蘭云松

(天津市交通科學(xué)研究院，天津 300300)

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橋墩沖刷的護(hù)坦防護(hù)設(shè)計研究

蘭云松

(天津市交通科學(xué)研究院，天津 300300)

系統(tǒng)地總結(jié)了橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)、沖刷機(jī)理、局部沖刷防護(hù)效果影響因素等問題的研究結(jié)果，提出護(hù)坦防護(hù)型式的設(shè)計參數(shù)，并分析設(shè)計參數(shù)對護(hù)坦防護(hù)效果的影響規(guī)律及各參數(shù)的確定方法。

橋墩沖刷；護(hù)坦防護(hù)；設(shè)計

0 引 言

世界各國的建橋經(jīng)驗表明，洪水對橋墩的局部沖刷是導(dǎo)致橋梁破壞的重要原因。當(dāng)前我國仍有不少大中型橋梁因基礎(chǔ)埋深不足需要采取局部防護(hù)措施。國內(nèi)外大量的橋墩沖刷的防護(hù)試驗研究發(fā)現(xiàn)，通過采取一定的防護(hù)措施可以獲得有效的結(jié)果，但目前還無普遍規(guī)律能夠用以指導(dǎo)防護(hù)體的型式設(shè)計。

護(hù)坦是一種構(gòu)造簡單、適應(yīng)性較強(qiáng)、效果明顯的淺基橋墩防護(hù)型式。實(shí)際應(yīng)用中有大量護(hù)坦防護(hù)經(jīng)受住大洪水考驗成功的實(shí)例，但同時還存在一些因防護(hù)體尺寸、位置設(shè)計不當(dāng)造成的防護(hù)失效問題。因此對橋墩沖刷的護(hù)坦防護(hù)作用的水力學(xué)機(jī)理、合理的水力設(shè)計方法還需深入的研究。

1 橋墩沖刷

1.1 橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)

橋墩處的繞流漩渦體系破壞原床面泥砂固有的平衡狀態(tài)，形成局部沖刷。在局部沖刷發(fā)展期間，沖刷坑的深度和范圍增加導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，水流紊動性更強(qiáng)。根據(jù)橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)來預(yù)測橋墩局部沖刷深度，屬于典型的橋梁水力學(xué)問題。通過對前人研究的成果進(jìn)行總結(jié)后認(rèn)為，橋墩周圍的水流按照形態(tài)特點(diǎn)將其分為四部分：墩前壅水、橋墩前的向下水流、馬蹄形漩渦、尾流漩渦。

圖2 護(hù)坦防護(hù)體構(gòu)造

1.2 護(hù)坦防護(hù)體構(gòu)造及防護(hù)機(jī)理

護(hù)坦防護(hù)一般由護(hù)坦頂板和垂裙兩部分構(gòu)成。護(hù)坦頂板對墩臺周圍床面起到直接的防護(hù)作用，垂裙的作用則主要為了防止頂板邊緣被淘空。墩前壁面下降水流和兩側(cè)繞流漩渦到達(dá)護(hù)坦頂板后，變?yōu)樗搅鲃樱诖采澈妥o(hù)坦交界處生成次生漩渦，引起垂裙外床面的沖刷，而次生漩渦的沖刷能力遠(yuǎn)小于無護(hù)坦防護(hù)時馬蹄形漩渦的直接沖刷能力。

1.3 防護(hù)效果關(guān)鍵因素

在橋墩下部設(shè)置護(hù)坦防護(hù)后，墩臺與護(hù)坦共同構(gòu)成涉水主體，因此護(hù)坦處的水流結(jié)構(gòu)和沖刷深度與護(hù)坦防護(hù)體的位置、尺寸有關(guān)。防護(hù)體能否起到預(yù)期的防護(hù)效果關(guān)鍵在于防護(hù)型式與河段水流條件、河床地質(zhì)、橋基結(jié)構(gòu)與病害狀態(tài)的匹配程度。

2 護(hù)坦防護(hù)的設(shè)計參數(shù)

2.1 護(hù)坦平面形式

護(hù)坦防護(hù)的平面形式多種多樣，在實(shí)際工程應(yīng)用中根據(jù)橋墩型式、水流特性和施工難以程度等具體情況，選用不同的平面型式。常用的有圓形、矩形、圓角矩形、尖端形等。圓形護(hù)坦多設(shè)置到圓形橋墩和長寬相差較小的矩形橋墩。橋墩周圍的防護(hù)寬度相同，對主流易擺動的河段適應(yīng)性較好。矩形和圓角矩形主要應(yīng)用在長寬相差較大的橋墩和橋臺，圓角矩形對水流擾動小更有利于水流的通過。尖端形有一定的導(dǎo)流作用，減少水流對橋墩的直接沖擊，適用于河道主流較穩(wěn)定的河段。

2.2 護(hù)坦頂面埋置深度

護(hù)坦頂面埋置深度對護(hù)坦防護(hù)效果起到至關(guān)重要的作用，埋入床面以下越低，馬蹄形漩渦在邊緣處次生漩渦產(chǎn)生的沖刷也越低，不利于橋墩安全。太低則起不到應(yīng)有的防護(hù)作用。研究通常認(rèn)為，護(hù)坦頂板宜設(shè)置在一般沖刷線的位置或其以下1～2 m處。

護(hù)坦頂面標(biāo)高越高對下降水流的影響越早，提前改變下降水流形態(tài)，進(jìn)而減少了馬蹄形漩渦在床面的沖刷。但由于基礎(chǔ)頂面高于床面后，導(dǎo)致阻水面積增加，高出床面越多在護(hù)坦周圍形成的局部沖刷越大。在與護(hù)坦防護(hù)原理類似的擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)的研究中發(fā)現(xiàn)，其頂面位置略高出床面后仍能起到一定的減沖作用。其主要原因為墩前突出長度的減沖作用大于墩側(cè)突出寬度的增沖作用。因此，在護(hù)坦頂面有可能高出一般沖刷線時，其墩側(cè)防護(hù)寬度和墩前延伸長度應(yīng)相匹配，才能起到良好的防護(hù)效果。

2.3 護(hù)坦防護(hù)平面尺寸

護(hù)坦防護(hù)平面尺寸主要指防護(hù)寬度和護(hù)坦上游延伸長度。關(guān)于護(hù)坦防護(hù)體平面尺寸我國尚無明確的計算辦法，而盲目套用國外計算辦法是不合理的。護(hù)坦防護(hù)的目的在于減小墩前向下水流和繞流漩渦對河床的沖刷，因此防護(hù)體的尺寸與漩渦強(qiáng)度及其影響范圍有關(guān)。通過研究漩渦影響范圍，從而可以確定防護(hù)體的合理尺寸。

當(dāng)防護(hù)體的寬度大于主漩渦的半徑時，在主漩渦邊緣切向流速的誘導(dǎo)作用，形成沖刷能力較弱的次生漩渦。如若防護(hù)寬度小于主漩渦的半徑，就不能形成次生漩渦，此時主漩渦體系仍然對床面造成直接沖刷。因此，防護(hù)體寬度越大，漩渦在護(hù)坦頂面流動越長的距離，消耗的沖刷能量越多，防護(hù)作用就越明顯。

根據(jù)護(hù)坦防護(hù)型試驗資料，得到橋墩護(hù)坦防護(hù)局部沖刷深度與防護(hù)寬度的關(guān)系

hSH=1.1hse-1.34(BH/hs)

式中：hSH為設(shè)置護(hù)坦時橋墩垂裙處沖刷深度，m；hs為不設(shè)護(hù)坦時橋墩沖刷深度，m；BH為防護(hù)寬度；e為自然對數(shù)的底。

護(hù)坦防護(hù)寬度設(shè)計首先計算出不設(shè)護(hù)坦時橋墩周圍的平均沖刷深度hs；然后根據(jù)河床地質(zhì)、地形、水力、施工等條件，選定可以容許的護(hù)坦垂裙沖刷深度Hsh，算出Hsh/hs。找到與之對應(yīng)的BH/hs值，初步確定BH。如果不合適再重復(fù)這種方法，直到選定合適的BH和Hsh為止。也可以從選定BH入手，由BH/hs值找到與之對應(yīng)的Hsh/hs值，通過Hsh值來選定防護(hù)寬度BH。

2.4 護(hù)坦垂裙埋深和角度

由護(hù)坦防護(hù)機(jī)理可知，向下水流遇到護(hù)坦頂板以后被迫改為水平方向流動，水平流在床面與護(hù)坦分界處分離，誘導(dǎo)生成的水平軸漩渦，引起護(hù)坦邊緣床面的沖刷。若不做垂裙則加固面邊緣會被掏空、坍塌破壞，所以必須在護(hù)坦頂板周圍設(shè)置垂裙，垂裙的基礎(chǔ)應(yīng)有足夠的埋置深度。

根據(jù)護(hù)坦邊緣垂裙處的沖刷深度與護(hù)坦頂面埋置深度關(guān)系可知：護(hù)坦頂面埋的越深，垂裙則越短，護(hù)坦頂面埋的淺，垂裙則長，但垂裙基礎(chǔ)底面高程不變。淺基局部防護(hù)體頂面標(biāo)高設(shè)置在一般沖刷線或其以下有困難時，防護(hù)體頂面可略高于一般沖刷線，但必須將垂裙基礎(chǔ)設(shè)置在一般沖刷線以下。根據(jù)試驗資料，可得到局部防護(hù)體垂裙深度Hh計算公式

式中：Hh為垂裙深度，m；v為墩前垂線平均流速，(m/s)；v＇為始沖流速，(m/s)；V0為泥沙起動流速，(m/s)，按張瑞瑾公式計算；h為墩前來流最大水深，m；h＇為墩前下降水深，m，h＇=0.62h；B為防護(hù)體寬度，m；A為由試驗資料得A=0.20。

為了減弱分離邊界處次生漩渦的強(qiáng)度，使墩前迎面水流更加平穩(wěn)通過，將垂裙做成以一定角度傾斜的型式，這樣可以避免在護(hù)坦前緣形成更大的沖刷；并且當(dāng)護(hù)坦頂面高出一般沖刷線時，護(hù)坦頭部帶有傾角的垂裙可以起到一定的前置導(dǎo)流作用，分散墩前迎水面水流，減小水流直接沖擊橋墩。同時傾斜的垂裙還有一定的挑流作用，向上的水流可以抑制墩前壁面的下潛水流，進(jìn)而削弱漩渦體系的強(qiáng)度。

3 結(jié) 語

(1)河床變形范圍在無護(hù)坦時，最大沖刷深度貼近橋墩迎水面位置，沖刷范圍較小，但沖刷深度很大；設(shè)置護(hù)坦防護(hù)以后，沖刷范圍變大，且沖刷坑邊緣向外擴(kuò)展至護(hù)坦垂裙的邊緣，河床變形明顯地趨向平緩。(2)護(hù)坦防護(hù)面標(biāo)高，宜設(shè)置在相應(yīng)頻率洪水的一般沖刷線處或其以下1～2m位置。若一般沖刷計算精度較差，為了防止頂面高出床面帶來不利影響，則應(yīng)適當(dāng)降低防護(hù)頂面高程。(3)護(hù)坦寬度越大，馬蹄形漩渦護(hù)坦頂面運(yùn)動距離越長能量消耗越大，次生漩渦在護(hù)坦垂裙邊緣產(chǎn)生的沖刷越小。(4)當(dāng)工程條件受到限制或橋梁原有基礎(chǔ)埋置過淺，護(hù)坦無法埋置到床面以下，或者床面高程無法準(zhǔn)確預(yù)測時，應(yīng)增加護(hù)坦頭部向上游的延伸長度，一般取1.5～2倍的護(hù)坦防護(hù)寬度，就能使發(fā)生在墩臺周邊的沖刷遠(yuǎn)離橋墩或橋臺，對墩臺的安全極為有利。(5)垂裙角度選為45度時，護(hù)坦頭部和橋墩兩側(cè)的沖刷坑深度分布較均勻。護(hù)坦頭部向上游延伸配合帶有傾角的圓弧形垂裙構(gòu)成一個前置的導(dǎo)流體，從而有效的減小了橋墩周圍的沖刷深度。

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2016-11-08

U4；TV3

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