熊林凡，魏松 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

橋墩的局部沖刷是橋墩水毀的重要原因之一，基于對橋墩局部沖刷機(jī)理的豐富研究成果，前人研究和開發(fā)出多種形式的沖刷防護(hù)措施，以減小橋墩基礎(chǔ)周圍局部沖刷深度，并在實(shí)驗(yàn)室條件下和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中取得良好的防沖效果。

根據(jù)防護(hù)原理，橋墩沖刷防護(hù)措施可分為實(shí)體抗沖防護(hù)和減速不沖防護(hù)。實(shí)體抗沖防護(hù)通過添加河床或橋墩保護(hù)層，提高河床材料和橋墩自身的抗沖刷性能。減速不沖防護(hù)通過主動(dòng)改變或削弱墩周水流結(jié)構(gòu)，減小水流沖刷的原動(dòng)力，即削弱或破壞橋墩墩前下潛水流，馬蹄形漩渦和墩后尾流漩渦，從而達(dá)到保護(hù)橋墩的目的。本文將按這兩種類型進(jìn)行論述。

2 實(shí)體抗沖防護(hù)

①拋石防護(hù)。拋石防護(hù)是實(shí)際工程中最常用的橋墩基礎(chǔ)防護(hù)形式之一。其主要優(yōu)點(diǎn)是材料加工容易，施工工藝簡單，操作靈活。橋墩周圍的拋石可以增加啟動(dòng)泥沙所需的剪切力，同時(shí)，石塊的粗糙表面會(huì)在一定程度上增加了河床的糙率，使得河床附近的流速降低。Richardson等建議拋石防護(hù)范圍至少應(yīng)為2倍的橋墩寬度，提出的一種拋石粒徑確定公式為美國高速公路管理局所采納。Khademghaeiny等進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對比了不同形狀拋石的防沖效率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)拋石尺寸接近穩(wěn)定尺寸時(shí)，圓形和棱角形石頭的防護(hù)效率相同。但當(dāng)拋石尺寸減小，圓形拋石的沖刷深度比棱角形高17%。拋石容易在大流速情況下發(fā)生位置移動(dòng)，從而失去對橋墩的防護(hù)作用，所以運(yùn)行中的維護(hù)工作較多，費(fèi)用較高。當(dāng)石料缺乏或石材尺寸不滿足施工要求時(shí)，存在一些替代拋石的防護(hù)方法，如混凝土單元體防護(hù)?；炷羻卧w是形式多樣的預(yù)制混凝土塊，人為制造，大小和形狀統(tǒng)一，機(jī)理與拋石防護(hù)相同，但是其效果和穩(wěn)定性均比拋石更加優(yōu)良。只是造價(jià)較高，施工較拋石稍顯復(fù)雜。

②石籠防護(hù)。將石頭裝于容器中，作為一個(gè)整體而起到防護(hù)作用。Yoon在清水條件下對鋼絲石籠的破壞機(jī)理和防沖效果影響參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)水深，石籠的覆蓋范圍，長厚比和放置深度都影響著鋼絲石籠的防護(hù)效果。Craswell等對包含不同填充物（石頭，衣物和塑料）石籠的防護(hù)效果進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，填石石籠的防沖效果最佳，但衣物填充石籠同樣具有良好的防護(hù)效果。利用回收衣物作為填充材料，可以帶來較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。相比于拋石防護(hù)，石籠防護(hù)不易沖散，更加穩(wěn)定，使用時(shí)間更持久，但是仍存在隨著時(shí)間推移或河床發(fā)生演變而導(dǎo)致石籠斷裂失去效果的問題。

③四面體透水框架群防護(hù)。利用四面體框架群來削弱水流的能量，從而達(dá)到減少?zèng)_擊的效果，同時(shí)改變來流的結(jié)構(gòu)，減少漩渦，穩(wěn)定河床，以達(dá)到保護(hù)的目的。該方法兼具實(shí)體抗沖和減速不沖防護(hù)效果，并且不受行進(jìn)水流切入角和泥沙流動(dòng)性的影響，具有良好的發(fā)展前景。唐洪武等在清水沖刷條件下進(jìn)行了四面體透水框防護(hù)橋墩沖刷試驗(yàn)研究，并測量了墩周流場和湍流強(qiáng)度。結(jié)果表明，四面體透水框架群防護(hù)使河床附近流速、湍流強(qiáng)度和渦度值顯著降低，并且避免了墩前下降水流直接沖擊河床。隨著拋投密度的增加到某一數(shù)值，沖刷深度線性減小趨向穩(wěn)定，最終使沖刷深度減小近50%。

3 減速不沖防護(hù)

①墩前犧牲樁。在橋墩上游規(guī)則布置多個(gè)小直徑樁，通過樁群自身的減速削能作用促使來水的流速減小，動(dòng)力減低，沖刷方向被干擾。水流經(jīng)過犧牲樁時(shí)會(huì)在樁后形成尾流，尾流也會(huì)影響橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)，遏制水流對橋墩的局部沖刷作用。Melville等對橋墩前犧牲樁的保護(hù)效果進(jìn)行了模型試驗(yàn)。研究表明，影響墩前群樁防護(hù)效果的因素包括樁數(shù)、單樁直徑、單樁超出水面的長度、群樁布置距離以及墩前群樁的幾何布置形式。當(dāng)布置成頂角為30°的等腰三角形時(shí)，墩前樁的防護(hù)效果顯著。Park等進(jìn)一步研究了犧牲樁處堆積物的影響，發(fā)現(xiàn)堆積物的增加會(huì)降低犧牲樁的防沖效果。Wang等采用試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了犧牲樁對群墩局部沖刷的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是單樁還是群樁，犧牲樁都能有效地減小局部沖刷，而群樁的防護(hù)效果優(yōu)于單樁。犧牲樁還能減小群墩之間的屏蔽效應(yīng)和射流效應(yīng)以及群墩的沖刷平衡時(shí)間。墩前犧牲樁具有良好的防沖效果，但是當(dāng)水流方向與群樁頂角方向發(fā)生偏移時(shí)，犧牲樁防護(hù)作用將受到嚴(yán)重削弱，甚至消失。因此，墩前犧牲樁的實(shí)際運(yùn)用受到很大的限制。

②護(hù)圈防護(hù)。在橋墩一定高度布置各種形式的護(hù)圈，包括圓環(huán)形，環(huán)翼式，四方形等，護(hù)圈的存在導(dǎo)致墩前下潛水流的運(yùn)動(dòng)受到阻擋，削弱下潛水流對河床的沖擊作用，進(jìn)一步影響馬蹄形漩渦的形成和削弱渦系能量，從而減小水流對橋墩的局部沖刷，起到保護(hù)橋墩的作用。Zarrati等測試了矩形橋墩上的護(hù)圈減少?zèng)_刷的效率，實(shí)驗(yàn)包括橋墩與水流偏角為 0°，5°和 10°的來流情況。研究發(fā)現(xiàn)，護(hù)圈靠近河床的防護(hù)效果較好，而護(hù)圈性能隨著橋墩偏度的增加而降低。Moncada等進(jìn)行了同心和偏心護(hù)圈的對比研究，發(fā)現(xiàn)偏心護(hù)圈的防護(hù)效果略強(qiáng)于同心護(hù)圈，當(dāng)在墩底放置2倍墩徑的偏心護(hù)圈配合距河床高度9cm的同心護(hù)圈，防沖效率高達(dá)93.75%。Pandey等通過試驗(yàn)研究了護(hù)圈對橋墩局部沖刷效率的影響，發(fā)現(xiàn)護(hù)圈減小了沖刷深度隨時(shí)間變化的幅度和平衡沖刷深度，并得出結(jié)論，當(dāng)護(hù)圈直徑與墩徑之比等于2.3，且護(hù)圈處于河床面時(shí)，防沖效率最高。但是在動(dòng)床條件下，護(hù)圈下方的橋墩會(huì)暴露，從而削弱護(hù)圈的防護(hù)效果。

③橋墩開縫防護(hù)。在橋墩局部開縫可使原本受橋墩阻擋向下運(yùn)動(dòng)的部分行進(jìn)水流直接從縫中快速通過，直接減少下潛水流的強(qiáng)度。并且由于橋墩的下潛水流與水平射流垂直，水平射流使下潛水流偏離河床，減少了水流的沖刷潛力，弱化了之后形成的漩渦，并使原本正面直接沖擊橋墩的強(qiáng)勁水流分為兩股較弱的水流，起到了防護(hù)橋墩的作用。Chiew研究了清水沖刷條件下開縫對橋墩沖刷的影響，通過在水面或河床附近布置一個(gè)寬度為1/4墩徑的開孔，就有可能使清水沖刷削弱20%。在水面附近布置半墩徑寬的開孔，可以減少清水沖刷深度達(dá)30%之多。Kumer等改變開縫的長度和開縫與來流的角度，通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)研究開縫橋墩的局部沖刷規(guī)律，結(jié)果表明，隨著開縫長度的增大，沖刷深度會(huì)逐漸降低。并發(fā)現(xiàn)當(dāng)開縫與來流的夾角為45°時(shí)，開縫所起到的防護(hù)效果幾乎消失。Hajikandi和Golnabi研究橋墩上不同開孔形狀（直孔，Y形孔和T形孔）對局部沖刷的影響效果，發(fā)現(xiàn)三種開孔結(jié)構(gòu)均能減小沖刷深度，而直孔的防沖效率最高，達(dá)38%。開孔對河床的嵌入深度也會(huì)減小所有類型開孔橋墩的沖刷深度。雖然在橋墩開槽可以減少局部沖刷，但也會(huì)降低橋墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，影響橋墩傳遞橋梁荷載到橋基，可能會(huì)導(dǎo)致橋梁倒塌。為防止這種情況，橋梁可能需要更加牢固的基礎(chǔ)來彌補(bǔ)強(qiáng)度的損失，卻增加了施工成本。河流中的雜物也會(huì)堵塞開孔，導(dǎo)致開孔防護(hù)效果降低甚至消失。因此，橋墩開縫防護(hù)在實(shí)際運(yùn)用中可能受到較大的限制。

④護(hù)殼防護(hù)。局部沖刷防護(hù)很少考慮到被淹沒建筑物的表面特征，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)被制成某種形式時(shí)，通常對其表面進(jìn)行光滑處理，并在其他情況下保持建筑材料的天然粗糙性不變。護(hù)殼防護(hù)是指在橋墩迎水面人為設(shè)置定向褶皺，定向褶皺的存在導(dǎo)致墩前水流產(chǎn)生一系列傾斜的漩渦，這些漩渦在到達(dá)墩周底部之前又被后續(xù)的水流沖走，從而導(dǎo)致下潛水流動(dòng)量的衰減，削弱了其對河床的沖刷。除人工褶皺之外，在外表面其余部分設(shè)置無方向粗糙面，使護(hù)套具有“高爾夫球”的效果，即將層流邊界層轉(zhuǎn)化為湍流，將流動(dòng)分離線移至光滑墩對應(yīng)位置下游，致使尾流漩渦的強(qiáng)度降低。

⑤石板防護(hù)。在橋墩附近一定距離布置一塊石板，石板可以削弱來流能量，改變墩周水流結(jié)構(gòu)或影響水流結(jié)構(gòu)形成，從而達(dá)到防護(hù)的目的。Grimaldi等通過試驗(yàn)驗(yàn)證將石板改放置于橋墩下游也具有防護(hù)效果，結(jié)果表明，在橋墩下游設(shè)置石板，橋墩與石板的距離越小，該措施的有效性就越大，在最佳配置下，墩前沖刷深度減小約26%，沖刷面積和體積減少量大于80%。Aysar等通過室內(nèi)試驗(yàn)測試了下游石板與橋墩的距離L/D分別為0到4時(shí)的沖刷深度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)L/D為0～1時(shí)，沖刷深度減小明顯，最高達(dá)30%。當(dāng)L/D超過4時(shí)，沖刷深度基本無變化。Shivakumar等在圓形橋墩上游垂直對稱面加裝分流板進(jìn)行沖刷實(shí)驗(yàn)，并用ADV測出墩周流場，得出當(dāng)分流板厚度為1/5D，長度為2D時(shí)（D為墩徑），防沖效果最佳，最大沖深可減小42.4%。附在橋墩上的分流板可使水流偏轉(zhuǎn)，從而削弱降流和馬蹄渦的強(qiáng)度。0石板防護(hù)在清水和動(dòng)床沖刷條件下均取得了較好的防護(hù)效果。但是，水流方向與石板設(shè)定好的角度發(fā)生偏移時(shí)，石板的防護(hù)效果將受到削弱。

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)論述了實(shí)體抗沖和減速不沖兩大類防護(hù)措施的防護(hù)效果及其優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)體抗沖防護(hù)施工簡單，造價(jià)較低，但是只能被動(dòng)提高河床的抗沖能力，需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)。減速不沖防護(hù)從引起局部沖刷的機(jī)理出發(fā)，通過削弱或改變水流結(jié)構(gòu)，減小沖刷作用，但存在一些適用條件的限制。將兩種或多種防護(hù)措施相結(jié)合，通過合理的搭配，消弭缺陷，使防沖效果最優(yōu)化，具有良好的發(fā)展?jié)摿椭匾默F(xiàn)實(shí)意義。