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)

一、研究背景

随着当今社会的发展，桥梁的修建逐渐增多，其对社会经济和交通运输发展所作出的贡献也越来越大，因此桥梁的安全性问题成为了一个重要的研究课题。据资料统计，在所有桥梁损毁事故中，水毁的比例最高，占事故的70%以上[1]。多年来的研究和实践证明，桥墩局部冲刷具有突发性、灾难性，可导致桥墩的移位、沉陷，桥面的断裂、变形，甚至整座桥梁突然坍塌。

二、桥墩冲刷机理分析

河流中桥墩的建造使其附近的水流断面面积减小，改变了原来的水流及泥沙运动规律，桥墩周围水流速度增大，会引起对河床的冲刷。冲刷通常是由自然演变的冲刷、过水断面的减小而引起的一般冲刷以及桥墩周围产生的局部冲刷三个部分组成。其中最主要的是局部冲刷，来流水遇到桥墩阻挡时将会在桥墩前部形成水面涌波及下降水流，在桥墩周围形成紊流区[2]。

研究者们根据局部冲刷的影响因素一些主要影响因素进行了研究分析：

(1)桥墩的外形参数：桥墩冲刷的主要原因是修建在河道中的桥墩对河道宽度进行了压缩导致单宽流量增大而引起了冲刷。桥墩的长宽是一个影响因素。一般情况下，桥墩越长越宽，来流水受到的压缩越大，在墩前处将会形成强烈的漩涡，从而产生的冲刷深度会越大。

(2)流水速度：来流水速度对冲刷的结果影响很大，当流速很小时桥墩将不发生局部冲刷；当流速增大至泥沙始冲流速时，墩前开始有冲刷坑的出现且发展趋势为随着流速的增大而增大直至达到或者超过泥沙的起动速度[3]；在达到或超过起动速度后，河床的泥沙开始起动并对冲刷坑形成一定的补偿作用，冲刷深度也会随着速度的增大而缓慢增加直至达到平衡状态。

(3)水流方向与墩轴夹角：夹角的影响主要体现在对阻水宽度及迎水形状的改变[4]。研究表明，在有夹角存在时局部冲刷深度将比正交时更大。因为有夹角时，桥墩的阻水面积相应的增大了且桥墩的迎水形状也会因为夹角的改变而发生改变。

三、桥墩局部冲刷防护措施

(一)实体抗冲防护工程措施研究

(1)抛石防护：抛石防护是主要的一种桥墩防护工程措施,其工作原理一是抛石对床沙起保护作用,增加床沙起动或扬动所需的流速;二是抛石可以增大桥墩附近局部糙率,对于减小桥墩附近流速也起到一定的积极作用。

(2)扩大桥墩基础防护：扩大桥墩基础防护是指在施工阶段先将钢围堰埋入河床面以下一定深度,再进行下部桩基施工,基础施工完成后在床面以上预留一定高度封顶,然后在顶面上放置桥墩的防护工程措施。该防护方法的主要工作原理是利用扩大桥墩基础的顶面消杀墩前下降水流的淘刷力。

(3) 四脚混凝土块防护：四脚混凝土块(tetrapods)起初被用于海岸防护。1993年,Bertoldi[5]对四脚混凝土块进行了桥墩局部冲刷防护的可行性研究。结果发现,桥墩本身所特有的勾连性使得与抛石石块尺寸和质量相当的四脚混凝土块的稳定性更好,防护效果更佳。

(二)减速不冲防护工程措施

(1)护圈防护：护圈防护方法是典型的减速不冲防护方法,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,护圈防护方法能起到防护桥墩周围床面免受冲刷的作用,但是,动床冲刷条件下,河床形态的出现和传播可能使护圈下部的桥墩暴露于水流中,导致护圈失效,或者可能由于桥址处的一般冲刷与收缩冲刷结合作用而导致护圈高出河床面而造成护圈失效。针对护圈防护的不足,Odgaard 等[6]提出了用护圈结合淹没翼墙作为桥墩局部冲刷防护的措施。研究结果发现,淹没翼墙能使墩前的行近水流向上翻转,进而缩减了桥墩周围的水流。

(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,桥墩墩体开缝能起到削弱马蹄形旋涡和下降水流强度的作用,是很好的桥墩局部冲刷防护方法之一。

(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,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[7]。

(4)淹没槛防护：淹没槛防护就是将一定几何尺寸的底槛或角槛埋置于桥墩迎水面上游一定距离处,通过影响水流的冲刷能力来防护桥墩周围床面的一项工程措施。

(三)桥墩周围四面体透水框架群抛投防护措施

现有的桥墩局部冲刷防护工程措施都存在一些缺点和不足,在一定条件下,这些缺点和不足甚至会引发整个防护工程的溃败,进而影响桥墩的稳定和桥梁的安全运行。河海大学水环境综合治理试验厅提出了桥墩周围四面体透水框架群抛投防护方法。桥墩周围四面体透水框架群防护方法是一种完美结合减速不冲与实体抗冲防护特性于一体的新型防护工程措施,其工作原理是利用框架群的消能减冲作用使桥墩周围水流的紊动强度减小,从而使泥沙落淤,达到防护桥墩周床面的目的[8]。

四、结语

本文系论述了桥墩局部冲刷机理、防护措施。桥墩基础施工过程中,施工围堰周围发生冲刷,其冲刷现象类似桥墩附近冲刷。因此对桥墩局部冲刷防护工程防护特性的研究十分必要的。由于桥墩局部冲刷现象的复杂性和传统防护工程措施本身固有的局限性,至今还没有一个具有充分理论依据并被证明是完全有效的防护方法,从而对新型桥墩局部冲刷防护工程措施及其与传统防护工程措施结合运用防护效果的进一步研究就具有很重要的现实意义。