桥墩局部冲刷机理及防护措施

刘海

【摘 要】 桥墩冲刷是桥墩设计的关键环节，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。本文通过对桥墩局部冲刷特征和局部冲刷机理的研究，讨论了局部冲刷的影响因素，基于防护机理归纳总结了抛石防护等传统防护和环翼式防护等新型防护措施，以保证桥墩的使用安全性。

【关键词】 桥墩 局部冲刷 冲刷机理 防护措施

引 言

目前，桥墩的局部冲刷防护仍处于探索阶段，大多基于局部冲刷公式以及数值模拟方法进行计算分析[1-4]。Brice 等[5]把桥墩局部冲刷防护工程措施定义为同桥墩自身设计相结合或被独立布设于桥墩周围的 、用于控制或防止桥墩周围床面冲刷的一类工程措施 。Chiew [6]按防护机理把传统的桥墩局部冲刷防护工程措施分为两类 ， 即实体抗冲防护和减速不冲防护。房世龙等[7]针对桥墩局部冲刷防护的工程特性进行了一系列的研究 ， 提出了在桥墩周围加大四面体透水框架群抛投密度的防护设计方法 。孙东坡等 [8]建立了浅基桥梁局部冲刷简明实用计算公式。

1 桥墩的局部冲刷特征及影响因素

1.1桥墩局部冲刷概念及特征

墩周围水流结构主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度很大的漩涡体系。漩涡体系是一种综合水流结构。其中包括在墩前冲刷坑边缘形成的绕桥墩两侧流向下游的马蹄形漩涡、桥墩两侧水流分离引起的尾流漩涡。漩涡体系在墩后及两侧还不断地由床面附近释放出小漩涡，向水面发展。

1.2 局部冲刷影响因素

影响桥墩附近局部冲刷的因素很多，包括水深、流速、流向、河床泥沙类型、干容重、粒径、级配等，还涉及桥墩的尺寸、形状等。影响桥墩局部冲刷深度的因素包括下列几方面：桥墩特征因素、流体特征因素、河床质特征因素和流动特征因素。

2 桥墩局部冲刷防護

2.1 防护机理

对桥墩的局部冲刷进行防护是桥梁防护的重要内容之一 ，桥墩的局部冲刷防护原理包括：

1、提高桥墩附近河床的防冲刷能力 。通常是在桥墩附近铺设粗颗粒材料的河床防护层或在墩基处抛石， 以提高桥墩的抗冲能力[9]。

2、减小水流对桥墩的冲刷能量，即减弱水流冲刷过程中的下冲流和马蹄形漩涡流。通常通过扩大桥墩的基础平面或设护脚等措施以减小水流的冲刷能量，起到防冲刷保护作用。

2.2 传统防护措施

1、抛石防护 。桥墩防护措施中最常用的方法是抛石防护 ，防止抛石下的泥沙颗粒通过抛石孔隙被淘刷，而在深水中精确设置反滤层是比较困难的 ，而且抛石防护通常是有缺陷的 [ 12] 。

2、护脚和沉箱防冲。在桥墩周围设立护脚和沉箱， 防止下冲流和马蹄形漩涡流直接冲击泥沙颗粒，削弱其在水中拖运泥沙的能力 ，从而达到冲刷防护的目的[10]， 但是对于具有泥沙搬运特性的动床 ，当泥沙发生移动时， 护脚和沉箱就失去了作用 。

2.3 新型防护措施

单向流情况下 ，圆柱形单墩周围的水流结构由墩前下潜水流、墩前水面涌波以及墩周围和墩后的漩涡体系组成[10]。其中， 下潜水流是桥墩局部冲刷破坏的主要原因 。环翼式桥墩的局部冲刷防护就是通过环翼式挡板阻挡下潜水流 ，改变其大小和方向 ，迫使下潜水流向两侧分流， 从而减小水流对桥墩的1冲刷能量 ，削弱漩涡淘蚀 ，起到防护的作用。

护壳防护是一种最新提出的防护措施， 它通过在淹没结构物的表面设置两种人工粗糙护壳来降低水流强度， 降低了二次流和马蹄涡流的强度并影响尾流涡旋的强度。

该防护具有如下基本特征：在墩台迎水面设计了人为的条型粗糙细纹，它以迎水面的中间垂线对称分布，在细纹处会产生斜涡流，使部分下降水流产生分离；对剩下的表面进行了特别设计 ， 在表面处设置许多独立的圆形结构物，称之为“高尔夫球”，它可以使层流边界层产生扰乱分离，从而降低了尾流和尾流涡旋的强度。

结 论

桥梁墩台周围必然发生冲刷现象，有可能威胁到桥梁建筑物本身的安全与稳定。本文通过研究桥墩局部冲刷特征和分析冲刷机理，得出马蹄形漩涡系是产生墩周局部冲刷的直接原因。局部冲刷的主要影响因素有桥墩特征、流体特征、河床质特征和流动特征。归纳总结了传统防护措施，重点介绍了环翼式防护、护壳防护和下游石板防护等三种新型防护措施，以保证桥墩的使用安全性

【参考文献】

[1] 傅宗甫， 赵春潮， 安建峰.异型孔桥墩附近河道水流流动特性[ J] .河海大学学报：自然科学版， 2011， 39（4）：402-407.

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[3] 凌建明， 林小平， 赵鸿铎.圆柱形桥墩附近三维流场及河床局部冲刷分析[ J] .同济大学学报：自然科学版，2007（5）：582-586.

[4] 彭凯， 张绪进， 赵世强.桥位附近水流及局部冲刷的数值模拟[ J] .水科学进展， 2001， 13（2）：196-200.

[5] 房世龙， 陈红， 王钢.桥墩局部冲刷防护工程特性研究综述[ J] .水利水电科技进展， 2007， 27（4）：84-89.

[6] 孙东坡， 宋永军， 程琳， 等.下游设有防护坝的浅基桥梁局部冲刷研究[ J] .水力发电学报， 2007， 26（6）：83-87.

[7] 栾正伟， 马骕. 桥墩冲刷防护分析及措施[J]. 金田， 2013（4）.

[8] 刘文启.桥墩的防冲刷保护[ J] .黑龙江水利科技， 1995（4）：107-112.

[9] 马奎.桥墩局部冲刷机理分析及防护建议[ J] .中国高新技术企业， 2010（15）：16-17.

[10] 李奇， 王义刚， 谢锐才.桥墩局部冲刷公式研究进展[ J] .水利水电科技进展， 2009， 29（2）：85-88.