔，钢中塔位于长江中，基础采用圆角矩形沉井基础，沉井标准断面尺寸为58m×44m，总高度为76m，其中底部38m为双壁钢壳混凝土结构，上部38m为钢筋混凝土结构。整个沉井基础下沉深度为-70m，为世界上入土最深的水中沉井基础。根据地质钻探资料，中塔沉井处河床土层以细、粉砂为主，抗冲能力差，易发生床面冲刷。

图1泰州大桥沉井基础结构总图

泰州大桥中塔水中沉井施工从年12月1日着床，到年9月1日下沉到设计标高处，历时天，经历了整个枯水期——丰水期。沉井着床后在年、年相继开展了冲刷监测。根据监测结果，沉井施工期实际冲刷形态与河工模型试验结果基本相符，最大冲刷深度为20.7m，实际冲刷最深点高程为-34.9m。

沉井基础局部冲刷监测及分析

泰州大桥桥区位于长江近河口段，处于径流和潮流的交汇地区，水流运动和地形演变复杂。近年来，长江上、下游及桥区多项大型涉水工程的建立，加剧了该河段局部调整，特别是上游三峡建坝后泥沙输沙量锐减，其长期效应还有待进一步显现。自泰州大桥开通运营以来，为准确掌握桥位处河床地形变化和水中沉井基础周边的冲刷情况，每年均开展相关的监测工作，主要监测方案如下——

A区：①测量范围——以桥轴线为中心，向上、下游各m，两侧测至岸边的0m等高线范围。测量面积约为8.4km2。②测量比尺——1:00。③监测时间——主汛期后监测一次。④监测方法——单波束监测。

B区：①测量范围——以主塔沉井为中心区域×m。②测量比尺——1：0。③监测时间——主汛期前、后各监测一次。⑤监测手段——多波束监测。

图2桥位监测范围示意图

根据泰州大桥历年河床地形及水中沉井基础冲刷监测结果，主要分析如下——

1.桥区河床变化。泰州大桥主桥桥区-5、-10m等高线基本未发生变化较为稳定，20m、-30m等高线略有下移，同时主墩沉井由于水流冲刷作用有局部冲刷坑存在。从运营期变化来看，-20m和-30m等高线总体小幅度冲刷，中塔沉井基础周边-30m冲刷坑在施工期逐渐增大后，到营运期略有增大，变化幅度较小。

桥区-20m等高线变化情况

桥区-30m等高线变化情况

图3泰州大桥主桥桥区-20m、-30m等高线变化情况

2.桥轴线断面变化。泰州大桥桥轴线变化统计如图4。根据监测结果，中塔沉井基础两侧约m范围内河床冲刷明显，其他区域总体略有冲刷，幅度较小。进入营运期以来，沉井两侧河床仍呈小幅冲刷状态，两侧冲刷范围达到沉井宽度的5倍左右，沉井周边冲刷对桥轴线河床断面稳定影响较小。

图4桥轴线断面变化

3.冲刷最深点变化。根据泰州大桥建设期及运营期中塔沉井基础周边多波束地形测量结果，沉井周边最大局部冲刷深度统计如表1。综合施工期和运营期监测结果可知，沉井基础最大冲刷深度与大通站洪峰流量关系密切。年沉井下沉初期随水动力增强，冲刷深度随之增大，最大流量在13/s、10m3/s、m3/s时，最大冲刷深度分别为4～9.9m。进入主汛期后，最大冲深快速发展，年第1个洪水期流量级在40m3/s左右，最大冲刷深度达18.6m；年流量级增至60m3/s，最大冲深为20.7m；-年最大洪峰流量级均未突破60m3/s，最大局部冲刷深度20.7-22.2m之间变化。年最大洪峰流量级达m3/s，最大冲深增至23.7m；-年流量级均未突破，最大冲刷深度在21.0-23.7m之间变化。

图5为历年冲刷最深点轨迹图。可以看出，沉井基础周边冲刷最深点基本围绕其顺桥向中心线上游侧左右摆动。冲刷最深点离沉井基础边缘距离不超过25m。

图5冲刷最深点历年轨迹线图

局部冲刷深度预测

自年6月三峡水库枢纽开始蓄水，以及长江上游向家坝、溪洛渡大型水电枢纽相继于、年运行后，三峡水库坝下的水流泥沙条件发生较大改变。开展新水沙条件下，来水来沙特征变化监测，对泰州大桥水中沉井基础局部冲刷的影响研究具有重要意义，同时也为新水沙条件下泰州大桥沉井基础的冲刷预测提供依据。

大通水文站距离泰州大桥km，其流量、泥沙特征基本代表长江下游来水、来沙特征。根据监测数据，泰州大桥建设期间，大通站输沙总量呈减少趋势；进入运营期后，大通站来沙总量进一步减少，减少幅度达20%。同时，数据显示，历年径流总量略有减少，且年内径流分布趋于均匀。

1.输沙率变化对局部冲刷深度的影响。采用水槽模型试验研究输沙率变化对水中沉井基础局部冲刷深度的影响，试验从两方面进行研究——一是当局部冲刷已经发生时，输沙率变化对沉井基础局部冲刷的影响；二是当局部冲刷未发生时，不同输沙率情况下沉井基础的局部冲刷深度。试验控制条件如表2。当局部冲刷已经发生时，输沙率变化对水中基础桥墩局部冲刷的影响试验结果见表3。当局部冲刷未发生时，不同输沙率情况下的水中基础桥墩局部冲刷深度见表4。

输沙率与局部冲刷深度关系试验结果表明，在桥梁水中基础局部冲刷已经发生的情况下，输沙率变化对局部冲刷深度基本不影响；在桥梁水中基础刚开始冲刷时，输沙率越大，局部冲刷深度越小，输沙率对水中基础局部冲刷深度影响幅度在4%左右。因此，针对泰州大桥水中基础局部冲刷已经发生的情况下，上游来沙的变化对水下基础局部冲刷幅度影响不大。从试验结果看，水中基础局部冲刷深度主要受水流动力条件影响较大。

2.墩前行近流速对局部冲刷深度的影响。中塔沉井基础自施工期至年底，遭遇大通站最大流量为年7月份70m3/s，沉井基础最大局部冲刷深度23.1m。根据施工期局部冲刷试验成果和运营期现场监测数据，在1-70m3/s流量区间内，中塔沉井基础局部冲刷深度见表5。

根据大型桥梁水中基础运营期局部冲刷验证试验结果，局部正态水槽试验研究水中基础桥墩局部冲刷深度具有较高的可靠性。为此，对于中塔沉井基础遭遇70m3/s流量以上动力条件时，进行了水槽拓展试验，试验水流动力条件及结果见表6。

图6沉井基础拓展性试验冲刷形态图

根据泰州大桥沉井基础施工期局部冲刷试验成果、沉井基础运营期局部冲刷验证试验结果、沉井基础拓展性试验结果，泰州大桥沉井遭遇90m3/s流量时最大局部冲刷深度可达41m。泰州大桥沉井基础不同流量下的局部冲刷深度见表7。根据表7，对水中沉井基础局部冲刷深度与墩前行近流速进行拟合，得到关系如图7。

图7新水沙条件下中塔沉井基础局部冲刷深度与行近流速关系

年汛期，长江流域发生多轮强降雨，上游持续来水，导致年7月长江发生流域性大洪水，大通水文站自7月初以来水位持续快速上涨，至7月12日达最高水位16.24m，最大洪峰流量达到m3/s。根据年汛后监测结果，泰州大桥沉井基础周边最大冲深增至30.8m，与上述拟合曲线理论计算结果较好地吻合。

泰州大桥所处太平洲分汊河段历年来分流稳定，桥位区及上、下游河势有利于大桥的安全运营。近年来，随着桥位上、下游及桥区多项大型涉水工程的建立，水流泥沙条件发生变化。根据历年监测结果分析及冲刷试验研究，泰州大桥水中沉井基础的局部冲刷深度主要随水流动力条件影响，通过拟合的中塔沉井基础局部冲刷深度与墩前行近流速关系曲线，可较好地对沉井基础冲刷深度进行预测，而上游来沙的变化对沉井基础局部冲刷深度影响不大。

本文刊载/《大桥养护与运营》杂志

年第4期总第16期

作者/金世安

作者单位/江苏泰州大桥有限公司