孫艷兵，劉 佩，任海霞

跨河橋梁橋墩沖刷透水六腳體防護施工

孫艷兵1，劉 佩2，任海霞1

（1.松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林長春130021；2.水利部松遼水利委員會，吉林長春130021）

文章運用65-1改進公式計算了某橫跨內(nèi)河的小型橋梁橋墩周圍的最大沖刷坑深度，利用透水六腳體對橋墩進行了局部沖刷防護并進行了優(yōu)化設計，最后分析了橋墩局部沖刷透水六腳體防護工程的防護效果。

跨橋橋梁；橋墩沖刷；透水六腳體；沖刷防護

橋墩周圍高強度的水體紊動會造成附近河床床面的局部沖刷，為了防止沖刷對橋墩周圍河床面的破壞，工程上通常采用局部沖刷防護措施對其護底防護。透水六腳體是由6根長度相等的混凝土桿件拼接而成的一種空間結(jié)構(gòu)單元，近年來曾經(jīng)在沿海海岸防浪消能和內(nèi)河岸坡防護中等到嘗試性應用，顯示出了良好的防護效果和誘人的應用前景。室內(nèi)水槽試驗研究表明，透水六腳體會通過自身特殊的結(jié)構(gòu)形式對流場結(jié)構(gòu)進行調(diào)整的方式消耗水體能量，從而實現(xiàn)對岸灘沖刷的有效保護和風浪能量的有效耗散。

1 工程概況

傳統(tǒng)的拋石防護特點是不允許水流通過，所以由于石塊的阻擋，水流會繞過拋石防護體系的兩側(cè)和底部，在這些位置處產(chǎn)生較為顯著的繞流，致使所拋投石塊周圍的流速明顯增大。另外，拋石防護的石塊形狀均不規(guī)則，防護體系與被防護的河床之間有比較強烈的漩渦流，這容易導致河床底部的泥沙揚起并懸浮于水體中，造成了較為嚴重的局部沖刷。防護體系附近的泥沙首先起動，防護體系迎水面兩側(cè)均會發(fā)生沖刷，而且還會形成較為明顯的沖刷溝，沖刷溝的出現(xiàn)又使得先前形成的旋渦體系的沖刷能力增強。旋渦體系的沖刷能力逐漸加大，沖刷溝的尺度也不斷變大，致使防護體系內(nèi)部的石塊翻滾脫落，脫落之后裸露于水體中的河床面又會形成新的沖溝，周而復始之后，防護體系防護效果降低或徹底水毀。螺旋流強度不斷加大，使得沖溝擴大、加深，最終使塊石翻滾，塊石翻滾后又在新的位置上形成新的沖溝，在拋石體邊緣會產(chǎn)生巨大的沖坑，大量泥沙走失使塊石下陷、移動，導致塊石流失。橋墩淺基防護主要是削弱水流的沖刷能力，為了解決投拋片塊石易流失的難題，采用透水六腳體對橋基進行防護，取得了較好的防護效果。

2 基礎局部沖刷坑深度計算

為了比較和檢查橋墩周圍透水六腳體拋投防護的效果，利用65-1改進公式對橋墩周圍的最大沖刷坑深度進行計算，具體計算公式：

式中：hs為極限沖刷深度，m；b為橋梁承臺的寬度，m；?為裙樁橋墩單個墩柱直徑，m；B為橋墩寬度，m；Bm為單個墩柱寬度，m；Kξ為橋墩的形狀系數(shù)；d為泥沙的中值粒徑，mm；V為迎水面水流流速，m/s；V0為泥沙起動流速，m/s；V′0為泥沙的起沖流速，m/s；Kη為泥沙相關(guān)系數(shù)；K′為橋墩的形狀系數(shù)；K1為矩形橋墩承臺系數(shù)；h為行進水深，m；h?為水面以下橋墩單柱長度，m。V0可用沙莫夫公式V0＝4.6d1/3h1/6計算。經(jīng)計算，當主橋墩縱軸線走向與行近水流方向一致、無防護措施的最大沖刷深度為10.4 m。

3 沖刷防護工程設計

相對流速u/uc、相對水深h0/D、模型沙的相對中值粒徑D/d50、透水六腳體的桿件體積率n、透水六腳體的相對防護范圍C/D和相對放置高度y/D等特征因素，對透水六腳體的防護效果影響的試驗研究表明，透水六腳體的防護效果隨相對流速、相對水深、模型沙的相對中值粒徑的增大而減小，隨著透水六腳體的桿件體積率、相對防護范圍的增大而增大，隨著相對放置高度的增大而減小。

基于此，防護工程設計時，采用構(gòu)成桿件長為l0=1.2 m，桿件正方形橫截面邊長b0=0.1m的透水六腳體，見圖1。防護工程采用透水六腳體的桿件體積率η=0.27、相對放置高度y/D=0（即直接拋頭在橋墩周圍河床面上）、相對防護范圍C/D=3.0，布設形式為矩形（圖2）。為了降低對床面形態(tài)的影響，透水六腳體預先采用鐵絲捆綁好。

圖1 透水六腳體的結(jié)構(gòu)尺寸

4 沖刷防護工程防護效果分析

橋墩局部沖刷防護工程實施后，經(jīng)過一個汛期，分別在不同時段對橋墩上下游豎直對稱面內(nèi)透水六腳體拋投區(qū)域內(nèi)的流速和水下地形進行了測量。實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，當防護工程采用透水六腳體的桿件體積率η=0.27、相對放置高度y/D=0（即直接拋頭在橋墩周圍河床面上）、相對防護范圍C/D=3.0時，透水六腳體內(nèi)的流速明顯小于主槽流速。沖刷繼續(xù)進行一段時間后，透水六腳體內(nèi)開始有泥沙淤積，六腳體覆蓋下的河床明顯抬高，并有灘地形成。由于透水六腳體具有很好的減速促淤作用，橋墩周圍防護工程實施區(qū)域內(nèi)泥沙淤積速度很快，所以防護工程實施一個汛期后，透水六腳體完全被埋沒在泥沙之下。防護體系中的六腳體均采用鉛絲扎捆，使得在水流沖擊下，除了上游很少量的六腳體發(fā)生位移，余下的六腳體均在原來位置，落淤的泥沙對架體也起到了固定作用。

采用防護工程措施后，橋墩周圍沖刷坑最大深度僅為無任何防護工程措施時的1/10，沖刷范圍也大大減小，見圖2。橋墩墩前行進流速（以垂線平均流速表示）影響這局部沖刷的最大深度，所以促使橋墩迎水面流速的減小能夠有效減小橋墩周圍最大沖刷深度。透水六腳體完美結(jié)合減速不沖和實體抗沖防護特性于一體，在防護體系內(nèi)部設置測速點進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，橋墩周圍拋投的透水六腳體能夠使得橋墩迎水面流速減少40%～60%。這樣的減速作用，使得橋墩周圍的最大沖刷流速保持一定值，而不能無限增大，從而使得橋墩周圍的繞流流速減小，橋墩迎水面處水流的紊動不那么劇烈了，馬蹄形漩渦的強度也被有效減弱，局部沖刷形成的水流條件被破壞了。

經(jīng)過防護工程應用可知，透水六腳體重心比較低，自身重量比較大，穩(wěn)定平衡性比較好，不易在水流作用下抗滑失穩(wěn)或抗翻滾失穩(wěn)而喪失其防護工程整體防護效果。拋石防護工程中拋投的石塊在一個汛期過后，所拋投的石塊的流失率達到5成，而透水六腳體護岸不僅不會發(fā)生塊體流失，還會在防護體系內(nèi)部淤積大量泥沙。已有研究成果表明，在南京長江某河段主要采用的是拋石防護、透水六腳體防護和混凝土鉸鏈排防護這3種岸灘防護措施，它們的防護成本分別為70元/m3、30元/架、95元/m2。按照單架透水六腳體的護岸固灘效果與1 m3拋石防護的成本相當，那么透水六腳體防護的成本較低，而且透水六腳體具有獨特的穩(wěn)定性和耐久性，避免了拋石防護后，防護體系內(nèi)部石塊逐年流失和后續(xù)補拋的問題。

圖2 透水六腳體拋投防護前、后橋墩周圍地形圖

5 結(jié)論

對經(jīng)過一個汛期的工程實際應用的透水六腳體防護橋墩局部沖刷的防護效果進行了原型觀測研究，得出：1）單架透水六腳體的重心比較低，自身重量也比較大，因此具有很好的穩(wěn)定性，采用鉛絲困扎的方法使其不易翻滾流失，改變整體防護效果，減少了后期補拋造成的維護費用；2）透水六腳體完美結(jié)合減速不沖和實體抗沖特性于一身，使得橋墩周圍行進流速減少40%～60%；3）透水六腳體促淤作用明顯，橋墩周圍防護工程實施區(qū)域內(nèi)泥沙淤積速度很快，經(jīng)過一個汛期，泥沙淤積面已全部覆蓋透水六腳體；4）單一透水六腳體的防護效果與1 m3拋石相當，但與傳統(tǒng)的拋石、混凝土鉸鏈排等防護措施比，透水六腳體工程費用大大降低，而且避免了塊石年年流失、逐年補拋的后續(xù)問題，后期維護費用明顯降低。

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U445 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］B

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1002—0624（2017）12—0014—03

2017-04-20