跨河桥梁桥墩冲刷透水六脚体防护施工

孙艳兵，刘 佩，任海霞

跨河桥梁桥墩冲刷透水六脚体防护施工

孙艳兵1，刘 佩2，任海霞1

（1.松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林长春130021；2.水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

文章运用65-1改进公式计算了某横跨内河的小型桥梁桥墩周围的最大冲刷坑深度，利用透水六脚体对桥墩进行了局部冲刷防护并进行了优化设计，最后分析了桥墩局部冲刷透水六脚体防护工程的防护效果。

跨桥桥梁；桥墩冲刷；透水六脚体；冲刷防护

桥墩周围高强度的水体紊动会造成附近河床床面的局部冲刷，为了防止冲刷对桥墩周围河床面的破坏，工程上通常采用局部冲刷防护措施对其护底防护。透水六脚体是由6根长度相等的混凝土杆件拼接而成的一种空间结构单元，近年来曾经在沿海海岸防浪消能和内河岸坡防护中等到尝试性应用，显示出了良好的防护效果和诱人的应用前景。室内水槽试验研究表明，透水六脚体会通过自身特殊的结构形式对流场结构进行调整的方式消耗水体能量，从而实现对岸滩冲刷的有效保护和风浪能量的有效耗散。

1 工程概况

传统的抛石防护特点是不允许水流通过，所以由于石块的阻挡，水流会绕过抛石防护体系的两侧和底部，在这些位置处产生较为显著的绕流，致使所抛投石块周围的流速明显增大。另外，抛石防护的石块形状均不规则，防护体系与被防护的河床之间有比较强烈的漩涡流，这容易导致河床底部的泥沙扬起并悬浮于水体中，造成了较为严重的局部冲刷。防护体系附近的泥沙首先起动，防护体系迎水面两侧均会发生冲刷，而且还会形成较为明显的冲刷沟，冲刷沟的出现又使得先前形成的旋涡体系的冲刷能力增强。旋涡体系的冲刷能力逐渐加大，冲刷沟的尺度也不断变大，致使防护体系内部的石块翻滚脱落，脱落之后裸露于水体中的河床面又会形成新的冲沟，周而复始之后，防护体系防护效果降低或彻底水毁。螺旋流强度不断加大，使得冲沟扩大、加深，最终使块石翻滚，块石翻滚后又在新的位置上形成新的冲沟，在抛石体边缘会产生巨大的冲坑，大量泥沙走失使块石下陷、移动，导致块石流失。桥墩浅基防护主要是削弱水流的冲刷能力，为了解决投抛片块石易流失的难题，采用透水六脚体对桥基进行防护，取得了较好的防护效果。

2 基础局部冲刷坑深度计算

为了比较和检查桥墩周围透水六脚体抛投防护的效果，利用65-1改进公式对桥墩周围的最大冲刷坑深度进行计算，具体计算公式：

式中：hs为极限冲刷深度，m；b为桥梁承台的宽度，m；ϕ为裙桩桥墩单个墩柱直径，m；B为桥墩宽度，m；Bm为单个墩柱宽度，m；Kξ为桥墩的形状系数；d为泥沙的中值粒径，mm；V为迎水面水流流速，m/s；V0为泥沙起动流速，m/s；V′0为泥沙的起冲流速，m/s；Kη为泥沙相关系数；K′为桥墩的形状系数；K1为矩形桥墩承台系数；h为行进水深，m；hϕ为水面以下桥墩单柱长度，m。V0可用沙莫夫公式V0＝4.6d1/3h1/6计算。经计算，当主桥墩纵轴线走向与行近水流方向一致、无防护措施的最大冲刷深度为10.4 m。

3 冲刷防护工程设计

相对流速u/uc、相对水深h0/D、模型沙的相对中值粒径D/d50、透水六脚体的杆件体积率n、透水六脚体的相对防护范围C/D和相对放置高度y/D等特征因素，对透水六脚体的防护效果影响的试验研究表明，透水六脚体的防护效果随相对流速、相对水深、模型沙的相对中值粒径的增大而减小，随着透水六脚体的杆件体积率、相对防护范围的增大而增大，随着相对放置高度的增大而减小。

基于此，防护工程设计时，采用构成杆件长为l0=1.2 m，杆件正方形横截面边长b0=0.1m的透水六脚体，见图1。防护工程采用透水六脚体的杆件体积率η=0.27、相对放置高度y/D=0（即直接抛头在桥墩周围河床面上）、相对防护范围C/D=3.0，布设形式为矩形（图2）。为了降低对床面形态的影响，透水六脚体预先采用铁丝捆绑好。

图1 透水六脚体的结构尺寸

4 冲刷防护工程防护效果分析

桥墩局部冲刷防护工程实施后，经过一个汛期，分别在不同时段对桥墩上下游竖直对称面内透水六脚体抛投区域内的流速和水下地形进行了测量。实测数据分析结果表明，当防护工程采用透水六脚体的杆件体积率η=0.27、相对放置高度y/D=0（即直接抛头在桥墩周围河床面上）、相对防护范围C/D=3.0时，透水六脚体内的流速明显小于主槽流速。冲刷继续进行一段时间后，透水六脚体内开始有泥沙淤积，六脚体覆盖下的河床明显抬高，并有滩地形成。由于透水六脚体具有很好的减速促淤作用，桥墩周围防护工程实施区域内泥沙淤积速度很快，所以防护工程实施一个汛期后，透水六脚体完全被埋没在泥沙之下。防护体系中的六脚体均采用铅丝扎捆，使得在水流冲击下，除了上游很少量的六脚体发生位移，余下的六脚体均在原来位置，落淤的泥沙对架体也起到了固定作用。

采用防护工程措施后，桥墩周围冲刷坑最大深度仅为无任何防护工程措施时的1/10，冲刷范围也大大减小，见图2。桥墩墩前行进流速（以垂线平均流速表示）影响这局部冲刷的最大深度，所以促使桥墩迎水面流速的减小能够有效减小桥墩周围最大冲刷深度。透水六脚体完美结合减速不冲和实体抗冲防护特性于一体，在防护体系内部设置测速点进行监测发现，桥墩周围抛投的透水六脚体能够使得桥墩迎水面流速减少40%～60%。这样的减速作用，使得桥墩周围的最大冲刷流速保持一定值，而不能无限增大，从而使得桥墩周围的绕流流速减小，桥墩迎水面处水流的紊动不那么剧烈了，马蹄形漩涡的强度也被有效减弱，局部冲刷形成的水流条件被破坏了。

经过防护工程应用可知，透水六脚体重心比较低，自身重量比较大，稳定平衡性比较好，不易在水流作用下抗滑失稳或抗翻滚失稳而丧失其防护工程整体防护效果。抛石防护工程中抛投的石块在一个汛期过后，所抛投的石块的流失率达到5成，而透水六脚体护岸不仅不会发生块体流失，还会在防护体系内部淤积大量泥沙。已有研究成果表明，在南京长江某河段主要采用的是抛石防护、透水六脚体防护和混凝土铰链排防护这3种岸滩防护措施，它们的防护成本分别为70元/m3、30元/架、95元/m2。按照单架透水六脚体的护岸固滩效果与1 m3抛石防护的成本相当，那么透水六脚体防护的成本较低，而且透水六脚体具有独特的稳定性和耐久性，避免了抛石防护后，防护体系内部石块逐年流失和后续补抛的问题。

图2 透水六脚体抛投防护前、后桥墩周围地形图

5 结论

对经过一个汛期的工程实际应用的透水六脚体防护桥墩局部冲刷的防护效果进行了原型观测研究，得出：1）单架透水六脚体的重心比较低，自身重量也比较大，因此具有很好的稳定性，采用铅丝困扎的方法使其不易翻滚流失，改变整体防护效果，减少了后期补抛造成的维护费用；2）透水六脚体完美结合减速不冲和实体抗冲特性于一身，使得桥墩周围行进流速减少40%～60%；3）透水六脚体促淤作用明显，桥墩周围防护工程实施区域内泥沙淤积速度很快，经过一个汛期，泥沙淤积面已全部覆盖透水六脚体；4）单一透水六脚体的防护效果与1 m3抛石相当，但与传统的抛石、混凝土铰链排等防护措施比，透水六脚体工程费用大大降低，而且避免了块石年年流失、逐年补抛的后续问题，后期维护费用明显降低。

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U445 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

B

1002—0624（2017）12—0014—03

2017-04-20