橋墩基礎(chǔ)局部沖刷拋石防護的研究進展

楊　昕　梁發(fā)云,*

(1.同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室, 上海 200092; 2.同濟大學(xué)地下建筑與工程系, 上海 200092)

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橋墩基礎(chǔ)局部沖刷拋石防護的研究進展

楊昕1,2梁發(fā)云1,2,*

(1.同濟大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室, 上海 200092; 2.同濟大學(xué)地下建筑與工程系, 上海 200092)

摘要拋石作為應(yīng)用最為廣泛的橋墩基礎(chǔ)局部沖刷防護措施之一,受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。系統(tǒng)總結(jié)了清水沖刷和動床沖刷條件下的拋石破壞機理,分析了影響拋石穩(wěn)定性的主要因素,包括拋石粒徑、拋石設(shè)置位置、拋投范圍、拋石層厚度和拋石級配等,對國內(nèi)外相關(guān)研究成果進行了系統(tǒng)評述,并對比分析了拋石穩(wěn)定性的主要分析方法。針對現(xiàn)有拋石防護方法存在的缺陷,提出了拋石防護未來的研究發(fā)展方向和可能的改進措施。

關(guān)鍵詞拋石防護, 破壞機理, 穩(wěn)定性, 影響因素, 研究進展

Reviews on the Development of Riprap Protection to Bridge Piers from Local Scour

YANG Xin1,2LIANG Fayun1,2*

(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,

Shanghai 200092,China; 2.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

AbstractAs the most commonly used protection measures to bridge piers from local scour,the riprap protection has attracted a sustained attention from domestic and foreign scholars.The riprap’s failure mechanism under clear-water conditions and live-bed conditions are summarized systematically in this paper.Focusing on the factors which can affect riprap stability,including size,placement level,coverage,thickness and gradation of riprap,the author review the research findings from domestic and overseas researchers.Moreover,the analysis methods for riprap stability are compared.Considering the disadvantages of riprap protection,the future development direction and possible improvement measures of riprap protection are suggested furtherly.

Keywordsriprap protection, failure mechanism, stability, influence factors, review

1引言

沖刷是水流作用引起河床剝蝕的一種自然現(xiàn)象。統(tǒng)計資料表明[1],超過半數(shù)的橋梁損毀與沖刷有關(guān),沖刷導(dǎo)致的橋梁橋墩失穩(wěn)毀壞事故可能造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

水流對墩周河床的沖刷由前進水流漩渦、下降水流掏底和尾流漩渦沖坑三部分共同作用,在橋墩周圍設(shè)置防護措施能有效地弱化沖刷作用,提高橋梁的安全性能。根據(jù)防護機理的不同,橋墩基礎(chǔ)沖刷防護可分為主動防護和被動防護[2-3]。主動防護通過減小沖刷原動力來提高防護能力,主要包括墩前犧牲樁、護圈、環(huán)翼式擋板、護殼、橋墩開縫、下游石板等防護措施;而被動防護則從床沙和橋墩入手提高河床材料的抗沖刷性能,主要包括拋石、擴大墩基礎(chǔ)、四面體透水框架群等防護措施[3]。

拋石防護是將經(jīng)過合理配置的拋石拋投于河床上或埋置于河床內(nèi)的橋墩周圍,來提高橋墩周圍河床抗沖刷能力,是目前使用最為普遍的防護措施之一。其工作原理主要體現(xiàn)在兩個方面,其一是拋石對床沙有保護作用,即拋石的存在增加了床沙起動或者床沙揚起所需的流速;其二是拋石可增大橋墩面附近的糙率,能在一定程度上減小橋墩附近的流速[4]。拋石防護的優(yōu)點是取材方便、工藝簡單、靈活性大,但也存在整體性差,運營過程工作量大、維護費用高的缺點[5]。

本文簡要回顧了近年來國內(nèi)外學(xué)者對拋石防護破壞機理的主要研究成果,對比分析了拋石穩(wěn)定性的分析方法,并結(jié)合實際案例,分析拋石防護的工程實施效果。

2拋石防護破壞機理

Chiew[6]基于試驗研究總結(jié)了清水沖刷條件下拋石防護的破壞機理(圖1):①剪切破壞,即拋石無法抵抗較大流速的下降水流和馬蹄形渦流而產(chǎn)生破壞;②沉陷破壞,即河床材料被水流通過拋石間縫隙帶走而導(dǎo)致拋石整體或局部破壞;③邊緣破壞,即破壞從拋石層邊緣開始向內(nèi)發(fā)展,產(chǎn)生沖刷坑,導(dǎo)致拋石層陷落坑內(nèi)而破壞。

圖1　拋石破壞機理Fig.1　Failure mechanism of riprap

Lim和Chiew[7]改變河床條件為動床狀態(tài)研究拋石穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)上述三種破壞形式在動床條件下同樣存在,既可能單獨發(fā)生,也可能與其他破壞形式共同作用。發(fā)現(xiàn)了動床條件下的破壞機理,即分解破壞和埋置破壞。分解破壞是指在來流流速較大時拋石層被水流沖擊分散;埋置破壞是拋石層被埋在河床材料內(nèi)所致,在動床沖刷的破壞中比較常見,而影響埋置破壞的兩個因素是河床材料特性及其遷移特征。

Lauchlan和Melville[8],Lim和Chiew[9]總結(jié)了上述幾種拋石破壞機理,得出如下結(jié)論:

(1) 剪切破壞、沉陷破壞、邊緣破壞在清水沖刷和動床沖刷中均可發(fā)生,分解破壞和埋置破壞只在動床條件下發(fā)生;

(2) 當來流流速增大到床沙的臨界起動流速時,由清水沖刷發(fā)展為動床沖刷;

(3) 發(fā)生拋石剪切破壞的條件是來流流速與拋石失穩(wěn)流速的比值大于0.35。

3拋石穩(wěn)定性的主要影響因素

影響拋石穩(wěn)定性的因素主要有拋石粒徑、拋石設(shè)置位置、拋石層厚度、拋投范圍(圖2)、拋石級配[9]等。此外,橋墩形式和河床因素對拋石穩(wěn)定性也有一定影響。

圖2　拋石防護示意圖Fig.2　Riprap protection schemes

3.1　拋石粒徑

拋石粒徑是影響拋石穩(wěn)定性最重要的因素之一,拋石粒徑的選擇不當容易發(fā)生剪切破壞。對拋石粒徑的估算主要考慮水流因素和橋墩因素的影響。

代表性的方法有奧野公在1960年提出了一種估算拋石粒徑的簡易計算公式[10]:

d=k1v2

(1)

式中,k1為經(jīng)驗系數(shù),取0.04~0.05;v為水流流速(m/s)。

式(1)主要考慮了水流流速,再用經(jīng)驗系數(shù)修正,經(jīng)驗性較強,考慮因素較為單一。

1970年代以來,Chiew[6]、Richaidson等[11]以及Lauchlan[12]分別提出了拋石粒徑的計算公式,考慮的影響因素更加全面。在各種計算公式中,由Richardson等[11]推薦的FHWA(美國聯(lián)邦高速公路管理局)拋石粒徑公式較為經(jīng)典,該公式較為全面地反映了影響拋石防護效果的橋墩、泥沙、水流等綜合因素,具體表達如式(2)。

(2)

在實際工程中,Richardson等[11]建議采用更為簡化的計算公式,根據(jù)水流流速和橋墩形式計算拋石顆粒粒徑,該方法計算結(jié)果較為保守。

(3)

式中,ρ為泥沙密度(kg/m3);K為墩形影響系數(shù),圓形墩取1.5,矩形墩取1.7。

Parola[13]在清水沖刷試驗研究中發(fā)現(xiàn),墩前水流旋渦大小與橋墩直徑有關(guān),當拋石粒徑接近橋墩直徑時,較大的拋石可起到消散漩渦的作用,從而提高其防護穩(wěn)定性。Lauchlan和Melville[8]記錄了在特定流速和不同拋石粒徑狀態(tài)下的局部沖刷深度,指出當dr/dsmax>20%dr/dsmax>20%時(dr為拋石防護后的沖深,m;dsmax為未防護時的最大沖深,m),可認為拋石層防護失效。

3.2　拋石設(shè)置位置

Parker[14]指出雖然拋石設(shè)置位置是影響拋石穩(wěn)定性的重要因素之一,但目前為止依舊沒有被統(tǒng)一接受的設(shè)置標準,不同地區(qū)有不同的常用做法。

拋石設(shè)置的位置有三種:①拋石置于河床表面,如圖3(a)所示,即拋石底面與河床頂面相平,河床表面的拋石層阻礙了垂直水流,使下降水流和漩渦系統(tǒng)的掏底能力弱化而被廣泛使用,歐洲國家有關(guān)部門建議在拋石層底面布置土工織物來防止沉陷破壞,Lim[15]建議清水沖刷條件下按此種方式布置;②拋石嵌于河床表面,如圖3(b)所示,即拋石頂面與河床頂面相平,FHWA(美國聯(lián)邦高速公路管理局)推薦此種布置形式[13];③拋石埋在河床里面,如圖3(c)所示,即拋石埋置于河床頂面之下,Lauchlan[12]指出此種布置能有效減少河床沖刷深度。Lim[15]的系列試驗結(jié)果表明,在動床條件下,當平均行進流速為拋石失穩(wěn)流速的2.5倍左右時,放置高度的影響可忽略不計。

圖3　拋石設(shè)置位置Fig.3　Placement level of riprap

第一種方式,施工簡便、成本低、易檢查,可在橋墩建造或橋梁運營時施工,防護過程易發(fā)生剪切破壞和邊緣破壞。第二種方式,與橋墩同步施工更易實現(xiàn),防護過程易發(fā)生沉陷破壞。在研究清水沖刷條件下的拋石破壞時,大部分拋石按前兩種方式設(shè)置。Laursen等[16]的研究結(jié)果表明,第二種方式的防護效果比第一種的好。第三種方式,拋石被埋在床沙里面,施工較復(fù)雜,其上覆床沙未得到保護,易被沖刷,在工程上較少使用。

在設(shè)置拋石位置時,應(yīng)根據(jù)水流情況而定,清水沖刷條件下,建議按圖3(a)布置,并在拋石層下設(shè)置過濾層,如土工織物;而在動床沖刷條件下,建議按圖3(b)布置。

3.3　拋投范圍

拋石防護的拋投范圍也是一個關(guān)鍵因素,通常是將拋石層的拋投范圍延伸到所預(yù)測的或現(xiàn)有的沖刷坑的外邊緣,一般設(shè)置成從墩周開始往外1~7倍樁徑范圍。Richardson[11]建議將拋投范圍設(shè)定為自橋墩表面向外的兩倍橋墩直徑,Lim[15]的試驗結(jié)果表明,拋石層的防護能力隨著布設(shè)范圍的增大而呈線性增加,很多學(xué)者建議將覆蓋面設(shè)計成矩形、馬蹄形等[5]。

拋石顆粒在水中沉落的過程中,會在水流方向上產(chǎn)生一定的落距。如果施工過程中不考慮落距的影響,拋石就很難準確地落在指定位置,導(dǎo)致拋石防護效率低下。結(jié)合錢塘江河口聞家堰河段的工程實際,韓海騫等[17]對單顆粒拋石在動水中的運動,包括漂移、分選、護底抗沖等進行了受力分析,推導(dǎo)出動水中單顆粒拋石落距的計算公式。齊梅蘭等[18]采用量綱分析法得到了拋石落距計算公式,認為拋石落距與拋石顆粒和水的相對密度差(ρs-ρ)/ρ及顆粒粒徑dr成反比,與水流佛羅德數(shù)Fr和水深y成正比,如式(4)。

(4)

式中,xr,n為落距(m);ρs為顆粒密度(kg/m3);ρ 為水流密度(kg/m3)。

為安全起見,拋石的拋投范圍不宜過小,設(shè)計時應(yīng)考慮落距的影響,在必要情況下,應(yīng)適當加大拋投范圍。

3.4　拋石層厚度

拋石層厚度對拋石的穩(wěn)定性也產(chǎn)生重要作用,拋石層設(shè)置得太薄容易發(fā)生沉陷破壞而使床沙被掏空,Lim和Chiew[7]發(fā)現(xiàn)厚的拋石層能在破壞情況下進行自我修復(fù),在動床條件下不會陷入河床中。Lim[15]的試驗研究發(fā)現(xiàn),拋石層越厚,整體性越好,拋石穩(wěn)定性就越好。Parker[14]發(fā)現(xiàn)當拋石層厚度在2~3倍的拋石中值粒徑變化時,其防護效果隨拋石厚度增加而不斷增強。

Melville和Coleman[19]的試驗結(jié)果表明,當拋石層厚度從1倍拋石中值粒徑增加到3倍時,橋墩周圍的沖刷減少可達70%之多。涂向陽等[20]在騮崗涌特大橋工程的拋石防護中發(fā)現(xiàn)拋石層厚度設(shè)置成兩倍拋石中值粒徑時,能有效控制橋墩附近的局部沖刷。

3.5　拋石級配

級配良好的拋石層能有效抵抗河床材料被高速水流所掏刷,但很少有研究針對拋石級配對拋石穩(wěn)定及防護效果進行量化研究。河床材料容易從級配較差的拋石中間沖走,在實際工程中常用粒徑分布曲線較光滑的拋石組群,條件允許時可通過在拋石層與床面之間布設(shè)反濾層的方法來提高其防護效果,而這種情況只限于拋石按圖3(a)設(shè)置,即將拋石放于河床表面,按其他方式布置時則無須布設(shè)反濾層[7,21]。

設(shè)計時,可先根據(jù)水流和橋墩參數(shù)計算拋石中值粒徑,然后根據(jù)拋石中值粒徑配置一定的拋石組群。施工時,粒徑小的顆粒應(yīng)設(shè)置在底層,粒徑大的顆粒設(shè)置在頂層。

4拋石穩(wěn)定性分析方法對比

拋石穩(wěn)定性分析方法主要有離散單元法、水槽試驗法、理論分析法。

在對散粒體的研究中,以離散單元法較為適合。離散單元法通過建立固體顆粒體系的參數(shù)化模型進行顆粒行為模擬和分析,自1971年由Cundull提出[22]后,在國外得到迅速發(fā)展,王泳嘉等[23]將其引進國內(nèi),并在巖土界得到廣泛關(guān)注。在離散元分析中,顆粒被模擬成圓球,這與實際顆粒的形狀產(chǎn)生偏差[24]。雖然武漢大學(xué)金磊等[25]基于CT掃描的不規(guī)則顆粒三維離散元精細建模技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種不規(guī)則塊石幾何模型隨機生成技術(shù),但未見該技術(shù)在拋石穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。張翠兵等[26]針對振動荷載作用下拋石散體單元的擠密效應(yīng),引入了圓盤模型離散單元法對其進行研究,模擬結(jié)果令人滿意。針對拋石防波堤在波浪作用下的失穩(wěn)過程,李增志等[27]首次運用二維剛性體離散單元法對其局部失穩(wěn)和從局部失穩(wěn)到整體失穩(wěn)的變化過程進行研究。

水槽試驗法是拋石穩(wěn)定性研究最有效的分析方法,通過一定的模型比尺將現(xiàn)實中的拋石模擬成水槽中的細小顆粒研究拋石防護特性。在許多水槽試驗中,流速的調(diào)節(jié)由控制水泵電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn),產(chǎn)生的問題是流速不能及時、準確地調(diào)節(jié),且造流能力往往有限。如果是波流混合條件,還難以任意調(diào)節(jié)流向和浪向間的夾角[28]。另外,試驗中的水流只有單向或雙向流,而實際海洋里的橋墩所受水流或是波浪作用往往是來自多個方向,試驗無法完全模擬實際情況。即便如此,該方法也被普遍使用。Chiew[29]利用室內(nèi)模型試驗,對無防護和拋石穩(wěn)定性進行了對比研究;Chiew[6]通過室內(nèi)水槽試驗研究了拋石穩(wěn)定性,得出當水流行進流速小于臨界起動流速的0.3倍時拋石穩(wěn)定的結(jié)論;Unger同樣利用水槽試驗對拋石穩(wěn)定性進行了研究[30]。

理論分析法,即對水中拋石進行受力分析,從理論上研究拋石起動。作用在水下顆粒的力有重力、壓差力、附加質(zhì)量力、Basset力、Magnus力、Saffman力、拖曳力、上舉力、碰撞力、賓漢體水流的切應(yīng)力、粘結(jié)力和薄膜力,在研究拋石防護穩(wěn)定性時,假設(shè)拋石顆粒為球形顆粒,同時,忽略了Saffman力、上舉力、碰撞力、粘結(jié)力和薄膜力的影響[31-32]。江勝華等[33]采用赫茲接觸理論分析石塊的運動,提出了沖刷防護石塊起動的簡化公式;齊梅蘭等[18]對水下拋石顆粒進行受力分析后研究墩周繞流對拋石落距的影響。

上述方法各有優(yōu)缺點,離散單元法基于一定的假設(shè),比基于連續(xù)理論的分析更為合理,但也有其自身局限性,比如用圓球模型模擬拋石顆粒會與實際形狀產(chǎn)生一定偏差;水槽試驗法能較真實地模擬工程實際,也能直接地觀察拋石破壞過程,簡單實用,但也會存在比尺效應(yīng),比尺太大或太小都會對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響;理論分析法能從機理上分析拋石的穩(wěn)定性,但同樣是基于一定的假設(shè)。

5拋石防護方法的新發(fā)展

用拋石作為防護措施,取材方便,工藝簡單,能適應(yīng)河床形態(tài)變化,但其散體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整體性差,當來流流速較大時易失去防護效果,為盡量規(guī)避拋石缺陷產(chǎn)生的隱患,從傳統(tǒng)拋石演變出了許多諸如人造拋石、部分灌漿拋石等的新型防護措施。

人造拋石,是指預(yù)制的混凝土塊體,可單獨放置,也可幾個混凝土塊相互聯(lián)結(jié)使用,在缺少拋石材料或其他條件限制時能取代拋石,其防護機理與拋石一致。常見的人造拋石形狀有四面體型(圖4)、菱形塊型、扭王字型、三字塊體型。相比于傳統(tǒng)拋石,人造拋石穩(wěn)定性較好,防護效果也更好,但其造價較高,施工較為復(fù)雜[1,3]。

圖4　四面體型混凝土塊Fig.4　Tetrahedral concrete block

部分灌漿拋石(圖5),是指對放置于橋墩周圍的拋石散粒體進行部分灌漿,要求灌注的孔隙比例低于50%。與整體灌漿拋石相比,部分灌漿拋石的滲透性較好;與傳統(tǒng)拋石體相比,部分灌漿拋石的整體性較好。該種防護措施規(guī)避了整體灌漿拋石和傳統(tǒng)拋石體的缺點,提高了防護穩(wěn)定性[34]。

圖5　部分灌漿拋石Fig.5　Partially grouted riprap

在水下橋墩一定深度處設(shè)置護圈能有效削弱墩前下降水流和馬蹄形漩渦對河床的掏刷作用,Zarrati[35]試驗研究了拋石防護與護圈防護的結(jié)合使用效果,提出了計算兩種防護措施聯(lián)合使用時的拋石粒徑和拋投范圍的經(jīng)驗公式,同時,發(fā)現(xiàn)當橋墩直徑小于7.5倍的拋石粒徑時,與護圈聯(lián)合使用能大大減小拋石粒徑和拋投范圍,如圖6所示。

圖6　護圈與拋石聯(lián)合防護Fig.6　Collar and riprap

四面體透水框架群(圖7)能保護床沙、抑制沖刷,同時,還可降低墩前行近流速的40%~60%,達到減速防沖效果,通過試驗比較四面體透水框架群和拋石的防護效果,得出兩者防護效果較為接近,最大沖深均為無防護情況下的50%~60%,四面體透水框架群因其自身穩(wěn)定性而流失較少,降低了維護費用[4]。

圖7　四面體透水框架群Fig.7　Tetrahedron permeable frame

6典型工程實例分析

蘇通長江大橋位于江蘇省東南部,連接蘇州和南通,全長約8.2 km,主跨跨徑達1 088 m,是世界上第二大跨徑的斜拉橋,墩基由131根鉆孔灌注樁組成,承臺尺寸為114 m×48 m,布樁密度大,主墩局部沖刷深度大、范圍廣,必須設(shè)置防護措施[36]。

沖刷防護方案采用拋石、砂袋等作為護底抗沖材料,防護結(jié)構(gòu)由反濾層和護面層組成。以南主墩為例,根據(jù)防護重要性,將平面防護區(qū)域分為核心區(qū)、永久防護區(qū)和護坦區(qū)(圖8)。核心區(qū)為承臺以外約20 m的重點防護區(qū)域,在未防護情況下,其沖刷現(xiàn)象最為嚴重,該區(qū)采用袋裝砂進行預(yù)防護,再用袋裝級配石反濾,用塊石護面;永久防護區(qū)以1 m厚的袋裝砂作為反濾層,上面為級配石和3層塊石護面;護坦區(qū)外側(cè)5層塊石護面,內(nèi)側(cè)3層塊石護面[36]。監(jiān)測結(jié)果表明,防護工程有效地確保了橋墩基礎(chǔ)的安全[37]。

圖8　拋石防護平面分區(qū)Fig.8　Partition of riprap protection in horizonal

7結(jié)論

如上所述,用拋石作為橋墩局部沖刷的防護措施歷史悠久,研究成果較為豐富,在拋石防護研究過程中還有一些問題需進一步研究:

(1) 拋石穩(wěn)定性理論分析方法中,假設(shè)拋石顆粒為球形對其進行研究,與實際情況產(chǎn)生偏差,后續(xù)可進一步研究不規(guī)則拋石的水流作用力以及拋石運動過程中不同階段所受相鄰拋石的作用力;另一方面,分析中往往研究單個拋石的運動,可在此基礎(chǔ)上研究不同拋石組合情況下的穩(wěn)定性。

(2) 拋石防護施工過程中,流態(tài)、拋石形狀、拋投方式在水流中會影響落距,動水中的渦流作用使其落距具有不確定性,不能保證拋石能準確定位著床,影響橋墩防護效果。

(3) 水流對墩周不同位置的沖刷作用是不相同的,導(dǎo)致在墩周不同位置會產(chǎn)生不同的沖刷深度,而在進行拋石層設(shè)計時,一般根據(jù)最大沖深和最遠沖刷距離來設(shè)置拋石層厚度和拋投范圍,針對性不夠明確,會造成一定的浪費,應(yīng)對墩周位置進行分區(qū)設(shè)計。

(4) 由于拋石顆粒的散粒狀,床沙容易被水流從拋石顆粒縫隙間帶走,導(dǎo)致拋石層在動床條件下發(fā)生埋置破壞,可采取分層設(shè)計,拋石灌漿,或者用網(wǎng)兜包住拋石組群的規(guī)避措施,為避免拋石層所受水壓過大,組群不宜過大,以保證拋石層適當?shù)耐杆浴?/p>

(5) 近年來出現(xiàn)了許多新型的沖刷防護措施,如四面體透水框架群和環(huán)翼式擋板防護等,相關(guān)研究人員可考慮兩種甚至幾種防護措施的聯(lián)合使用,可以有效地起到揚長避短的效果。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41172246),中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(2013CB036304)

收稿日期：2015-05-29

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