橋墩局部沖刷的機理及防護(hù)措施

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院　重慶　400074)

橋梁建成后，除了河床的自然演變外，還有由于橋墩干擾水流和泥沙的運動而引起的河床沖刷，它們交織在一起同時進(jìn)行，沖刷過程非常復(fù)雜。為了便于研究和計算，常把橋墩的最大沖刷深度分為獨立的三個部分：自然演變引起的沖刷、一般沖刷和局部沖刷，并假定它們相繼發(fā)生進(jìn)行。由于橋墩阻流產(chǎn)生的水流沖擊和渦流作用，在橋墩周圍分離出三維邊界層，從而產(chǎn)生具有高紊動和高流速特性的局部水流，引起旋渦并向下游傳播和發(fā)展，產(chǎn)生很大的床面切力，在橋墩周圍形成的局部河床變形稱為橋墩局部沖刷[1]。

理論上可以將水流與橋墩的沖刷作用分為三個部分[2]:①前進(jìn)水流漩渦，主要是指前進(jìn)的水流遇到障礙物產(chǎn)生的漩渦在通過障礙物時，卷動泥沙形成了沖刷坑，可采用減緩水流能量或者改變水流與橋墩的作用方式來應(yīng)對；②下降水流淘底，主要指前進(jìn)水流撞擊橋墩后形成一部分下降水流，對墩底進(jìn)行淘刷，可采用阻礙水流急速下沖的手段或增大泥沙啟動時需要的動力來應(yīng)對；③尾流漩渦沖坑，主要指水流繞過障礙物后形成的漩渦，帶走了墩后的部分泥沙，可在下游裝置收尾措施來處理應(yīng)對。

一、橋墩局部沖刷的機理

橋墩局部沖刷深度影響因素眾多，與橋墩形狀、橋墩附近的水流強度以及河床組成密切相關(guān)，局部沖刷機理十分復(fù)雜，概括起來，主要有以下三種觀點[1]：

(一)墩周流場的旋渦體系

將一橋墩放入三維不擾動的流速場中，墩前緣水流遇阻后由于近河底流速小，上部流速大，在河底處形成順時針旋轉(zhuǎn)的橫軸漩渦，并沿床面移向橋墩兩側(cè)與繞流形成馬蹄形漩渦系。墩周局部沖刷是由馬蹄形漩渦系產(chǎn)生很高的河床剪力而形成的。

(二)墩前下降水流的沖擊作用

橋墩對水流的阻礙，引起橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)的劇烈變化，在墩頭前緣形成一種“下降水流”，垂直向下沖刷床面泥沙，在墩前形成沖刷坑。

(三)水流受橋墩的壓縮作用

橋墩周圍的局部沖刷是由于橋墩壓縮了水流，改變了墩周原來的流速分布，在墩的兩側(cè)流速相對增大，從而使墩兩側(cè)首先引起沖刷，沖刷逐步發(fā)展到墩的正面。

根據(jù)對局部沖刷試驗過程的研究成果分析，上述三種觀點不是孤立作用的，而是相互聯(lián)系相互影響的，由此可以看出，橋墩對水流的壓縮和阻礙作用，使墩周流場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生橋墩兩側(cè)的“集中水流”和橋墩前的“下降水流”，“集中水流”和“下降水流”是形成馬蹄形漩渦的內(nèi)在原因，而馬蹄形漩渦系則是產(chǎn)生墩周局部沖刷的直接原因。

二、橋墩局部沖刷的防護(hù)措施

沖積性河流中橋墩周圍的局部沖刷幾乎是一個不可避免的問題，橋梁設(shè)計工作者在進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)設(shè)計時，必須考慮采取一些防護(hù)工程對橋墩周圍的床面進(jìn)行防護(hù)，以保證橋墩的安全與穩(wěn)定，而在橋基受沖刷初期或已危及橋梁安全時，如何以最適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施防止橋基因裸露而遭破壞則是工程技術(shù)上最大的挑戰(zhàn)。迄今為止，橋墩局部沖刷防護(hù)工程一直是防止河槽中橋墩周圍床面沖刷、橋墩失穩(wěn)和橋梁水毀的重要措施之一。

(一)沖刷防護(hù)的原理

橋墩防沖刷保護(hù)措施一般基于以下兩種原理[1][3]:

(1)從改變沖刷對象和泥沙特性入手，以提高河床材料的抗沖刷性能，這類方法屬于被動防護(hù)。

(2)在實際工程中，可以在河床高程附近增設(shè)底板或者護(hù)圈等，通過減小沖刷水流的原動力來提高抗沖刷性能，這種“減沖”的防護(hù)方式即主動防護(hù)。

(二)沖刷防護(hù)的措施

近年來研究過的被動防護(hù)工程措施，主要包括拋石防護(hù)、擴大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)、混凝土模袋防護(hù)、混凝土鉸鏈排防護(hù)等；主動防護(hù)工程措施，主要包括護(hù)圈防護(hù)、墩前淹沒翼墻防護(hù)、橋墩開縫防護(hù)、墩前排樁防護(hù)等。

(1)護(hù)圈防護(hù)

通常來說，主動防護(hù)工程措施更經(jīng)濟實用，特別是橋址附近沒有足夠多的石料可供開采時。護(hù)圈防護(hù)方法是典型的主動防護(hù)工程措施，它是通過利用護(hù)圈頂面阻擋和消殺下降水流，減小馬蹄形旋渦強度的原理進(jìn)行防護(hù)的[4]。

(2)橋墩開縫防護(hù)

墩前迎水面的下降水流和形成于沖刷坑前緣繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦的共同作用導(dǎo)致了橋墩周圍床面的泥沙被侵蝕，所以控制和減少沖刷的一個途徑就是削減下降水流和馬蹄形旋渦的強度，或者完全阻止這兩種水流結(jié)構(gòu)的形成。Kumar等[5]認(rèn)為，縫的存在可以使得朝著河床的向下水流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是由于縫使得底部邊界層水流自身像噴射一樣加速，而當(dāng)縫處于河床附近位置時，會使得馬蹄形漩渦解體，當(dāng)處于水面附近時，縫可以很好地減小下降水流和馬蹄形漩渦。Chiew[3]的試驗在保持縫寬與墩寬比值為0.25 時，沖刷深度隨著沖刷角度的增大而增大。當(dāng)角度增大到45°時，開縫減小沖刷作用的效果幾乎沒有了。

(3)墩前排樁防護(hù)

墩前排樁防護(hù)是指在橋墩上游按一定規(guī)則布設(shè)一定數(shù)量的樁群，當(dāng)橋墩處于樁群的尾流區(qū)域時，用于橋墩局部沖刷防護(hù)的排樁本身就會受到水流的沖刷，所以它能使墩前的高速水流方向產(chǎn)生偏離，并能在后部形成一個尾流區(qū)域，有效削減了橋墩周圍旋渦體系的紊動強度，從而有效地遏制了橋墩周圍的局部沖刷。

三、結(jié)論

工程上現(xiàn)行的防護(hù)方式多以被動防護(hù)為主，其中拋石防護(hù)最為常見。如前文所述，該類方法雖然操作簡便，但由于被動防護(hù)只是機械地提高墩周土體的抗沖刷能力，經(jīng)常需要進(jìn)行修繕維護(hù)，代價高，工作量大，尤其是水流作用大以及作用變化較大時，拋石很容易流失，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。相反，主動防護(hù)著眼于沖刷的根源，從擾動水流結(jié)構(gòu)入手，降低來流的作用，從而起到很好的防護(hù)效果，應(yīng)是未來局部沖刷防護(hù)的發(fā)展方向。

本文概況分析了橋墩局部沖刷的機理，總結(jié)了幾種常用防護(hù)措施的作用機理，防護(hù)效果以及相應(yīng)的優(yōu)缺點。為了將橋墩防護(hù)措施更好更完善地投入工程實踐，相關(guān)的理論和試驗研究需要繼續(xù)進(jìn)行，相關(guān)的試驗設(shè)備和技術(shù)手段也要不斷發(fā)展。與此同時，還應(yīng)當(dāng)繼續(xù)尋找主動與被動防護(hù)的契合點，將兩者有機地聯(lián)系起來，進(jìn)行全方位的防護(hù)。