桥墩局部冲刷的机理及防护措施

(重庆交通大学 河海学院　重庆　400074)

桥梁建成后，除了河床的自然演变外，还有由于桥墩干扰水流和泥沙的运动而引起的河床冲刷，它们交织在一起同时进行，冲刷过程非常复杂。为了便于研究和计算，常把桥墩的最大冲刷深度分为独立的三个部分：自然演变引起的冲刷、一般冲刷和局部冲刷，并假定它们相继发生进行。由于桥墩阻流产生的水流冲击和涡流作用，在桥墩周围分离出三维边界层，从而产生具有高紊动和高流速特性的局部水流，引起旋涡并向下游传播和发展，产生很大的床面切力，在桥墩周围形成的局部河床变形称为桥墩局部冲刷[1]。

理论上可以将水流与桥墩的冲刷作用分为三个部分[2]:①前进水流漩涡，主要是指前进的水流遇到障碍物产生的漩涡在通过障碍物时，卷动泥沙形成了冲刷坑，可采用减缓水流能量或者改变水流与桥墩的作用方式来应对；②下降水流淘底，主要指前进水流撞击桥墩后形成一部分下降水流，对墩底进行淘刷，可采用阻碍水流急速下冲的手段或增大泥沙启动时需要的动力来应对；③尾流漩涡冲坑，主要指水流绕过障碍物后形成的漩涡，带走了墩后的部分泥沙，可在下游装置收尾措施来处理应对。

一、桥墩局部冲刷的机理

桥墩局部冲刷深度影响因素众多，与桥墩形状、桥墩附近的水流强度以及河床组成密切相关，局部冲刷机理十分复杂，概括起来，主要有以下三种观点[1]：

(一)墩周流场的旋涡体系

将一桥墩放入三维不扰动的流速场中，墩前缘水流遇阻后由于近河底流速小，上部流速大，在河底处形成顺时针旋转的横轴漩涡，并沿床面移向桥墩两侧与绕流形成马蹄形漩涡系。墩周局部冲刷是由马蹄形漩涡系产生很高的河床剪力而形成的。

(二)墩前下降水流的冲击作用

桥墩对水流的阻碍，引起桥墩周围水流结构的剧烈变化，在墩头前缘形成一种“下降水流”，垂直向下冲刷床面泥沙，在墩前形成冲刷坑。

(三)水流受桥墩的压缩作用

桥墩周围的局部冲刷是由于桥墩压缩了水流，改变了墩周原来的流速分布，在墩的两侧流速相对增大，从而使墩两侧首先引起冲刷，冲刷逐步发展到墩的正面。

根据对局部冲刷试验过程的研究成果分析，上述三种观点不是孤立作用的，而是相互联系相互影响的，由此可以看出，桥墩对水流的压缩和阻碍作用，使墩周流场发生变化，从而产生桥墩两侧的“集中水流”和桥墩前的“下降水流”，“集中水流”和“下降水流”是形成马蹄形漩涡的内在原因，而马蹄形漩涡系则是产生墩周局部冲刷的直接原因。

二、桥墩局部冲刷的防护措施

冲积性河流中桥墩周围的局部冲刷几乎是一个不可避免的问题，桥梁设计工作者在进行桥梁基础设计时，必须考虑采取一些防护工程对桥墩周围的床面进行防护，以保证桥墩的安全与稳定，而在桥基受冲刷初期或已危及桥梁安全时，如何以最适当的保护措施防止桥基因裸露而遭破坏则是工程技术上最大的挑战。迄今为止，桥墩局部冲刷防护工程一直是防止河槽中桥墩周围床面冲刷、桥墩失稳和桥梁水毁的重要措施之一。

(一)冲刷防护的原理

桥墩防冲刷保护措施一般基于以下两种原理[1][3]:

(1)从改变冲刷对象和泥沙特性入手，以提高河床材料的抗冲刷性能，这类方法属于被动防护。

(2)在实际工程中，可以在河床高程附近增设底板或者护圈等，通过减小冲刷水流的原动力来提高抗冲刷性能，这种“减冲”的防护方式即主动防护。

(二)冲刷防护的措施

近年来研究过的被动防护工程措施，主要包括抛石防护、扩大桥墩基础防护、混凝土模袋防护、混凝土铰链排防护等；主动防护工程措施，主要包括护圈防护、墩前淹没翼墙防护、桥墩开缝防护、墩前排桩防护等。

(1)护圈防护

通常来说，主动防护工程措施更经济实用，特别是桥址附近没有足够多的石料可供开采时。护圈防护方法是典型的主动防护工程措施，它是通过利用护圈顶面阻挡和消杀下降水流，减小马蹄形旋涡强度的原理进行防护的[4]。

(2)桥墩开缝防护

墩前迎水面的下降水流和形成于冲刷坑前缘绕桥墩两侧流向下游的马蹄形旋涡的共同作用导致了桥墩周围床面的泥沙被侵蚀，所以控制和减少冲刷的一个途径就是削减下降水流和马蹄形旋涡的强度，或者完全阻止这两种水流结构的形成。Kumar等[5]认为，缝的存在可以使得朝着河床的向下水流发生偏转，这是由于缝使得底部边界层水流自身像喷射一样加速，而当缝处于河床附近位置时，会使得马蹄形漩涡解体，当处于水面附近时，缝可以很好地减小下降水流和马蹄形漩涡。Chiew[3]的试验在保持缝宽与墩宽比值为0.25 时，冲刷深度随着冲刷角度的增大而增大。当角度增大到45°时，开缝减小冲刷作用的效果几乎没有了。

(3)墩前排桩防护

墩前排桩防护是指在桥墩上游按一定规则布设一定数量的桩群，当桥墩处于桩群的尾流区域时，用于桥墩局部冲刷防护的排桩本身就会受到水流的冲刷，所以它能使墩前的高速水流方向产生偏离，并能在后部形成一个尾流区域，有效削减了桥墩周围旋涡体系的紊动强度，从而有效地遏制了桥墩周围的局部冲刷。

三、结论

工程上现行的防护方式多以被动防护为主，其中抛石防护最为常见。如前文所述，该类方法虽然操作简便，但由于被动防护只是机械地提高墩周土体的抗冲刷能力，经常需要进行修缮维护，代价高，工作量大，尤其是水流作用大以及作用变化较大时，抛石很容易流失，造成严重的经济损失。相反，主动防护着眼于冲刷的根源，从扰动水流结构入手，降低来流的作用，从而起到很好的防护效果，应是未来局部冲刷防护的发展方向。

本文概况分析了桥墩局部冲刷的机理，总结了几种常用防护措施的作用机理，防护效果以及相应的优缺点。为了将桥墩防护措施更好更完善地投入工程实践，相关的理论和试验研究需要继续进行，相关的试验设备和技术手段也要不断发展。与此同时，还应当继续寻找主动与被动防护的契合点，将两者有机地联系起来，进行全方位的防护。