本发明涉及一种水下修复桩基础及冲刷坑的方法，属于桥墩局部冲刷坑的修复设计技术领域。
背景技术：
近年来发生了连阳大桥、西安灞河大桥、巴河特大桥、台湾高屏大桥和浙江长风大桥等桥梁的水毁事件，都是由于水流通过桥墩圆柱体时加速，造成平头墩的侧翼形成较高的流速。在水流接近桥墩处形成一静止面，而在沿墩的静止面形成垂直压力梯度。此压力梯度导致墩前沿产生下向水流，从而形成了冲刷坑，造成墩柱承载力降低，易发生倾覆的危害。因此，在形成冲刷坑形成之后，如何修复成了必须要考虑的防护工程问题。
现有常规修复冲刷坑方法为抛石防冲和填充混凝土模袋防护等，抛石防护至今仍是大、中型桥梁桥墩最广泛采用的防护形式，它具有取材方便、施工简单、能适应地形变化等优点，但其整体性较差，维护费用和工作量较大，维护周期较短。混凝土模袋防护的缺陷在于施工较复杂，当水下地形较陡时防护效果不是很好,特别是当水深较大、水流较急时，水下施工难度大，施工后适应河床变形的能力较差，下部边缘处易受淘刷。这些传统方法存在诸多不足，尚不完善，具有一定的使用局限性，不能完全解决冲刷坑的问题。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提供了一种水下修复桩基础及冲刷坑的方法，主要解决目前防护措施的不足与局限性，修复桥墩基础及冲刷坑的同时，甚至能提高原结构的承载能力。
本发明的目的是这样实现的，一种水下修复桩基础及冲刷坑的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）、在需要修复的桥墩局部冲刷坑周围采用钢板桩围堰施工，在钢板桩围堰内抽水堵漏，直至钢板桩围堰内的水被抽出以及钢板桩围堰不漏水，以达到便于施工的条件；
步骤2）、在距桥墩2m的范围内铺设混凝土垫层，并使用混凝土速凝剂加快达到施工强度要求；
步骤3）、检查桥墩受冲刷侵蚀而破坏的情况，先对桥墩受损后露出的钢筋表面进行除锈处理，然后利用压浆混凝土修补桥墩裂缝，修补完毕后，在距桥墩边缘0.2m处绑扎、铺设钢筋网，完毕后在钢筋网外侧安装模板，模板高出冲刷前河床表面1m，然后将rpc材料灌注于模板内的钢筋网上；
步骤4）、灌注有rpc材料的钢筋网达到设定的强度后，拆除模板，向冲刷坑内填充天然回填土，并压实紧密，其填充深度为冲刷坑坑底至整个冲刷坑深度的55%处；
步骤5）、在天然回填土层基础上，向冲刷坑内填入若干石块，并在若干石块之间注有灌浆，形成碎石灌浆防护层，碎石灌浆防护层的深度为天然回填土层至整个冲刷坑深度的30%处；
步骤6）、在碎石灌浆防护层上用普通硅酸盐水泥砂浆铺平，并在剩余冲刷坑深度的内填充rpc材料，形成rpc层，所述rpc层为圆台形，rpc层侧边与冲刷坑内侧壁之间留有间隙，在rpc层四周的冲刷坑内回填土层，实现桥墩局部冲刷坑的修复。
所述步骤1）中，钢板桩围堰为单层钢板桩围堰或双层钢板桩围堰，根据钢板桩围堰需要达到的强度、止水性以及施工的难度、桥墩局部冲刷坑的实际情况，合理选用单层钢板桩围堰、双层钢板桩围堰；
在施工钢板桩围堰时，在插打钢板桩至预定河床土体深度之前，应先在钢板桩的锁口内涂抹防水混合料，组拼桩时应用油灰和棉絮搪塞拼接缝；钢板桩顶达到设计高程的平面位置偏差，在水上打桩时不得大于20cm，在陆地打桩时不得大于10cm；在插打钢板桩时，如插打钢板桩的起重设备高度不够，允许改变吊点位置，但吊点位置不得低于钢板桩顶以下1/3桩的长度；在拔除钢板桩前，向钢板桩围堰内灌水，使堰内水面高出河水面1～1.5m。
所述步骤2）中，混凝土垫层的厚度≥60mm，使用混凝土速凝剂前应针对所用水泥品种进行试配试验，确定最佳掺入量，并严格将混凝土中水灰比控制在0.40-0.45之间。
所述步骤3）中，所述压浆混凝土的粗骨料采用多级中断级配，最大粒径尽可能采用最大值，最小一级的粒径不得小于2mm，保持适当的空隙以便压浆；压浆混凝土中的砂料宜使用细砂，其细度模数控制在1.2～2.4之间，大于2.5mm的颗粒应予筛除；压浆混凝土施工时，从桥墩的最底部开始，逐渐上升，而且不得间断；
所述模板选用钢模拼装，使用前要经过打磨除锈，然后涂抹一层机油，模板之间采用双面胶带进行密封，模板外侧用钢管支撑至河床底内，并辅以角钢材料进行加固。
所述步骤4）中，选用比河底土层强度高的天然回填土进行填充。
所述步骤5）中要重复考虑所填的石块大小、灌浆材料，石块的外径控制在10-15cm之间，灌浆所选用材料为普通硅酸盐水泥。
所述步骤6）中，在进行rpc材料填充时，形成的rpc层为上端小、下端大的圆台形。
本发明结构合理简单、生产制造容易、使用方便，通过本发明，一种水下修复桩基础及冲刷坑的方法，主要包括六大施工工序：（1）在局部冲刷坑周围进行钢板桩围堰施工，并进行抽水堵漏；（2）铺设混凝土垫层；（3）对桥墩受损钢筋表面除锈，压浆混凝土修补裂缝，绑扎钢筋网，外置模板，灌注rpc并对其养护；（4）在冲刷坑内填充天然回填土，并压实紧密；（5）填入碎石块并灌浆防护；（6）在抛石灌浆防护层上，用普通硅酸盐水泥砂浆铺平，填充rpc致与河床底面相齐平。
上述工序（1）中的钢围堰，需考虑强度、止水性、施工难度的有所不同，根据项目实际情况，合理选用双层和单层钢围堰。工序（1）中，在插打钢板桩之前，应先在锁口内涂抹防水混合料，组拼桩时应用油灰和棉絮搪塞拼接缝。钢板桩顶达到设计高程的平面位置偏差，在水上打桩时不得大于20cm，在陆地打桩时不得大于10cm。在插打钢板桩时，如起重设备高度不够，允许改变吊点位置，但吊点位置不得低于桩顶以下1/3桩的长度。在拔除钢板桩前，向围堰内灌水，使堰内水面高出河水面1～1.5m。
上述工序（2）中，混凝土垫层的厚度≥60mm，使用混凝土速凝剂前应针对所用水泥品种进行试配试验，确定最佳掺入量，并严格将混凝土中水灰比控制在0.40-0.45之间；
上述工序（3）中，合理配置压浆混凝土，压浆混凝土施工时，从桥墩的最底部开始，逐渐上升，而且不得间断；模板选用钢模拼装，使用前要经过打磨除锈，然后涂抹一层机油。模板之间采用双面胶带进行密封。模板外侧用钢管支撑至河床底内，并辅以角钢等材料进行加固。
上述工序（4）中，选用较河底土层强度高的天然回填土进行填充。
上述工序（5）中，为达到较好的防护效果，要重复考虑碎石的大小，基础灌浆材料，过滤层，布设范围等。工序(5)中，抛石的外径控制在10-15cm之间，基础灌浆所选用材料为普通硅酸盐水泥。
上述工序（6）中，所述rpc层的形状为圆台形，在进行rpc材料填充时，将其上下游端部做成向下倾斜，类似于圆台形。工序（6）中,考虑到制备与养护rpc材料的成本，减少高强度钢纤维的投入，以保证工程经济性。
本发明的有益效果在于：
（1）钢围堰可以回收，施工比较方便，钢围堰的制造加工不难；
（2）修复已锈蚀破坏的桥墩，恢复其承载能力，并在外层加固处理，能防止再次受到侵蚀而被破坏，并能提高承载力强度；
（3）注浆碎石在受到水流冲击时，它具有一定的柔韧性，碎石和回填土材料廉价且易获取；
（4）填充新型高性能材料rpc，相较于普通硅酸盐混凝土，具备抗流水冲击能力、抗压强度和抗剪强度及稳定性能好的优点，同时能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀，从整体上提高了体系均匀性、强度和耐久性，采用rpc材料可以极大地减少或免除了维护费用，延长了使用寿命，具有很高的性能价格比；
（5）填充成表面与河床底面齐平、上下游端部呈向下倾斜的圆台形，除可以防止桥墩局部冲刷作用以外，还可减少前缘端部河床受冲刷，因为做成垂直状态，才会在端部形成类似桥墩受冲性质的冲刷坑，而当端部做成倾斜状态时，就避免和减少了冲刷坑的范围和深度。
通过本发明，公开了一种水下修复桩基础及冲刷坑的方法，对形成的冲刷坑进行钢板桩围堰抽水，搭设施工平台，人工修复已受冲刷侵蚀而破坏的桥墩，并进行加固处理，然后在冲刷坑底部一定范围内进行天然回填土填充，在此基础上采用碎石注浆，用普通硅酸盐水泥浆将碎石块上表面铺平，填充制备好的rpc，能够达到修复冲刷坑的作用，提高原结构的承载能力。rpc较普通混凝土具备抗流水冲击能力强、抗流水腐蚀性能好、抗压强度和抗剪强度高的优点，但其成本较高。为降低修复成本，冲刷坑下部采用填充回填土及碎石注浆，上部采用rpc进行浇灌。采用rpc材料可以延长结构寿命，免除维护费用，拥有明显的技术优势，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：1河床土体、2桥墩、3钢板桩围堰、4混凝土垫层、5压浆混凝土、6钢筋网、7模板、8回填土、9石块、10灌浆、11rpc层。
具体实施方式
以下结合附图以及附图说明对本发明作进一步的说明。
一种水下修复桩基础及冲刷坑的方法，进一步详细为：
(1)钢板桩围堰施工
在需要修复的桥墩2局部冲刷坑周围采用钢板桩围堰3施工，在钢板桩围堰3内抽水堵漏，直至钢板桩围堰3内的水被抽出以及钢板桩围堰3不漏水，以达到便于施工的条件；
具体为：
根据实际测量冲刷坑深度的面积和水流形成的冲击强度，确定选用的钢板桩围堰型号，考虑水流流速、风速等影响对其稳定性、安全性进行验算。
搭建临时施工平台，进行测量定位、安装导框、导框制成围笼，内外导梁间距比钢板桩有效厚度多出8～10cm。矩形围笼导梁按设计尺寸直接下料，导梁接头均安排在横撑支点处，接头用夹板螺栓连接。
钢板桩逐块(组)插打到底或全围堰先插合龙后，再逐块(组)打入，矩形围堰先插上游边，在下游合龙。插打钢板桩时从第一块(组)就要保持平整，3～5块插好打稳后即与导框固定，然后继续插打，为了使打桩正常进行，设一台吊机来担负吊桩工作。钢板桩打桩前进方向的锁口下端用木栓塞住，防止泥砂进入锁口内，影响以后插打。凡带有接头的钢板桩应与无接头的桩错开使用，工程要求强度较高时，其接头水平位置至少应上下错开2m以上。
钢板桩插打完成并做好加固措施后即可抽水，抽水时检查各点是否顶紧、板桩与导框间木楔是否挤紧，抽水速度不宜过快，要随时观察围堰的变化情况并做出相应处理。当发生锁口渗漏时，用棉絮在内侧嵌塞，同时在漏缝外侧撒大量木屑或谷糠，使其由水流夹带至漏水处自行堵塞。
（2）在距桥墩2m的范围内铺设混凝土垫层4，并使用混凝土速凝剂加快达到施工强度要求；
具体为：
在这之前搭设施工平台及设备。首先将距桥墩2m范围内冲刷坑底表面的浮土、淤泥、杂物清除干净，并平整地基；然后放线定位、引测高程控制桩，开始铺筑碎石，根据虚铺厚度要求，三轮车铺筑，小挖机平整并在控制桩间拉线，平整度误差不大于3cm；碾压密实，采用平振法施工，用平板振动器往复振捣，夯实的遍数由现场试验确定，边缘和转角碾压应密实，施工时对边角处的碾压不得遗漏；碾压密实后，进行找平验收，对顶面标高及表面平整度进行检查，如果出现高差较大应重新进行人工整平、振实；最后进行混凝土垫层浇筑，垫层厚度依据土体强度与达到施工强度标准，垫层厚度≥60mm，浇筑过程中，混凝土放料要均匀。及时做好压光收面，为防水施工做好基础。严禁在混凝土收面过程中洒水。
(3)修复及加固桥墩施工
具体为：
检查桥墩2受冲刷侵蚀而破坏的情况，先对桥墩2受损后露出的钢筋表面进行除锈处理，然后利用压浆混凝土5修补桥墩2裂缝，修补完毕后，在距桥墩边缘0.2m处绑扎、铺设钢筋网10，完毕后在钢筋网6外侧安装模板7，模板7高出冲刷前河床表面约1m，然后将rpc材料灌注于模板7内，并对其进行养护；具体为：
通过施工平台，将施工人员投放到冲刷坑内，通过人工检查桥墩柱受冲刷侵蚀而破坏的情况，先对受损钢筋表面进行除锈处理，然后利用压浆混凝土修补桥墩裂缝，压浆混凝土的粗骨料采用多级中断级配，最大粒径尽可能采用最大值，最小一级的粒径不得小于2mm，保持适当的空隙以便压浆。砂料宜使用细砂，其细度模数最好控制在1.2～2.4之间，大于2.5mm的颗粒应予筛除。压浆混凝土施工时，从桥墩的最底部开始，逐渐上升，而且不得间断。修补完毕后，在距桥墩边缘约0.2m处绑扎、铺设钢筋网，完毕后在其外侧安装模板，模板选用钢模拼装，使用前要经过打磨除锈，然后涂抹一层机油。模板之间采用双面胶带进行密封。模板外侧用钢管支撑至河床底内，钢管背带并辅以角钢等材料进行加固，模板高出冲刷前河床表面约1m，经检查合格后，将已经配置好的rpc材料灌注于模板内，并对其进行养护
(4)回填土层施工
灌注有rpc材料的钢筋网6达到设定的强度后，拆除模板7，向冲刷坑内填充天然回填土8，并压实紧密，其填充深度为冲刷坑坑底至整个冲刷坑深度的55%处；具体为：
船载天然回填土，利用塔吊设备，将施工材料安放到冲刷坑底，通过高强钢臂，利用吊篮将施工人员投放到坑内，人工将回填土均匀填充坑内，并压实紧密。
（5）注浆碎石施工
具体为：
在天然回填土层8基础上，向冲刷坑内填入若干石块9，并在若干石块9之间注有灌浆10，形成碎石灌浆防护层，碎石灌浆防护层的深度为天然回填土层8至整个冲刷坑深度的30%处。
船载外径为10～15cm的石块14，利用设备将其紧密填充在天然回填土层至整个冲刷坑深度的30%处。
采用水泥砂浆填充灌浆，水泥强度为42.5r普通硅酸盐水泥，砂粒径不大于1mm，其细度模数不大于2.0。灌浆孔采用风动潜孔锤跟套管护壁成孔。灌浆孔分排布置，共布置三排，排与排间距约1.5m，并穿透碎石层不少于1.5m。
水泥砂灌浆采用埋设孔口管、纯压式灌浆方法。分为两个次序进行，先灌第一排，再灌第三排，后灌第二排。考虑到碎石空隙多，吸浆量大，先采用无压自重灌浆，然后再利用压力泵进行有压灌浆，压力大小控制参考技术要求。在设计的压力下，灌浆孔停止吸浆，并继续灌注10min即可结束。
（6）填充rpc
具体为：
在碎石灌浆防护层上用普通硅酸盐水泥砂浆铺平，并在剩余冲刷坑深度的内填充rpc材料，形成rpc层11，rpc层11为圆台形，rpc层11侧边与冲刷坑内侧壁之间留有间隙，在rpc层11四周的冲刷坑内回填土层8，实现桥墩2局部冲刷坑的修复。
在碎石块的上表面，用普通硅酸盐水泥浆铺平。按强度要求，将调制好rpc浇筑在特制的模具内。rpc材料的水胶比不能大于0.2，搅拌完毕的rpc材料拌合物在30min内灌注模具完毕。
模具静停6h后，开始升温，升温速度应不大于12℃/h，初养恒温为40℃，降温速度应不大于15℃/h，初养和静停时间总共24小时。人工拆除磨具，考虑到现场施工条件，根据相关规范,对rpc进行热水养护，水温控制在90℃。拆模后立即进行，可缩短养护周期，加快施工速度,节约工程成本。养护时长控制在3～4天。
养护完成后，在余留的边坑内填入天然回填土，最后将钢围堰拆除回收。
修复好的冲刷坑，下部为回填土及注浆碎石部分，因为制备rpc的成本较高，在不影响整体防护效果的同时，经济性得到保障。
在上述工艺中，可以有效的达到修复桥墩基础及局部冲刷坑的目的，并能恢复甚至扩大桥墩的原有承载能力。以上为本发明的实施方法及施工工艺，并非因此限制本发明的专利范围，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。