水流对桥墩局部冲刷的影响

秦美荣

摘 要：本文通过实验室模拟对未加保护措施前及加保护措施后的圆形桥墩冲刷试验的冲刷坑形态作对比观测来研究桥墩保护措施的实际作用;同时利用圆形桥墩冲刷试验与枣核形桥墩冲刷状况作平行对比，以研究桥墩形状对冲刷坑形态的影响，从而探索优化的桥墩形状设计方案。

关键词：桥墩冲刷;圆柱形桥墩;冲刷坑;保护措施;枣核形桥墩;形状优化

0 引言

桥梁作为架设在江河湖海上，使车辆行人等能顺利通行的构筑物，具有其悠久的历史，随着工业经济的飞速发展，新科技、新材料的研制，世界桥梁经历了大跨悬索桥、斜拉桥结构、跨海桥等阶段，但是并没有减少桥梁灾害的形成。桥墩冲刷引起的水体冲毁是形成桥梁灾害最主要的原因之一，桥墩作为桥梁的重要承载体，承受着上部结构的荷重，流水压力、风力和可能出现的冰荷载、船只等漂浮物的撞击力，墩上的流水压力大小和墩前河床局部冲刷的深度受桥墩的宽度、型式和墩身的形状等直接影响。因此，桥墩形状的选择，不仅与桥址处的水文、地质和地形等因素有关，而且还与其自身形状和结构密切相关。据统计，桥梁水毁是超载毁坏的6倍，是地震毁坏的20倍[1]。国内外学者对桥墩局部冲刷开展了大量的理论和试验工作。目前研究的主要方式包括理论研究、试验研究及原型观测。理论研究方面[2，3]主要通过影响因素分析及因次分析建立桥墩局部冲刷公式，再通过现场实测资料和模型试验资料的分析确定相关参数。

本文拟对实际情况下组合桥墩冲刷过程进行室内模型实验，通过圆柱形桥墩和细长枣核状桥墩两种不同形状桥的墩作对比实验，在模拟条件下对其冲刷机理、冲刷过程进行研究，并了解其冲刷后果，从而有助于寻找保护桥墩的措施，进一步可以提高桥梁的安全稳定性。

1 试验准备与方法

1.1 试验材料准备

在水槽上取一段长度，在两端放置实用堰（用于防止冲刷开始时的瞬时冲击）并在实用堰内放满水，用橡皮泥堵住上面的小孔（防止冲刷时由于水的浮力使堰浮起）固定于水槽内，边缝采用橡皮泥粘紧。将制作好的桥墩放入选取段的中间并用螺丝将其与水槽固定，然后均匀地铺上实验室提供的沙子并整平（整平时再将沙润湿，用宽顶堰制作的刮平装置刮平）。

1.2 试验装置

本次实验装置是明渠均匀水槽，水槽宽100 mm，桥墩直径18 mm。为了减小型的冲击坑，对实验结果造成影响，故在测针针尖再安装一个注射器针头。这样使得测量过程对沙面的形成的影响降到最低，试验中通过移动水位测针使得水位测针的边和水槽边上的刻度对齐来测量桥墩附近区域不同点的高程。

1.3 试验方法

为了探求对不同形状桥墩的局部冲刷效果影响，本文研究了圆柱形桥墩和细长枣核状桥墩两种不同形状桥下的冲刷试验与加保护措施后桥墩冲刷状况的对比实验，两种形状桥墩冲刷试验基本步骤相同。具体试验步骤如下：

（1）测量并记录水槽和三角堰流初始液面高程，然后调整尾部阀门并用橡皮泥堵住边缝，打开进水阀放水水面略低于沙面高度，关闭进水阀门，从河床尾部缓慢加水，等水深达到一定高度，即8 cm左右。缓慢开启进水阀门，逐渐加大流速直到沙启动，测量并记录水面高程。

（2）将冲刷时间设定为两小时，用流速仪测某一截面水槽前、中、后截面的平均流速。冲刷时间到达后，减少流速保持沙的冲刷形状，用自制仪器测量冲刷坑的一系列点的高程并记录。

（3）对比观察加保护措施和未加保护装置的桥墩冲刷坑形状。

通过试验观测记录，我们得到的实验原始数据记录：圆柱形桥墩冲刷时流速记录表、圆柱形桥墩冲刷各测点高程数据表、圆柱形桥墩冲刷时流速记录表、枣核形桥墩冲刷各测点高程数据表。

2 试验结果与分析

为了试验结果更接近真实情况，在桥墩附近被冲刷的区段取出近300个测点，通过测量各点高程然后经过计算机处理数据来获得桥墩冲刷的坑的形状实验数据处理和三维地图绘制：采用MATLAB软件初步绘制曲面图。

2.1 圆柱形桥墩的实验结果处理

图1为圆柱形桥墩冲刷原始三维图，未冲刷前沙面高程23.70 cm，通过观察发现，测定了27×11=297个点，但是未能精确的画出冲刷坑的形态，所以通过左右对称取均值，进行函数插值、拟合，得到结果如图1和图2。

2.2 枣核形桥墩的实验结果处理

图3为枣核形桥墩冲刷原始三维图，未冲刷前沙面高程22.98 cm，通过左右对称取均值，进行函数插值、拟合，得到结果如图4。

实验结果分析：

我们利用长直水槽模拟桥墩局部过流断面范围内的河流研究在大的江河中由于洪水的冲刷对桥墩附近的河床地形的影响。我们采用比例尺为的模型，水槽的宽度为10 cm由相似原理可知这个实验装置是模拟宽度为15 m的河流水域。

（1）误差分析。模型砂启动流速试验理论计算值为12.0 cm/s.而有流速仪测得的流速为9.3 cm/s，误差为22.5%，理论计算值与实验值差别较大，产生误差的原因有二点：

1）理论计算时塑料沙的密度采用的是，而实际塑料沙的密度是1.25到1.29之间，由于沙本身密度不同测量时密度轻的沙在较小的流速下可以启动。

2）理论计算时沙的粒径采用的是一均值，实际沙的粒径分布位于0.6到1.2 mm之间。

（2）桥墩形状对冲刷坑的影响分析。不同的桥墩形状使得冲刷坑形状不同。我们通过测量不同的桥墩冲刷坑的比较，发现圆形桥墩的冲刷坑最大冲刷深度为1.01 cm而枣核形的桥墩最大冲刷深度为0.88 cm。

两种桥墩对河床的影响范围相差不大，在后方都形成一中间深两边高的冲刷地形。这说明枣核形的桥墩对河床的影响较小，这样的桥墩形状有利于保护桥墩的基础，这是由于當水流行进至桥墩时，圆形桥墩对水流的阻碍作用更大，而枣核形桥墩由于前方迎水面宽度较细小，对水流流速的影响较小不会形成较大的漩涡对泥沙产生较大的搅动，中部流线型的形状有利于水流的绕流，但是由于中部宽度大使得过流面积减少，流速增大使得靠近桥墩的河床底部的泥沙被冲走，形成冲刷坑。

3 结果讨论

桥梁的冲刷防护是做好防洪工作保证铁路畅通的重要任务。由于洪水的多变性，防护办法目前尚难于做到尽善尽美。通过查看文献，结合我们对于实验冲刷坑的观察与分析，我们提出如下建议：

（1）整孔防护。即在全桥下对河床进行全断面防护。根据桥下洪水流速，可以采用混凝土护底、浆砌片石护底、钢筋混凝土块排护底、铁丝石笼护底及干砌片石护底等。整孔防护的设计原则：护底尽可能减少对河道过水断面的压缩;并按等强度原则考虑全桥抗冲击强度。

（2）局部防护。多指桥墩周围完成一般冲刷后，对桥墩局部冲刷进行的防护。为此，局部防护应设在一般冲刷线以下，防护方法主要有平面防护和立体防护，平面防护就是在桥墩四周一定范围内，设置人工护底。根据设计计算可以采用混凝土或浆砌片石等如上述的办法进行防护，立体防护多指在墩周设钻孔桩承台或桩围堰内填片石。还有在墩周打钢筋混凝土板桩或钻孔桩围幕，对其内压注水泥浆，也可用其他化学浆液加固四周土壤。尽管人们在实践中创造了不少桥墩防护方法，但是由于桥梁水文学的发展，尚达不到准确计算无误的水平，加之洪水复杂多变及难于计算的破坏力，致使目前桥墩防护只能按一定的安全度进行，从某种意义看桥墩防护还处在防不胜防的阶段。所以洪水灾害仍时有发生。随着科学技术的发展，危害铁路桥梁的洪水灾害，总会被人们制服的。

参考文献：

[1]郑小颖，王洁光，戚林玲，等.基于量纲分析的宁波象山港大桥桥墩局部冲刷规律研究[J].水利水电技术，2020，

51（8）：111-118.

[2]朱炳祥.国外桥墩局部冲刷计算研究的主要成果与进展[J].国外公路，1985（5）：49-57.

[3]韩海骞，熊绍隆，孙志林.潮流作用下桥墩局部冲刷深度计算公式的建立与验证[J].泥沙研究，2016（1）：9-13.