寇偉航

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

橋墩局部沖刷的機(jī)理及防護(hù)措施

寇偉航

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

由橋墩周圍高強(qiáng)度的水流紊動(dòng)和旋渦體系所引起的墩附近局部河床床面的下切現(xiàn)象，可能損傷這些橋梁的各自結(jié)構(gòu)，甚至導(dǎo)致更為嚴(yán)重的事故。本文對(duì)橋墩局部沖刷機(jī)理進(jìn)行了研究，重點(diǎn)總結(jié)了工程中各類常用沖刷防護(hù)措施的原理以及優(yōu)劣，并對(duì)主、被動(dòng)防護(hù)措施進(jìn)行了比較。

局部沖刷；沖刷機(jī)理；防護(hù)措施

一、引言

局部沖刷是沖積河床水流沖蝕作用引起的一種自然現(xiàn)象，橋梁基礎(chǔ)沖刷包括橋墩沖刷和橋樁沖刷，由此導(dǎo)致的橋梁破壞常有發(fā)生，在橋梁工程中橋墩周圍的局部沖刷幾乎是一個(gè)不可避免的問(wèn)題，這種橋墩附近局部河床床面的下切現(xiàn)象，通常是由橋墩周圍高強(qiáng)度的水流紊動(dòng)和旋渦體系所引起的，關(guān)系到橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定。因此，橋梁設(shè)計(jì)工作者在進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮采取一些防護(hù)工程對(duì)橋墩周圍的床面進(jìn)行防護(hù)，以保證橋墩的安全與穩(wěn)定。

二、橋墩局部沖刷機(jī)理

由橋墩干擾水流和泥沙的運(yùn)動(dòng)而引起的河床沖刷，它們交織在一起同時(shí)進(jìn)行，沖刷過(guò)程非常復(fù)雜。通常把橋墩的最大沖刷深度分為獨(dú)立的三個(gè)部分：自然演變引起的沖刷、一般沖刷和局部沖刷，并假定它們相繼發(fā)生進(jìn)行。由于橋墩阻流產(chǎn)生的水流沖擊和渦流作用，在橋墩周圍分離出三維邊界層，從而產(chǎn)生具有高紊動(dòng)和高流速特性的局部水流，引起旋渦并向下游傳播和發(fā)展，產(chǎn)生很大的床面切力，在橋墩周圍形成的局部河床變形稱為橋墩局部沖刷。

橋墩局部沖刷深度影響因素眾多，與橋墩形狀、橋墩附近的水流強(qiáng)度以及河床組成密切相關(guān)，局部沖刷機(jī)理十分復(fù)雜，概括起來(lái)，主要有以下三種觀點(diǎn)：

(一)墩周流場(chǎng)的旋渦體系。將橋墩放入三維不擾動(dòng)的流速場(chǎng)中，墩前緣水流遇阻后由于近河底流速小，上部流速大，在河底處形成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的橫軸漩渦，并沿床面移向橋墩兩側(cè)與繞流形成馬蹄形漩渦系。墩周局部沖刷是由馬蹄形漩渦系產(chǎn)生很高的河床剪力而形成的。

(二)墩前下降水流的沖擊作用。橋墩對(duì)水流的阻礙，引起橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)的劇烈變化，在墩頭前緣形成一種“下降水流”，垂直向下沖刷床面泥沙，在墩前形成沖刷坑。

(三)水流受橋墩的壓縮作用。橋墩周圍的局部沖刷是由于橋墩壓縮了水流，改變了墩周原來(lái)的流速分布，在墩的兩側(cè)流速相對(duì)增大，從而使墩兩側(cè)首先引起沖刷，沖刷逐步發(fā)展到墩的正面。上述三種原理不是孤立作用的，而是相互聯(lián)系相互影響的，由此可以看出，橋墩對(duì)水流的壓縮和阻礙作用，使墩周流場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生橋墩兩側(cè)的“集中水流”和橋墩前的“下降水流”，“集中水流”和“下降水流”是形成馬蹄形漩渦的內(nèi)在原因，而馬蹄形漩渦系則是產(chǎn)生墩周局部沖刷的直接原因。

三、主動(dòng)防護(hù)措施

在實(shí)際工程中，可以在河床高程附近增設(shè)底板或者護(hù)圈等，通過(guò)減小沖刷水流的原動(dòng)力來(lái)提高抗沖刷性能，這種“減沖”的防護(hù)方式即主動(dòng)防護(hù)。比較典型的方法有墩前犧牲樁、護(hù)圈、環(huán)翼式橋墩、護(hù)殼、下游石板等防護(hù)措施。

(一)墩前犧牲樁。在橋墩基礎(chǔ)的上游布置一系列小直徑的群樁。當(dāng)上游水流沖來(lái)時(shí)，先遇到這些樁，使來(lái)流的速度減小，沖刷能量相應(yīng)地降低，沖刷方向被擾動(dòng)，使其與橋墩基礎(chǔ)的作用減弱，從而達(dá)到防護(hù)的目的。在實(shí)際工程中，該防護(hù)措施存在明顯的缺陷，如水流方向改變或河流變化都會(huì)使得原先設(shè)計(jì)的犧牲樁防護(hù)效果大大減小。

(二)護(hù)圈。在橋墩一定高度處設(shè)置各種形式的護(hù)圈。護(hù)圈的存在使得橋墩周圍的下降水流和馬蹄形漩渦得到較好的削弱，也使得前進(jìn)水流經(jīng)過(guò)橋墩時(shí)的能量被削弱，從而起到防護(hù)的作用。

(三)環(huán)翼式橋墩。環(huán)翼式橋墩是在橋墩上合適的位置加裝一定數(shù)量的擋板，形似翼狀。該方法是從削弱水流的能力著手，通過(guò)翼狀擋板改變下潛水流的方向和大小，從而削弱漩渦淘蝕與降低搬運(yùn)河床顆粒的能力。

(四)護(hù)殼。護(hù)殼是安置在浸入水中的橋墩外表面的一種防護(hù)手段，通過(guò)在橋墩表面附加粗糙的護(hù)殼來(lái)起到防護(hù)的作用。護(hù)殼能夠很好地降低水流沖擊，有效地防止二次流和馬蹄形漩渦，降低了尾流強(qiáng)度，從而達(dá)到較好的防護(hù)效果。護(hù)殼防護(hù)能夠較好地減小沖刷，而且具有設(shè)備簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、適用范圍廣等特點(diǎn)。

(五)下游石板。下游石板防護(hù)是在橋墩的下游某處放置一塊石板，石板位于河床上，并且向整個(gè)河床截面延伸。存在于下游的石板，能夠很好地減小水流的流速，從而使得尾流漩渦減小，達(dá)到減小尾流沖刷的目的。

四、被動(dòng)防護(hù)措施

從被沖刷對(duì)象著手，在橋墩周圍的河床鋪設(shè)諸如碎石等的保護(hù)層，該類方法屬于被動(dòng)防護(hù)范疇，旨在增強(qiáng)墩周土體的抗沖刷能力，比較典型的方法有拋石、部分拋石灌漿、擴(kuò)大墩基礎(chǔ)，四面體透水框架群等。

(一)拋石。拋石是應(yīng)用最為廣泛的防護(hù)形式之一，其特點(diǎn)在于取材方便，工藝簡(jiǎn)單，操作實(shí)施靈活性大。拋石一方面增加了泥沙卷?yè)P(yáng)起動(dòng)所需要的水流作用力，另一方面其粗糙的石塊在一定程度上減緩了底層水流速度。但拋石防護(hù)的整體性較差，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和工作量較大，特別是當(dāng)流速急劇增大、河床床面出現(xiàn)較大變化時(shí)，拋石相對(duì)位置發(fā)生了變化，失去了防護(hù)作用。

(二)擴(kuò)大墩基礎(chǔ)防護(hù)。擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)是指在施工階段先將鋼圍堰埋入河床以下一定深度，再進(jìn)行下部樁基礎(chǔ)施工，基礎(chǔ)施工完成后在床面以上預(yù)留一定高度封頂，然后在其頂面上放置橋墩的防護(hù)工程措施。該防護(hù)措施致力于解決下降水流帶來(lái)的淘刷力，防止其直接沖刷泥沙以及減弱馬蹄形流的沖砂攜砂能力。但是對(duì)于具有泥沙搬運(yùn)特性的動(dòng)床，當(dāng)泥沙發(fā)生移動(dòng)時(shí)，便失去了原來(lái)的作用和效果[5]。

(三)四面體透水框架群防護(hù)。四面體透水框架群是一種在橋墩周圍拋投四面體的方法。其工作原理是利用四面體框架群對(duì)來(lái)流進(jìn)行消能減沖，減小漩渦，穩(wěn)固河床，從而達(dá)到防護(hù)的目的。該方法最早是運(yùn)用于江河護(hù)岸和堤防等，后來(lái)逐漸引入了沖刷防護(hù)領(lǐng)域，這種防護(hù)技術(shù)機(jī)理新穎，兼具兩種防護(hù)措施的特點(diǎn)，造價(jià)較低，適用面廣。

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析沖刷機(jī)理，認(rèn)為橋墩阻礙水流行進(jìn)出現(xiàn)的馬蹄形漩渦系則是產(chǎn)生墩周局部沖刷的直接原因。然后重點(diǎn)總結(jié)了工程中各類常用沖刷防護(hù)措施，工程上現(xiàn)行的防護(hù)方式多以被動(dòng)防護(hù)為主，其中拋石防護(hù)最為常見。被動(dòng)防護(hù)只是機(jī)械地提高墩周土體的抗沖能力，不能從沖刷產(chǎn)生的原因入手，經(jīng)常需要進(jìn)行修繕維護(hù)，代價(jià)高，工作量大，相反，主動(dòng)防護(hù)著眼于沖刷的根源，從擾動(dòng)水流結(jié)構(gòu)入手，降低來(lái)流的作用，從而起到很好的防護(hù)效果，雖然一次性投入可能較被動(dòng)防護(hù)要多，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，修繕維護(hù)的人力和財(cái)力會(huì)被顯著降低，應(yīng)是未來(lái)局部沖刷防護(hù)的發(fā)展方向。

[1]Brice J C，Blodgett J C.Countermeasures for hydraulic problems at bridge[R].Washington D.C.:Federal Hay.Administration，1978.

[2]Melville B W，Hadfield A C.Use of sacrificial piles as pier scour Countermeasures[J].Journal of Hydraulic Engineering，1999.

[3]張萬(wàn)鋒，文恒，牟獻(xiàn)友，等.環(huán)翼式橋(閘)墩防沖刷實(shí)驗(yàn)研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011.

[4]成蘭艷，牟獻(xiàn)友，文恒，等.環(huán)翼式橋墩局部沖刷防護(hù)試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展，2012.

[5]房世龍，陳紅.新型橋墩局部沖刷防護(hù)工程潰敗機(jī)理研究[J].甘肅水利水電技術(shù)，2010.

寇偉航(1993-)，男，漢，河南許昌，本科，重慶交通大學(xué)，內(nèi)河航運(yùn)與航道整治方向。