格宾垫护面在桥墩冲刷防护中的设计及施工应用

畅瑞锋

（洛阳水利工程局有限公司,河南 洛阳 471000）

0 引言

桥墩作为桥梁组成的主要部分，桥墩局部冲刷防护对桥梁的安全极为重要，是桥梁建设的前提和关键。主要防护方法包括加大基础埋深、在桥墩基础周围铺填块石或柔性沉排，有些情况下可采用在桥墩固定刚性护圈的方法以减少冲刷。

格宾垫是将高延伸率的低碳钢丝经机器编制而成的双绞合六边形钢丝网垫，在网垫内填石构成用于冲刷防护的结构。当格宾垫的抗冲流速大于水流的冲刷流速时，格宾垫不会在水流的冲刷下发生位移，并且能够适应河床基础的不均匀沉降从而起到抑制冲刷发生、保护基层稳定的作用。该文主要阐述如何运用格宾垫进行桥墩的局部防冲刷设计。

1 桥墩冲刷的机理

冲刷已成为造成桥梁病害的重要因素之一。桥梁基础冲刷破坏往往在没有预警的情况下突然发生，并且在洪水期很难被监测到。总结桥墩基础冲刷机理，对研究桥墩防护的新方案是非常重要的。桥墩处冲刷主要考虑以下三个因素：

（1）河床破坏：由于自然或人为原因造成的河床长期高程变化。

（2）在桥墩处的断面收缩，过流断面的减小，河床处流速的增加，下泄流量的增加。

（3）桥墩冲刷的主要原因是当水流通过桥墩弧形面时加速，造成平头墩的侧翼形成高速水流。在水流接近桥墩处形成静止面，在沿桥墩的静止面形成垂直压力梯度。此压力梯度导致桥墩前沿产生下向水流。凹槽和下向水流的共同作用使桥墩前沿形成冲坑。下向水流在冲刷坑底部分散并形成螺旋水流通过桥墩并与底部旋滚水流共同作用，形成所谓的马蹄形旋涡（见图1）。

图1 桥墩局部冲刷

2 设计方法

采用格宾垫作为桥墩冲刷防护方案主要包括：1）格宾垫厚度的选取；2）格宾垫防冲刷的平面布置；3）格宾垫防冲刷的空间布置。

2.1 格宾垫厚度的选取

桥墩附近的水力条件比上游的条件更为复杂。因此，桥墩的设计公式中应使用局部速度及剪切应力。美国交通运输研究会在NCHRP报告593[1]对桥墩局部位置的流速提出由截面平均速度V乘以桥墩线性系数和通道位置系数：

式中，Vdes——桥墩局部位置的流速（m/s）；

k1——流线型桥墩轮廓线型系数为1.5，非流线型桥墩轮廓线型系数取1.7；

k2——水流流道位置修改系数，从桥墩靠近河岸到位于急转弯的主河流处，系数范围连续，取值在0.9～1.7之间；

V——靠近桥墩上游平均速度（m/s）。

如果有可用的速度分布图，那么只需使用桥墩轮廓线型系数来确定设计速度。推荐使用过水最频繁的水道的最大流速，因为流道是可以移动的，任何桥墩都可能受到最大流速的水流冲刷：

桥墩的局部剪切应力τdes，使用曼宁推导公式进行计算。

式中，τdes——桥墩底部的设计剪切应力（N/m2）；

rw——水的单位容重（N/m3）；

y——桥墩处水深（m）；

n——格宾垫的曼宁糙率（s/m1/3）；

Vdes——桥墩局部位置的流速（m/s）。

通过设计的剪切应力τdes与表1中不同格宾垫的容许剪切应力τadm

表1 不同厚度下格宾垫的允许剪切应力值

[2]比值，从而确定格宾垫厚度。水力稳定性可以用安全系数法来评定：对于桥梁抗冲刷的应用，推荐的最小安全系数是1.5。

根据NCHRP报告24-07[3]中的小尺寸模型试验研究结果可得出格宾垫作为桥墩抗冲刷材料的最佳性能方案。

2.2 格宾垫防冲刷的平面布置

2.2.1 水流平行桥墩轴线方向

水流平行桥墩轴线方向时，在桥墩周围所有的方向，格宾垫铺设范围至少两倍桥墩宽度的格宾垫进行防护（见图2）。

图2 格宾垫在桥墩防冲刷应用中的布置

2.2.2 水流向桥墩轴线方向倾斜的情况

在水流向桥墩轴线方向倾斜时，防护的横向范围应以倾斜造成的额外冲刷成比例增加。虽然在桥墩防冲刷应用中没有明确地指出，但是建议防护范围应该乘以一个比例因子Ka，这是一个桥墩（或桩排架）宽度（A）和长度（L）的函数和斜交角度，如下（见图3）：

图3 水流倾斜情况下，格宾垫在桥墩防冲刷应用中的布置

2.3 格宾垫防冲刷的空间布置

当桥墩只存在局部冲刷存在的情况，格宾垫可以水平放置，格宾垫的顶部与河床高程齐平（见图4）。当其他类型的冲刷出现时，格宾垫必须在所有方位，沿远离桥墩方向上倾斜，这样系统在外围的埋深要大于最大冲刷深度。平衡时的冲刷深度是指在经过长时间的冲刷，最终会形成一个平衡状态时的冲刷深度。冲刷深度的计算可以参考Lacey-Inglis计算方法。

图4 局部冲刷防护布置图

图5 其他结构冲刷防护布置

松散无黏性砂土材料在冲刷平衡时的冲刷深度依照Lacey-Inglis[4]使用以下公式估算。

式中，Q——流量（m3/s）；

DLQ——冲刷深度（m）；

fLacey为泥沙系数（mm），与河床材料的平均粒径有关，如下所示：

在IRC-78[5]规范中建议使用Lacey-Inglis方法来估计砾石土河床的冲刷深度，其中q为单宽流量，单位m3/（s·m）。在这种情况下，一般泥沙系数f取值24。

3 材料要求

格宾垫的抗冲能力主要由两方面因素所提供：格宾垫内部填石自身的抗冲能力以及钢丝网箱所能提供的限制石料位移的能力。然而在实际工程设计中，通常不会将这两方面因素分开考虑，而是将整个格宾垫防护体系视作一个整体进行考虑，综合考虑系统的抗冲能力和格宾垫防护的厚度、石料粒径大小以及格宾垫自身的力学性能。

3.1 格宾垫材料质量要求

在桥墩冲刷防护中，水中推移质在紊流作用下对防护结构的冲刷是非常严重的。依据《工程用机编钢丝网及组合体》（YB/T 4190—2018）规范的要求，如应用工况涉水或常遭受磨蚀，应采用有机涂层防腐钢丝制成，同时结合笔者多年应用经验认为可将格宾垫质量控制分为抗冲性能和耐久性能两个方面，详见表2桥墩防护用格宾垫材料质量控制要求。

表2 桥墩防护用格宾垫材料质量控制要求

3.2 填充石料要求

填充物采用卵石、片石或块石，格宾垫要求石料粒径大于2倍网面网孔大小为宜，空隙率不超过30%，要求石料质地坚硬，强度等级MU30，比重不小于2.5 t/m3，遇水不易崩解和水解，抗风化。薄片、条状等形状的石料不宜采用，风化岩石、泥岩等亦不得用作充填石料。

4 安装注意事项

在格宾垫的工程应用中，施工工艺和质量尤为重要，不规范的施工往往影响最终的工程效果，令实际与设计发生偏差。注意事项如下：

（1）格宾垫不应安装在陡于1∶2的斜坡上。在某些情况下，这个标准可能会导致铺设范围超过2倍桥墩宽度。格宾垫底部通常须设置土工布或级配碎石作为反滤层。反滤层长度不应过长，长度为桥墩到格宾垫边缘的2/3处。

（2）格宾垫应该放在反滤层上进行装配，避免钢丝扭结或弯曲。格宾垫长尺寸方向与水流平行，并且内隔板垂直于水流方向。

（3）装填前，相邻的格宾垫应使用有效的联结方式沿垂直边缘和顶部边缘进行联结。

（4）安装过程中应小心，以免在安装过程中破坏土工布或碎石反滤层。

（5）格宾垫一旦摆放在土工布上，就不能侧向推拉。格宾垫的放置和填充应优先从上游开始，然后顺流进行。坡路段在实际情况中，边坡防护应从坡脚往坡顶开始安装和填充。

5 结束语

由于桥梁基础冲刷是不可避免的，适宜的冲刷防护措施在减小桥梁基础周围冲刷坑深度、提高桥梁结构的安全性及稳定性等方面效果显著，国内外学者对桥墩台基础冲刷防护措施做了大量的研究。该文重点介绍了格宾垫这种在国外成熟运用的柔性防护形式和设计原理，可以为我国桥墩冲刷防护提供一种较好的新方案。