桥墩局部冲刷及加固措施的思考

卓长智

（合武铁路有限公司，安徽 合肥 230088）

桥梁在使用过程中，桥墩受到河水冲刷是十分常见的，它是河床水流冲蚀所引发的。桥梁基础冲刷包括桥墩与桥桩两个部分的冲刷，这是导致桥梁结构受损的主要因素之一。但是，从现阶段的桥梁结构情况来看，具备冲刷是一个普遍性问题，几乎不可避免，那么如何才能够加大桥梁具备冲刷的防护力度，降低其受损概率和程度，就成为了保障桥梁结构稳定性与桥梁使用寿命的关键。

1 概况

皖水河特大桥全长1 959.1 m，该桥跨越泛区的主河槽段，控制流域面积为585.5 km2，洪水曾使桥址上下游大堤多次溃决。该河流平时流量小，遇大暴雨流量迅速增加，主河道经常变动，由于长年地方在河道采砂，造成河床下切较多，如图1所示。2006年洪水导致该桥冲刷严重，部分桥墩钻孔桩外露，2006年对该桥第37#～40#墩承台用密排钢轨桩封闭防护；2010年因39#～40#墩再次被冲刷，导致钢轨桩被冲毁大半，承台及钻孔桩严重暴露，再次施工恢复钢轨桩防护，增加劈水尖，并在钢轨防护桩周围设石笼防护；2016年因36#～38#墩钢轨桩被冲毁，再次用沉井进行加固。

2 桥墩局部冲刷的机理

2.1 桥墩周围的水流

桥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，其河底的流速相对较慢，而上部的流速则相对较快，同时形成了桥墩附近马蹄状的漩涡流，如图 2所示。桥墩两侧边界层分离形成的尾流漩涡，分别如图 3、图4所示。床面附近形成的小漩涡均可视为漩涡体系。每个急速旋转并向下游移动漩涡的中心会出现负压，将床沙吸起并带往下游。在漩涡的生成和移动的过程中，床面静止泥沙的运动状态会呈现不同的阵发性，在桥墩下游两侧漩涡相汇并沉积，从而形成很长的沙脊。

桥墩的冲刷处水流的速度不小于床沙的起流速度时，就会做冲刷处床沙的运动。根据现场观测，在桥墩迎水面两侧存在B和C两点，该处的绕流流速的大小和方向变化较大，床面的切应力也大于其他区域。此时上游A点附近的行近流速V0´称为桥墩起冲流速。起冲流速V0´大约等于 0.4～0.6倍的床沙起动流速V0。

图1 桥墩现场照片

图2 桥墩附近水流结构

图3 圆形桥墩

图4 矩形桥墩

2.2 冲刷深度和行近流速的关系

为了更加接近冲刷实际情况，简化分析计算，可以假定随着行近流速V的变化，清水冲刷（V0´＜V≤V0），深度hb呈直线增加；动床冲刷（V＞V0）冲刷深度hb随行近流速V呈曲线增大；在V=V0处两种状态是连续的。冲刷深度和行近流速的关系如图5所示。桥墩的局部冲刷是一个动态的发展过程，影响因素众多，空间分布具有很强的三维特性，经研究桥墩周围水流泥沙运动非常复杂，现有的计算公式基本为经验公式，准确性仍需继续研究。而不能单一进行理论计算，除了精确掌握冲刷情况，还需主动做好冲刷防护工作。扩大桥墩基础防护如图6所示。

图5 冲刷深度和行近流速的关系

图6 扩大桥墩基础防护

3 桥墩局部冲刷的防护加固措施

3.1 防护措施

资料及研究表明，桥墩局部冲刷不可避免，而冲积河床更不可避免。如果基础埋置足够深，而且采取一定的保护措施，对减少墩旁冲刷坑深、提高桥墩结构的安全性和稳定性有显著效果。

3．1．1 冲刷防护的原理

应提升桥墩周围河床的防冲能力，如在桥墩周围铺设粗颗粒材料防护层或抛石，从而提高桥墩的防冲刷能力；减小水流冲刷的能量，通常采用扩大桥墩基础平面或设护脚的方法，如在桥墩墩轴线下面设沉箱或基脚，可以起到防止冲刷的作用；桥墩设计时采用流线性桥墩，能有效降低墩周的大压力场，从而防止三维边界层分离而形成马蹄形涡流，也可起到防止冲刷、保护桥墩的作用。

3．1．2 冲刷防护的方法

3.1.2.1 主动防护措施

实际中，绝大多数的工程单位采用的是主动防护措施，以求更好地应对河流所带来的冲击影响。目前主动防护的措施相对较多，包括制作护圈、制作环翼式桥墩等。

3.1.2.2 被动防护措施

区别于主动的方法，被动防护措施大多从被防护的对象入手，例如铺设碎石等方法，以求达到防护河水冲击的目的。随着中国科学技术的不断进步，目前的桥墩防护措施大多采用主动与被动相结合的共同防御措施。

四脚混凝土块防护。在桥墩局部冲刷防护中采用四脚混凝土块，四脚混凝土块防护效果好，稳定性强。

混凝土铰链排与混凝土模袋防护。混凝土铰链排是把混凝土板块用铰链连接到一起对桥墩局部进行防护；混凝土模袋是将高强化纤材料编织成袋体以起到控制间距、抗冲刷的防护作用。

扩大桥墩基础防护主要是通过扩大桥墩基础从而达到降低水流的冲刷力。扩大桥墩基础防护措施要求施工队伍在完成桥梁施工前，在下部预先制作一个下部桩体，并在上空间预留一定的空间，以求扩大桥墩的防护措施面积。这样不仅能够更好地搭配其他的防护措施共同展开建设工作，还能有效杜绝马蹄形漩涡的生成。但其作用经常受限于河床底下的泥沙，一旦泥沙存量发生变化，该防护装置的稳定性也会受到一定的牵连。

扩大桥墩基础防护按桥墩基础顶面位置可分为三种情况：①扩大桥墩基础顶面位于河床面之上，实际上，仅增加了桥墩直径，在水冲刷后，冲刷面积会导致深度增加；②扩大桥墩基础顶面位于冲刷坑内，扩大桥墩基础的顶面削弱了部分向下水流和马蹄形漩涡的冲刷力，桥墩周围的冲刷坑深度减小，而当扩大桥墩基础的顶面正好与河床床面处于同一高度时，减冲刷效果最佳；③扩大桥墩基础顶面位于桥墩周围最大冲刷坑深度之下，其防护作用消失。理论计算上存在防护作用，但当河床变动时其防护作用变化消失，甚至会起反作用，不利于工程建设。

抛石是目前被动桥墩防护措施中运用最为广泛的一类，其优势在于可以随处取材，操作相对简单。通过抛石运作能够卷起河床内部的泥沙，对河流冲击造成巨大阻力，同时凹凸不平的石块也会造成水流速度的变化，最终起到防护作用，分为传统抛石和抛石替代方法防护。传统抛石防护，其防护范围必须大于2倍桥墩宽度。虽然抛石方法操作便捷，但是却需要大量石材或者石头颗粒，并且能够满足实际需求的石材有限，因此需要替代抛石防护的方法。目前普遍采用混凝土铰链防护，混凝土硬壳单元体防护和混凝土石笼防护代替抛石法，它们的防护机理都是阻挡下降水流带来的冲刷以及降低前进水流携走泥沙的能力。

3.2 加固措施

3．2．1 桥墩防护设施冲毁原因分析

铁路部门一般采用钢轨桩防护较多，这种方式可充分利用旧轨料，造价低，方便施工。2006年采用钢轨桩围护方式对桥墩进行加固，2006年加固桥墩资料如表1所示，2006年加固后桥墩技术资料如表2所示。但在2010年和2016年暴雨后桥墩相继冲毁，均重新进行加固。

冲毁的原因主要是加固后增大了墩身截面，压缩了流水断面以及河床标高下降多，这都影响了局部冲刷深度的确定，再加上施工工艺原因，不能完全达到设计要求。几次洪水过后，设备管理单位对相关桥墩测量显示，冲刷深度均超出设计局部冲刷线。

表1 2006年加固桥墩资料表（单位：m）

表2 2006年加固后桥墩技术资料表（单位：m）

3．2．2 桥墩局部冲刷深度的计算

影响桥墩附近局部冲刷的因素众多，如河水深度、水流速度及流向、河床的类型、干容重、粒径及级配、桥墩的尺寸及形状等。但是最主要的因素是桥墩的存在，压缩了水流从而引起单宽流量的增加，这就导致局部冲刷的发生。现国内外均无纯理论的公式，基本采用理论与经验相结合的公式，对非黏性土河槽，在中国目前主要用65-1式、65-2式、65-1修正式及65-2修正式来计算桥墩局部冲刷，铁路部门一般采用公式65-1修正式，公路部门一般采用公式65-2。

局部冲刷深度计算的相关研究资料表明：用公式65-2计算的结果最大，公式65-1修正式计算结果较小。如果单从工程的安全角度考虑，公式65-2的计算结果较为安全。

65-2式如下：

3．2．3 桥墩局部冲刷深度的确定

该河流为季节性河流，具有径流形成快、流速大、河床冲刷严重的特点，其河床河岸组成物质抗冲性较差，主河槽变迁摆动较大。该处河床逐年下切，桥墩加固，增大了墩身尺寸，压缩了河槽，在施工期间对墩身周边的原土进行了扰动，加上施工工艺等因素，因此在考虑加固深度时应将这些因素充分考虑进去。结果表明，本处桥梁采取公式65-2计算局部冲刷深度更为合理。

根据工程实际情况，河床泥沙平均粒径0.016 8 mm，系数E与汛期含砂量ρ有关，查表得0.46。河床面的平均高程基本在承台顶面，由表1得37#墩位河床面标高为29.53 m。因此一般冲刷深度hp为4.18 m，由的关系图可查出Kη2=0.89，查墩形系数及桥墩计算宽度表可得Kξ=1.17，B1=5.4 m。

同理计算38#、39#桥墩基础的局部冲刷理论计算深度，并得到37#、38#和39#桥墩基础的局部冲刷理论计算如表3所示。

表3 37#、38#和39#桥墩基础的局部冲刷理论计算表

由表3可知，2006年第一次加固防护时37#桥墩的冲刷深度为8.46 m，局部冲刷线比钢轨防护桩底低0.96 m，防护加固深度不够，造成加固后被冲毁。38#桥墩的冲刷深度为8.35 m，局部冲刷线比钢轨防护桩底低0.85 m，防护加固深度不够，造成加固后被冲毁。39#桥墩的冲刷深度为8.26 m，局部冲刷线比钢轨防护桩底低0.26 m，防护加固深度不够，加固后被冲毁。

4 结束语

由于冲刷机理复杂，影响冲刷的因素较多，很难做到精确确定桥墩的冲刷深度，对已发生水害、需加固防护的桥梁，65-2式计算结果较为安全．还要结合实际情况合理选择防护方法和对策，如此才能够最大限度提升防护作用，确保桥墩的稳定性与整体性能。