跨河橋梁橋墩沖刷透水六腳體防護(hù)施工

孫艷兵，劉 佩，任海霞

跨河橋梁橋墩沖刷透水六腳體防護(hù)施工

孫艷兵1，劉 佩2，任海霞1

（1.松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），吉林長(zhǎng)春130021；2.水利部松遼水利委員會(huì)，吉林長(zhǎng)春130021）

文章運(yùn)用65-1改進(jìn)公式計(jì)算了某橫跨內(nèi)河的小型橋梁橋墩周圍的最大沖刷坑深度，利用透水六腳體對(duì)橋墩進(jìn)行了局部沖刷防護(hù)并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后分析了橋墩局部沖刷透水六腳體防護(hù)工程的防護(hù)效果。

跨橋橋梁；橋墩沖刷；透水六腳體；沖刷防護(hù)

橋墩周圍高強(qiáng)度的水體紊動(dòng)會(huì)造成附近河床床面的局部沖刷，為了防止沖刷對(duì)橋墩周圍河床面的破壞，工程上通常采用局部沖刷防護(hù)措施對(duì)其護(hù)底防護(hù)。透水六腳體是由6根長(zhǎng)度相等的混凝土桿件拼接而成的一種空間結(jié)構(gòu)單元，近年來曾經(jīng)在沿海海岸防浪消能和內(nèi)河岸坡防護(hù)中等到嘗試性應(yīng)用，顯示出了良好的防護(hù)效果和誘人的應(yīng)用前景。室內(nèi)水槽試驗(yàn)研究表明，透水六腳體會(huì)通過自身特殊的結(jié)構(gòu)形式對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的方式消耗水體能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)岸灘沖刷的有效保護(hù)和風(fēng)浪能量的有效耗散。

1 工程概況

傳統(tǒng)的拋石防護(hù)特點(diǎn)是不允許水流通過，所以由于石塊的阻擋，水流會(huì)繞過拋石防護(hù)體系的兩側(cè)和底部，在這些位置處產(chǎn)生較為顯著的繞流，致使所拋投石塊周圍的流速明顯增大。另外，拋石防護(hù)的石塊形狀均不規(guī)則，防護(hù)體系與被防護(hù)的河床之間有比較強(qiáng)烈的漩渦流，這容易導(dǎo)致河床底部的泥沙揚(yáng)起并懸浮于水體中，造成了較為嚴(yán)重的局部沖刷。防護(hù)體系附近的泥沙首先起動(dòng)，防護(hù)體系迎水面兩側(cè)均會(huì)發(fā)生沖刷，而且還會(huì)形成較為明顯的沖刷溝，沖刷溝的出現(xiàn)又使得先前形成的旋渦體系的沖刷能力增強(qiáng)。旋渦體系的沖刷能力逐漸加大，沖刷溝的尺度也不斷變大，致使防護(hù)體系內(nèi)部的石塊翻滾脫落，脫落之后裸露于水體中的河床面又會(huì)形成新的沖溝，周而復(fù)始之后，防護(hù)體系防護(hù)效果降低或徹底水毀。螺旋流強(qiáng)度不斷加大，使得沖溝擴(kuò)大、加深，最終使塊石翻滾，塊石翻滾后又在新的位置上形成新的沖溝，在拋石體邊緣會(huì)產(chǎn)生巨大的沖坑，大量泥沙走失使塊石下陷、移動(dòng)，導(dǎo)致塊石流失。橋墩淺基防護(hù)主要是削弱水流的沖刷能力，為了解決投拋片塊石易流失的難題，采用透水六腳體對(duì)橋基進(jìn)行防護(hù)，取得了較好的防護(hù)效果。

2 基礎(chǔ)局部沖刷坑深度計(jì)算

為了比較和檢查橋墩周圍透水六腳體拋投防護(hù)的效果，利用65-1改進(jìn)公式對(duì)橋墩周圍的最大沖刷坑深度進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算公式：

式中：hs為極限沖刷深度，m；b為橋梁承臺(tái)的寬度，m；?為裙樁橋墩單個(gè)墩柱直徑，m；B為橋墩寬度，m；Bm為單個(gè)墩柱寬度，m；Kξ為橋墩的形狀系數(shù)；d為泥沙的中值粒徑，mm；V為迎水面水流流速，m/s；V0為泥沙起動(dòng)流速，m/s；V′0為泥沙的起沖流速，m/s；Kη為泥沙相關(guān)系數(shù)；K′為橋墩的形狀系數(shù)；K1為矩形橋墩承臺(tái)系數(shù)；h為行進(jìn)水深，m；h?為水面以下橋墩單柱長(zhǎng)度，m。V0可用沙莫夫公式V0＝4.6d1/3h1/6計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)主橋墩縱軸線走向與行近水流方向一致、無防護(hù)措施的最大沖刷深度為10.4 m。

3 沖刷防護(hù)工程設(shè)計(jì)

相對(duì)流速u/uc、相對(duì)水深h0/D、模型沙的相對(duì)中值粒徑D/d50、透水六腳體的桿件體積率n、透水六腳體的相對(duì)防護(hù)范圍C/D和相對(duì)放置高度y/D等特征因素，對(duì)透水六腳體的防護(hù)效果影響的試驗(yàn)研究表明，透水六腳體的防護(hù)效果隨相對(duì)流速、相對(duì)水深、模型沙的相對(duì)中值粒徑的增大而減小，隨著透水六腳體的桿件體積率、相對(duì)防護(hù)范圍的增大而增大，隨著相對(duì)放置高度的增大而減小。

基于此，防護(hù)工程設(shè)計(jì)時(shí)，采用構(gòu)成桿件長(zhǎng)為l0=1.2 m，桿件正方形橫截面邊長(zhǎng)b0=0.1m的透水六腳體，見圖1。防護(hù)工程采用透水六腳體的桿件體積率η=0.27、相對(duì)放置高度y/D=0（即直接拋頭在橋墩周圍河床面上）、相對(duì)防護(hù)范圍C/D=3.0，布設(shè)形式為矩形（圖2）。為了降低對(duì)床面形態(tài)的影響，透水六腳體預(yù)先采用鐵絲捆綁好。

圖1 透水六腳體的結(jié)構(gòu)尺寸

4 沖刷防護(hù)工程防護(hù)效果分析

橋墩局部沖刷防護(hù)工程實(shí)施后，經(jīng)過一個(gè)汛期，分別在不同時(shí)段對(duì)橋墩上下游豎直對(duì)稱面內(nèi)透水六腳體拋投區(qū)域內(nèi)的流速和水下地形進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，當(dāng)防護(hù)工程采用透水六腳體的桿件體積率η=0.27、相對(duì)放置高度y/D=0（即直接拋頭在橋墩周圍河床面上）、相對(duì)防護(hù)范圍C/D=3.0時(shí)，透水六腳體內(nèi)的流速明顯小于主槽流速。沖刷繼續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間后，透水六腳體內(nèi)開始有泥沙淤積，六腳體覆蓋下的河床明顯抬高，并有灘地形成。由于透水六腳體具有很好的減速促淤作用，橋墩周圍防護(hù)工程實(shí)施區(qū)域內(nèi)泥沙淤積速度很快，所以防護(hù)工程實(shí)施一個(gè)汛期后，透水六腳體完全被埋沒在泥沙之下。防護(hù)體系中的六腳體均采用鉛絲扎捆，使得在水流沖擊下，除了上游很少量的六腳體發(fā)生位移，余下的六腳體均在原來位置，落淤的泥沙對(duì)架體也起到了固定作用。

采用防護(hù)工程措施后，橋墩周圍沖刷坑最大深度僅為無任何防護(hù)工程措施時(shí)的1/10，沖刷范圍也大大減小，見圖2。橋墩墩前行進(jìn)流速（以垂線平均流速表示）影響這局部沖刷的最大深度，所以促使橋墩迎水面流速的減小能夠有效減小橋墩周圍最大沖刷深度。透水六腳體完美結(jié)合減速不沖和實(shí)體抗沖防護(hù)特性于一體，在防護(hù)體系內(nèi)部設(shè)置測(cè)速點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，橋墩周圍拋投的透水六腳體能夠使得橋墩迎水面流速減少40%～60%。這樣的減速作用，使得橋墩周圍的最大沖刷流速保持一定值，而不能無限增大，從而使得橋墩周圍的繞流流速減小，橋墩迎水面處水流的紊動(dòng)不那么劇烈了，馬蹄形漩渦的強(qiáng)度也被有效減弱，局部沖刷形成的水流條件被破壞了。

經(jīng)過防護(hù)工程應(yīng)用可知，透水六腳體重心比較低，自身重量比較大，穩(wěn)定平衡性比較好，不易在水流作用下抗滑失穩(wěn)或抗翻滾失穩(wěn)而喪失其防護(hù)工程整體防護(hù)效果。拋石防護(hù)工程中拋投的石塊在一個(gè)汛期過后，所拋投的石塊的流失率達(dá)到5成，而透水六腳體護(hù)岸不僅不會(huì)發(fā)生塊體流失，還會(huì)在防護(hù)體系內(nèi)部淤積大量泥沙。已有研究成果表明，在南京長(zhǎng)江某河段主要采用的是拋石防護(hù)、透水六腳體防護(hù)和混凝土鉸鏈排防護(hù)這3種岸灘防護(hù)措施，它們的防護(hù)成本分別為70元/m3、30元/架、95元/m2。按照單架透水六腳體的護(hù)岸固灘效果與1 m3拋石防護(hù)的成本相當(dāng)，那么透水六腳體防護(hù)的成本較低，而且透水六腳體具有獨(dú)特的穩(wěn)定性和耐久性，避免了拋石防護(hù)后，防護(hù)體系內(nèi)部石塊逐年流失和后續(xù)補(bǔ)拋的問題。

圖2 透水六腳體拋投防護(hù)前、后橋墩周圍地形圖

5 結(jié)論

對(duì)經(jīng)過一個(gè)汛期的工程實(shí)際應(yīng)用的透水六腳體防護(hù)橋墩局部沖刷的防護(hù)效果進(jìn)行了原型觀測(cè)研究，得出：1）單架透水六腳體的重心比較低，自身重量也比較大，因此具有很好的穩(wěn)定性，采用鉛絲困扎的方法使其不易翻滾流失，改變整體防護(hù)效果，減少了后期補(bǔ)拋造成的維護(hù)費(fèi)用；2）透水六腳體完美結(jié)合減速不沖和實(shí)體抗沖特性于一身，使得橋墩周圍行進(jìn)流速減少40%～60%；3）透水六腳體促淤作用明顯，橋墩周圍防護(hù)工程實(shí)施區(qū)域內(nèi)泥沙淤積速度很快，經(jīng)過一個(gè)汛期，泥沙淤積面已全部覆蓋透水六腳體；4）單一透水六腳體的防護(hù)效果與1 m3拋石相當(dāng)，但與傳統(tǒng)的拋石、混凝土鉸鏈排等防護(hù)措施比，透水六腳體工程費(fèi)用大大降低，而且避免了塊石年年流失、逐年補(bǔ)拋的后續(xù)問題，后期維護(hù)費(fèi)用明顯降低。

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U445 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

B

1002—0624（2017）12—0014—03

2017-04-20