摘要 在橋墩局部沖刷機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合主動(dòng)防護(hù)與被動(dòng)防護(hù)措施，提出一種新型裝配式防沖刷裝置，即在柱狀橋墩前加設(shè)V字型擋板。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，通過(guò)物理試驗(yàn)分析擋板距橋墩中心距離、擋板高度、擋板角度3個(gè)參數(shù)變量，分析得出擋板最佳組合參數(shù)。結(jié)果表明，在擋板角度60°、擋板距離2.5倍橋墩直徑、擋板高度3/4水深時(shí)，防護(hù)效果最佳。

關(guān)鍵詞 防沖刷裝置； 局部沖刷； 沖刷試驗(yàn)； 擋板參數(shù)

中圖分類號(hào) U443.86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

橋墩作為橋梁中間支承結(jié)構(gòu)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的作用，現(xiàn)實(shí)中橋梁面臨著復(fù)雜多變的水環(huán)境，水流經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)，由于橋墩的修建，墩臺(tái)迎水部分會(huì)改變水流流向，橋墩前部水流位置升高，后部水流下涌沖擊河床，橋墩兩側(cè)水流繞墩而過(guò)形成漩渦，帶走墩臺(tái)周圍泥沙。長(zhǎng)期水流沖刷會(huì)造成橋墩墩臺(tái)受損，甚至有可能造成橋梁基礎(chǔ)掏空，導(dǎo)致橋梁下部結(jié)構(gòu)承載力下降，從而影響橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［1-2］。橋墩防護(hù)能有效減小水流能量，減弱對(duì)河床的侵蝕，因此有必要對(duì)橋墩防護(hù)措施進(jìn)行研究。

橋墩防沖刷問(wèn)題一直都備受關(guān)注，楊媛媛、陳述等［5-6］認(rèn)為通過(guò)在河床上鋪設(shè)防護(hù)材料增加橋墩周圍基礎(chǔ)的抗沖刷能力，同時(shí)可以減小水流沖刷河床，采用失效風(fēng)險(xiǎn)方法結(jié)合兩者提出橋墩防護(hù)的復(fù)合型體系，提高防護(hù)區(qū)穩(wěn)定性。蔣志剛［7］分析了橋墩沖刷特性及其原因，總結(jié)沖刷深度計(jì)算方法，根據(jù)實(shí)際工程提出岸坡防護(hù)方案，采用拋石護(hù)腳的主動(dòng)防護(hù)取決于材料強(qiáng)度。王炎、楊蝶麗等［8-9］提出一種鑲嵌半球形擋板防護(hù)裝置，通過(guò)墩前防護(hù)使水流兩側(cè)分流，降低水流對(duì)橋墩的沖力從而減輕水流對(duì)橋墩的沖蝕。目前實(shí)際工程大多采用單一的防護(hù)形式，存在局限性，結(jié)合對(duì)橋墩局部沖刷的研究，考慮橋墩水毀的危害性，本文提出一種防沖刷裝置，并進(jìn)行室內(nèi)物理試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，為未來(lái)橋墩防護(hù)措施設(shè)計(jì)方案提供新的思路。

1橋墩裝配式防沖刷裝置

結(jié)合局部沖刷機(jī)理中的主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)措施，提出裝配式防沖刷裝置，通過(guò)在現(xiàn)有橋墩一定距離前設(shè)置擋板，改變水流方向以減輕對(duì)橋墩沖蝕。如圖1所示，裝置包括橋墩主體、固定樁和防沖刷擋板。擋板由兩塊剛性板焊接成V字型，鋼板后后部用若干根鋼管樁固定，形成一個(gè)整體。擋板下部嵌入河床中，并用混凝土灌裝固定裝置。

2模型試驗(yàn)概況

2.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為長(zhǎng)3.0 m、高0.5 m、寬0.8 m矩形半封閉式透明玻璃水槽，裝置水平安置在試驗(yàn)臺(tái)上。裝置兩端設(shè)置供水口和泄水口，供水口和泄水口通過(guò)一套完整的水循環(huán)系統(tǒng)外部連接，水循環(huán)系統(tǒng)配有專門電機(jī)、水泵和水管。如圖2所示，裝置內(nèi)部分為前部穩(wěn)流段、中部試驗(yàn)段、后部泄水段。穩(wěn)流段主要作用是使水流均勻勻速流出，為留有一定的進(jìn)水空間，穩(wěn)流裝置設(shè)置在供水口0.2 m處;試驗(yàn)段鋪設(shè)長(zhǎng)1.2 m、厚0.15 m砂層模擬河床，為貼近實(shí)際工況，取用中值粒徑0.6 mm沙粒，因試驗(yàn)不考慮橋墩受損情況，所以橋墩采用直徑40 mm的聚氯乙烯塑料管固定在試驗(yàn)段中部。為避免虹吸式排水對(duì)中部試驗(yàn)段水流流速影響，后部設(shè)置0.5 m的泄水段，并設(shè)置一道尾門，調(diào)節(jié)泄水口水深使水平穩(wěn)流出。為了方便試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)沖刷深度和采集數(shù)據(jù)，試驗(yàn)水深控制在8～12 cm，裝置模擬和現(xiàn)場(chǎng)裝置如圖2、圖3所示。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)研究在一定水流流速下，擋板離橋墩中心距離、夾角角度、擋板高度3個(gè)參數(shù)自由排列組合后的最佳組合參數(shù)，沖刷結(jié)果往往可以用墩周沖刷坑深度來(lái)觀測(cè)。為測(cè)得墩臺(tái)周圍最大沖刷深度，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置在橋墩中心線上，試驗(yàn)段開(kāi)始設(shè)置第一個(gè)測(cè)點(diǎn)，往后隔50 mm分別設(shè)置第二第三測(cè)點(diǎn)，當(dāng)測(cè)得測(cè)點(diǎn)處流速與設(shè)定流速相近，即可開(kāi)始試驗(yàn)。過(guò)程中重復(fù)性記錄沖刷坑的發(fā)展過(guò)程，開(kāi)始每隔5 min測(cè)量沖刷坑的深度以及沖刷范圍，后續(xù)延長(zhǎng)觀測(cè)間隔時(shí)間，直至沖刷坑不再發(fā)生變化基本達(dá)到?jīng)_刷平衡，停止水流，測(cè)量最終沖刷坑深度和范圍，得出墩周的最大沖坑深度和墩周沖刷范圍變化。

為得出最佳參數(shù)組合，在試驗(yàn)工況下，3種不同參數(shù)的組合與無(wú)擋板防護(hù)單圓柱橋墩沖坑深度對(duì)比，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則共設(shè)計(jì)49種情況，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1（其中h為水深，D為橋墩直徑）。

3試驗(yàn)結(jié)果

橋墩的主要沖刷集中在墩前和墩臺(tái)兩側(cè)位置，墩后由于水流受阻往往發(fā)生泥沙堆積，所以試驗(yàn)主要觀測(cè)墩前、左側(cè)墩和右側(cè)墩位置的沖坑深度，通過(guò)對(duì)比取沖刷深度最大值。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

3.1有無(wú)擋板對(duì)沖刷影響

由表2試驗(yàn)結(jié)果分析可知，對(duì)比有無(wú)擋板防護(hù)的墩周最大沖刷深度，不難發(fā)現(xiàn)在有擋板防護(hù)下，每種參數(shù)組合最大沖刷深度均出現(xiàn)不同幅度的減少，最大的減沖比例達(dá)到74.2%，最小的減沖比例能達(dá)到48.4%，即得出擋板防護(hù)對(duì)減少墩周沖刷有明顯效果，證明墩前設(shè)置防護(hù)擋板的試驗(yàn)方案可行。擋板參數(shù)不同，對(duì)墩周沖刷的防護(hù)效果也不同，可根據(jù)不同參數(shù)減沖率對(duì)比，得到最佳防護(hù)裝置組合。

3.2擋板高度對(duì)沖刷的影響

為研究不同高度的擋板參數(shù)，防護(hù)擋板距墩臺(tái)中心距離分別為2.5D、3.5D、4D時(shí)和擋板角度分為30°、45°、60°、75°時(shí)沖坑深度對(duì)比分析如圖4～圖7所示。橫坐標(biāo)0為無(wú)擋板情況最大沖刷深度，由圖可看出高度為3/4h時(shí)，橋墩最大沖刷深度最小，此時(shí)擋板高度參數(shù)達(dá)到最佳防護(hù)效果。

3.3擋板夾角對(duì)沖刷的影響

為研究不同夾角的V型板參數(shù)，給定一定的擋板距離和高度的工況下最大沖刷深度對(duì)比圖，如圖8～圖11所示。由圖可知擋板夾角角度變化會(huì)影響墩周沖刷深度，但較無(wú)防護(hù)情況下能明顯減小橋墩沖刷深度。在不同的測(cè)試條件下，隨著V型板開(kāi)角角度逐漸增大，墩側(cè)的最大沖刷深度呈現(xiàn)出先減小到一定值后有一定增大的趨勢(shì)。夾角角度60°時(shí)，橋墩最大沖刷深度最小，此時(shí)夾角角度達(dá)到最佳。

3.4擋板距離對(duì)沖刷的影響

如圖12～圖14為一定擋板高度和擋板角度時(shí)，改變擋板距離墩臺(tái)中心距離，不同工況下?lián)醢寰嚯x對(duì)沖坑深度的減少程度各有不同。隨著擋板距墩臺(tái)中心距離逐步增大，最大沖刷深度逐漸減少，在達(dá)到一定擋板距離后會(huì)隨著距離增大而出現(xiàn)沖刷深度增大的現(xiàn)象。當(dāng)擋板距離設(shè)置為3.5D時(shí)，橋墩最大沖刷深度取到最小值，此時(shí)距離參數(shù)達(dá)到最佳防護(hù)效果。

3.5D時(shí)最大沖刷深度4結(jié)論

本文提出一種針對(duì)橋墩局部沖刷防護(hù)的裝置，提出防護(hù)裝置離橋墩中心距離、夾角角度、擋板高度3種不同參數(shù)對(duì)防護(hù)效果的影響參數(shù)。為驗(yàn)證裝置的防護(hù)效果及3種參數(shù)的影響，得出3種影響因素最佳防護(hù)效果組合，制定了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行室內(nèi)物理模型試驗(yàn)。對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù)和柱狀圖分析可得出結(jié)論：

（1）本文提出的裝配式防沖刷裝置具有可行性。通過(guò)主動(dòng)防護(hù)措施與被動(dòng)防護(hù)措施相結(jié)合，既改變了墩前水流方向，減少墩前局部沖刷，同時(shí)也引導(dǎo)水流流向，減少水流漩渦對(duì)河床的沖刷。

（2）此裝置對(duì)橋墩局部沖刷較為顯著的防護(hù)作用，對(duì)比無(wú)防護(hù)措施橋墩的最大沖刷深度有大幅減少，在擋板夾角角度60°、擋板距橋墩中心距離2.5D、擋板高度3/4h時(shí)，防護(hù)效果最佳，此時(shí)最大沖刷深度最小，減沖率達(dá)到74.2%。

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