吳永剛，魏松，段海澎,2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009，2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽合肥230088）

1 引言

橋墩局部沖刷是造成橋梁水毀的重要原因，所以如何對(duì)橋墩局部沖刷進(jìn)行安全防護(hù)一直是研究的一個(gè)重點(diǎn)。按防護(hù)原理的不同可以將現(xiàn)有的局部沖刷防護(hù)措施分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)兩大類(lèi)，其中被動(dòng)防護(hù)是指通過(guò)鋪設(shè)一些實(shí)體材料增強(qiáng)墩周沙床的抗沖能力以抵御來(lái)流對(duì)墩周沙床的沖擊，從而避免墩周沙床被下降水流及紊流掏蝕產(chǎn)生沖刷；主動(dòng)防護(hù)是通過(guò)改變墩周水流結(jié)構(gòu)，降低水流流速及墩周紊流流場(chǎng)強(qiáng)度，減弱水流對(duì)墩周床面的沖刷效應(yīng)來(lái)減小橋墩最大沖刷深度。

無(wú)論哪種防護(hù)措施都不可能完全防止局部沖刷的出現(xiàn)，也均有其適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，本文將對(duì)這兩種防護(hù)措施分別論述。

2 被動(dòng)防護(hù)措施

2.1 拋石防護(hù)

拋石防護(hù)是在大、中型橋梁橋墩局部沖刷防護(hù)中使用最多的一種防護(hù)措施，使用拋石防護(hù)可以顯著提高河床抗沖刷能力，其工作原理是拋石起到了物理屏障的作用，比河床沉積物顆粒質(zhì)量大的拋石材料提高了拋石區(qū)河床抵抗剪應(yīng)力的能力。同時(shí)，拋石材料也會(huì)增大局部河床的糙率，在一定層度上減小河床附近的流速。拋石的穩(wěn)定性主要取決于拋石的尺寸和鋪設(shè)厚度，Richardson等[1]推薦的拋石材料的中值粒徑：

式中：d50為拋石粒徑，單位：m；U0為行進(jìn)流速，單位：m/s；ρ為泥沙密度，單位：kg m3；g為重力加速度；K 為墩型系數(shù)。

拋石層的鋪設(shè)厚度一樣對(duì)拋石的穩(wěn)定性至關(guān)重要，Lim[2]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著拋石層鋪設(shè)厚度的增加，整個(gè)拋石區(qū)域的整體性就好，拋石層抵御水流沖擊的能力就越強(qiáng)。Chiew 等[3]也通過(guò)試驗(yàn)證明隨著拋石層厚度的增加，拋石層可以抵抗更高流速的水流沖刷，拋石層的抗破壞力隨著厚度增加線(xiàn)性增加。但在實(shí)際應(yīng)用中，拋石層的厚度不可能是無(wú)限加厚的，Bonausoundas[4]認(rèn)為在設(shè)計(jì)拋石層的厚度時(shí)應(yīng)將拋石的粒徑考慮進(jìn)去，并且拋石層的厚度應(yīng)至少為拋石粒徑的3倍。Lim[2]的試驗(yàn)研究成果表明，拋石層的鋪設(shè)厚度與行進(jìn)水流流速有關(guān)，當(dāng)墩前行進(jìn)流速為大約2.5 倍的臨界摩阻流速時(shí)，拋石層的鋪設(shè)厚度對(duì)其防護(hù)效果影響不大。

拋石區(qū)的大小也會(huì)影響拋石防護(hù)的防護(hù)效果，一般認(rèn)為拋石防護(hù)的范圍不應(yīng)小于沒(méi)有防護(hù)條件下沖刷坑的范圍。Richardson 等[1]認(rèn)為拋石層的尺寸應(yīng)至少為橋墩墩徑的3 倍，而且拋石區(qū)的范圍越大，其防護(hù)效果越好。拋石雖然具有適用范圍廣，取材和施工都較為簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但是由于拋石的整體穩(wěn)定性較差，在遭遇洪峰時(shí)，水流量突然增大，拋石容易被沖移，且當(dāng)河床形態(tài)發(fā)生較大變形時(shí)，拋石也容易失穩(wěn)，失去保護(hù)效果。

2.2 擴(kuò)大基礎(chǔ)防護(hù)

擴(kuò)大基礎(chǔ)防護(hù)就是指在橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，將橋墩基礎(chǔ)頂面擴(kuò)大，在行進(jìn)水流遇到橋墩產(chǎn)生沖刷時(shí)，墩前下降水流和墩周紊流僅能對(duì)擴(kuò)大的基礎(chǔ)頂面產(chǎn)生沖刷，從而達(dá)到減小沖刷的目的。Parola[5]通過(guò)試驗(yàn)證明擴(kuò)大基礎(chǔ)防護(hù)在抑制墩周旋渦發(fā)展，減小因馬蹄形旋渦產(chǎn)生沖刷方面有較好的效果，可以有效地減小橋墩最大沖刷深度。影響擴(kuò)大基礎(chǔ)防護(hù)效果的主要因素為基礎(chǔ)頂面標(biāo)高和擴(kuò)大基礎(chǔ)頂面尺寸。當(dāng)擴(kuò)大基礎(chǔ)頂面位于河床之上時(shí)，由于基礎(chǔ)對(duì)水流的阻礙作用，反而會(huì)導(dǎo)致沖刷坑深度增加。當(dāng)擴(kuò)大基礎(chǔ)頂面位于橋墩無(wú)防護(hù)時(shí)最大沖刷深度以下時(shí)，其防護(hù)效果完全消失。只有當(dāng)其頂面位于最大沖坑深度與床面之間時(shí)，其頂面才能起到減小局部沖刷的作用。特別是基礎(chǔ)頂面與沙床在同一高度時(shí)，其防護(hù)效果最好。大量的研究證明，當(dāng)基礎(chǔ)頂面高度和沙床一致且擴(kuò)大基礎(chǔ)上端向上游擴(kuò)大至少2 倍墩徑時(shí)，防護(hù)效果十分顯著。但Breusers 等[6]認(rèn)為這種布置方式在河床高度容易變化的情況下并不適用，當(dāng)遇到洪水時(shí)，由于河道流量增大，沙床高度可能會(huì)降低，那么高于沙床面的擴(kuò)大基礎(chǔ)反而會(huì)導(dǎo)致沖刷坑深度變大。

2.3 石籠防護(hù)

石籠防護(hù)是指由金屬絲網(wǎng)或其他材料制成一個(gè)容器，在里面裝上有棱角的巖石或大鵝卵石，再鋪設(shè)在橋墩周?chē)鸬綔p小下降水流對(duì)床沙的淘沖力，抑制橋墩局部沖刷的作用。由于石料被金屬絲網(wǎng)等材料包裹，其整體性要強(qiáng)于拋石防護(hù)，也不容易被沖散。Craswell等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究證明石籠的填充物、厚度、布設(shè)范圍等因素對(duì)石籠防護(hù)的防護(hù)效果都有很大影響。石籠的填充材料最好是良好的石料，在使用塑料或織物等可回收物作為填充料時(shí)，由于其自重不夠，需要做額外的加固措施，并且其防護(hù)效果也不是很好。石籠的厚度不應(yīng)小于填料粒徑的2 倍，但也不能過(guò)大，因?yàn)檫^(guò)大的厚度反而會(huì)引起額外的沖刷。其布設(shè)范圍宜大于墩周各個(gè)方向2 倍墩徑的距離。另外石籠在水中長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)，其包裹材料很有可能磨損破裂，特別是金屬石籠，容易發(fā)生銹蝕斷裂，另外石籠失效后填料可能會(huì)被沖往下游，所以在某些特殊河道，石籠防護(hù)并不適用。

2.4 四面體透水框架群防護(hù)

四面透水體框架群防護(hù)就是利用四面體框架群來(lái)對(duì)水流起到分割削弱的作用，同時(shí)可以限制馬蹄形漩渦的發(fā)展、改變來(lái)流的結(jié)構(gòu)、減小水流對(duì)河床的沖擊，從而達(dá)到減小橋墩最大沖刷深度的目的。該方法不但可以通過(guò)改變水流結(jié)構(gòu)來(lái)減小沖刷，也可以起到增強(qiáng)河床抗沖能力的作用，兼具了主動(dòng)防護(hù)與被動(dòng)防護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。李若華等[8]通過(guò)對(duì)水流通過(guò)框架群時(shí)阻力的變化規(guī)律進(jìn)行研究，確定了透水框架群阻力系數(shù)與曼寧系數(shù)的換算關(guān)系，并且建立了有關(guān)糙率計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。周根娣等[9]通過(guò)對(duì)四面體透水框架與實(shí)心四面六邊體尾部流場(chǎng)的測(cè)量，對(duì)比研究了兩者的水流結(jié)構(gòu)和防護(hù)機(jī)理。丁兵等[10]通過(guò)破壞性試驗(yàn)和沖淤水槽試驗(yàn)對(duì)四面六邊透水框架防護(hù)措施的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

3 主動(dòng)防護(hù)措施

3.1 護(hù)圈防護(hù)

護(hù)圈防護(hù)就是在橋墩上安裝護(hù)圈，從而利用護(hù)圈來(lái)阻擋墩前下降水流對(duì)墩周沙床的沖擊，并且可以通過(guò)抑制馬蹄形旋渦的形成，達(dá)到保護(hù)橋墩的目的。很多研究表明，護(hù)圈的幾何形狀、布設(shè)高度、大小都對(duì)護(hù)圈防護(hù)的防護(hù)效果有較大的影響。Afshin[11]通過(guò)試驗(yàn)研究證明在相同尺寸條件下，矩形護(hù)圈與圓形護(hù)圈相比，在控制和減弱馬蹄形旋渦，降低沖刷深度方面表現(xiàn)得更好。因?yàn)橄嗤爸睆健钡木匦巫o(hù)圈表面積更大，可以提供更好的覆蓋和保護(hù)。并且指出當(dāng)護(hù)圈外徑為3 倍到3.5 倍墩徑時(shí)，其尺寸為減少?zèng)_刷的最佳和最經(jīng)濟(jì)的尺寸。Shunyi等[12]研究發(fā)現(xiàn)外徑為橋墩直徑三倍的護(hù)圈，可使橋墩的沖刷深度減少一半以上，護(hù)圈的安裝高度應(yīng)在河床一般沖刷高程以下。Amir[13]認(rèn)為，將護(hù)圈設(shè)置在河床水平面以下并沒(méi)有顯著提高護(hù)圈的防護(hù)效率，因?yàn)樽o(hù)圈以上部分的泥沙會(huì)被很快沖走，形成沖刷坑的一部分，并且向下游延伸，增加了橋墩下游的沖刷坑深度。Zarrati 等[14]通過(guò)試驗(yàn)證明護(hù)圈防護(hù)的防護(hù)范圍至少應(yīng)覆蓋沖刷坑范圍，當(dāng)護(hù)圈迎水方向形成沖刷坑使護(hù)圈暴露在水中，其防護(hù)效果會(huì)大大降低，并提出當(dāng)護(hù)圈與拋石進(jìn)行組合防護(hù)時(shí)，其防護(hù)效果會(huì)有顯著提升。

3.2 橋墩開(kāi)縫防護(hù)

橋墩開(kāi)縫防護(hù)是一種比較新穎的防護(hù)方法，它是通過(guò)在橋墩墩體的迎水方向開(kāi)縫，從而使一部分水流直接通過(guò)縫隙流向下游。橋墩開(kāi)縫可以有效地減小下降水流，并且使強(qiáng)勁的行進(jìn)水流分成了較弱的兩股，起到了防護(hù)橋墩的作用[15-16]，而且由于墩前水深變小，馬蹄形旋渦的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)的降低。國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)開(kāi)縫防護(hù)進(jìn)行了研究，Kumar 等[17]認(rèn)為開(kāi)縫的尺寸、位置和與水流方向的夾角是影響其防護(hù)效果的主要因素。當(dāng)開(kāi)縫上端在水流表面處，下端開(kāi)到?jīng)_刷坑底部且寬度為墩徑的0.25倍時(shí)，其防護(hù)效果是最好的。開(kāi)縫的方向應(yīng)與水流方向平行，當(dāng)開(kāi)縫方向與水流方向夾角達(dá)到45°時(shí)，其防護(hù)效果消失。Mahan等[18]通過(guò)試驗(yàn)證明在開(kāi)縫面積一定時(shí)，增加開(kāi)縫的寬度往往比增加開(kāi)縫的高度效果更好，另外開(kāi)縫開(kāi)槽高度在水流表面附近時(shí)其防護(hù)效果是優(yōu)于將開(kāi)縫設(shè)置在河床附近的。Mahan等[18]也指出，橋墩開(kāi)縫必須結(jié)合不同的實(shí)地條件合理的布設(shè)開(kāi)縫尺寸和高度。但是在實(shí)際應(yīng)用中，河流沖積物很容易堵塞開(kāi)縫，影響防護(hù)效果。而且當(dāng)水流方向發(fā)生改變時(shí)，開(kāi)縫防護(hù)也容易失效。另外在橋墩上開(kāi)縫在保證橋墩結(jié)構(gòu)安全方面，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.3 墩前犧牲樁

墩前犧牲樁是為了保護(hù)橋墩而放置在橋墩前面的樁群。犧牲樁在墩前可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷，但是其可以通過(guò)偏轉(zhuǎn)墩前高速水流并在樁后形成尾流區(qū)來(lái)有效降低橋墩周?chē)蓜?dòng)區(qū)的能量，從而起到削減橋墩最大沖坑深度的作用。Melville 等[19]認(rèn)為影響犧牲樁的防護(hù)效果的因素有犧牲樁的數(shù)量、犧牲樁相對(duì)于橋墩的尺寸、犧牲樁的高度、犧牲樁相對(duì)于彼此和橋墩的幾何布置等。另外還指出，當(dāng)群樁按頂角為30°的等腰三角形布置時(shí)其防護(hù)效果最好，并建議犧牲樁之間的間距為0.67 倍的橋墩墩徑。房世龍[20]在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了犧牲樁單樁布設(shè)的相對(duì)間距對(duì)防護(hù)效果的影響，試驗(yàn)證明單樁布設(shè)間距越小，整個(gè)樁群的整體性就越強(qiáng)，其對(duì)水流的影響就越大，其防護(hù)效果自然也就更好。墩前犧牲樁雖然防護(hù)效果不錯(cuò)，但是其在工程實(shí)際應(yīng)用方面并不太好，首先當(dāng)水流方向發(fā)生改變時(shí)，犧牲樁的防護(hù)效果會(huì)隨之減弱，另外當(dāng)河床發(fā)生較大改變時(shí)，其防護(hù)效果也會(huì)受到影響。而且在流速較大的河流中，犧牲樁也容易受到河流裹挾的石塊等物體撞擊發(fā)生斷裂，導(dǎo)致防護(hù)失效。

3.4 環(huán)翼式防沖板防護(hù)

環(huán)翼式防沖板防護(hù)是將翼狀平行于河床的擋板安裝在橋墩上，通過(guò)防沖板來(lái)改變墩周水流的大小和方向，擋板可以有效地阻擋墩前下降水流對(duì)墩周沙床的沖擊，減小橋墩最大沖刷深度，環(huán)翼式防沖板還可以抑制馬蹄形旋渦的發(fā)展，減小馬蹄形旋渦產(chǎn)生的床面切應(yīng)力[21]。成蘭艷等[22]和陳艷梅等[23]通過(guò)室內(nèi)水槽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，防沖板安裝位置距離河床越遠(yuǎn)，其防護(hù)效果越差，當(dāng)防沖板安裝在1/3 水深時(shí)，其防護(hù)效果達(dá)到最佳。防沖板大小也會(huì)直接影響其防護(hù)效果，當(dāng)防沖板大小為1 倍橋墩直徑時(shí)，防沖板能最大限度的減小沖刷坑深度，并通過(guò)對(duì)墩周流場(chǎng)的測(cè)量分析，對(duì)擋板的作用機(jī)理也進(jìn)行了研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文全面系統(tǒng)地綜述了主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)兩種橋墩基礎(chǔ)局部沖刷防護(hù)措施，并就其防護(hù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了討論，在實(shí)際使用中，被動(dòng)防護(hù)雖然使用起來(lái)較為簡(jiǎn)單，但其在水中易受水流沖蝕破壞，后期維護(hù)費(fèi)用較高，主動(dòng)措施雖然一次投入較多，但其通過(guò)改變水流結(jié)構(gòu)減小沖刷作用，后期維護(hù)成本較低，但當(dāng)水流條件或河床條件發(fā)生變化時(shí)，防護(hù)容易失效，所以應(yīng)對(duì)現(xiàn)有橋墩沖刷防護(hù)措施的防護(hù)特點(diǎn)及適用條件進(jìn)行深入研究，掌握各種防護(hù)措施的防護(hù)規(guī)律，在實(shí)際使用中采取幾種防護(hù)措施組合防護(hù)，各取所長(zhǎng)，以求達(dá)到最優(yōu)的防護(hù)效果。