橋墩局部沖刷及加固措施的思考

卓長(zhǎng)智

（合武鐵路有限公司，安徽 合肥 230088）

橋梁在使用過(guò)程中，橋墩受到河水沖刷是十分常見的，它是河床水流沖蝕所引發(fā)的。橋梁基礎(chǔ)沖刷包括橋墩與橋樁兩個(gè)部分的沖刷，這是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受損的主要因素之一。但是，從現(xiàn)階段的橋梁結(jié)構(gòu)情況來(lái)看，具備沖刷是一個(gè)普遍性問題，幾乎不可避免，那么如何才能夠加大橋梁具備沖刷的防護(hù)力度，降低其受損概率和程度，就成為了保障橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與橋梁使用壽命的關(guān)鍵。

1 概況

皖水河特大橋全長(zhǎng)1 959.1 m，該橋跨越泛區(qū)的主河槽段，控制流域面積為585.5 km2，洪水曾使橋址上下游大堤多次潰決。該河流平時(shí)流量小，遇大暴雨流量迅速增加，主河道經(jīng)常變動(dòng)，由于長(zhǎng)年地方在河道采砂，造成河床下切較多，如圖1所示。2006年洪水導(dǎo)致該橋沖刷嚴(yán)重，部分橋墩鉆孔樁外露，2006年對(duì)該橋第37#～40#墩承臺(tái)用密排鋼軌樁封閉防護(hù)；2010年因39#～40#墩再次被沖刷，導(dǎo)致鋼軌樁被沖毀大半，承臺(tái)及鉆孔樁嚴(yán)重暴露，再次施工恢復(fù)鋼軌樁防護(hù)，增加劈水尖，并在鋼軌防護(hù)樁周圍設(shè)石籠防護(hù)；2016年因36#～38#墩鋼軌樁被沖毀，再次用沉井進(jìn)行加固。

2 橋墩局部沖刷的機(jī)理

2.1 橋墩周圍的水流

橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度很大的漩渦體系，其河底的流速相對(duì)較慢，而上部的流速則相對(duì)較快，同時(shí)形成了橋墩附近馬蹄狀的漩渦流，如圖 2所示。橋墩兩側(cè)邊界層分離形成的尾流漩渦，分別如圖 3、圖4所示。床面附近形成的小漩渦均可視為漩渦體系。每個(gè)急速旋轉(zhuǎn)并向下游移動(dòng)漩渦的中心會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，將床沙吸起并帶往下游。在漩渦的生成和移動(dòng)的過(guò)程中，床面靜止泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)呈現(xiàn)不同的陣發(fā)性，在橋墩下游兩側(cè)漩渦相匯并沉積，從而形成很長(zhǎng)的沙脊。

橋墩的沖刷處水流的速度不小于床沙的起流速度時(shí)，就會(huì)做沖刷處床沙的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在橋墩迎水面兩側(cè)存在B和C兩點(diǎn)，該處的繞流流速的大小和方向變化較大，床面的切應(yīng)力也大于其他區(qū)域。此時(shí)上游A點(diǎn)附近的行近流速V0′稱為橋墩起沖流速。起沖流速V0′大約等于 0.4～0.6倍的床沙起動(dòng)流速V0。

圖1 橋墩現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 橋墩附近水流結(jié)構(gòu)

圖3 圓形橋墩

圖4 矩形橋墩

2.2 沖刷深度和行近流速的關(guān)系

為了更加接近沖刷實(shí)際情況，簡(jiǎn)化分析計(jì)算，可以假定隨著行近流速V的變化，清水沖刷（V0′＜V≤V0），深度hb呈直線增加；動(dòng)床沖刷（V＞V0）沖刷深度hb隨行近流速V呈曲線增大；在V=V0處兩種狀態(tài)是連續(xù)的。沖刷深度和行近流速的關(guān)系如圖5所示。橋墩的局部沖刷是一個(gè)動(dòng)態(tài)的發(fā)展過(guò)程，影響因素眾多，空間分布具有很強(qiáng)的三維特性，經(jīng)研究橋墩周圍水流泥沙運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，現(xiàn)有的計(jì)算公式基本為經(jīng)驗(yàn)公式，準(zhǔn)確性仍需繼續(xù)研究。而不能單一進(jìn)行理論計(jì)算，除了精確掌握沖刷情況，還需主動(dòng)做好沖刷防護(hù)工作。擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)如圖6所示。

圖5 沖刷深度和行近流速的關(guān)系

圖6 擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)

3 橋墩局部沖刷的防護(hù)加固措施

3.1 防護(hù)措施

資料及研究表明，橋墩局部沖刷不可避免，而沖積河床更不可避免。如果基礎(chǔ)埋置足夠深，而且采取一定的保護(hù)措施，對(duì)減少墩旁沖刷坑深、提高橋墩結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性有顯著效果。

3．1．1 沖刷防護(hù)的原理

應(yīng)提升橋墩周圍河床的防沖能力，如在橋墩周圍鋪設(shè)粗顆粒材料防護(hù)層或拋石，從而提高橋墩的防沖刷能力；減小水流沖刷的能量，通常采用擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)平面或設(shè)護(hù)腳的方法，如在橋墩墩軸線下面設(shè)沉箱或基腳，可以起到防止沖刷的作用；橋墩設(shè)計(jì)時(shí)采用流線性橋墩，能有效降低墩周的大壓力場(chǎng)，從而防止三維邊界層分離而形成馬蹄形渦流，也可起到防止沖刷、保護(hù)橋墩的作用。

3．1．2 沖刷防護(hù)的方法

3.1.2.1 主動(dòng)防護(hù)措施

實(shí)際中，絕大多數(shù)的工程單位采用的是主動(dòng)防護(hù)措施，以求更好地應(yīng)對(duì)河流所帶來(lái)的沖擊影響。目前主動(dòng)防護(hù)的措施相對(duì)較多，包括制作護(hù)圈、制作環(huán)翼式橋墩等。

3.1.2.2 被動(dòng)防護(hù)措施

區(qū)別于主動(dòng)的方法，被動(dòng)防護(hù)措施大多從被防護(hù)的對(duì)象入手，例如鋪設(shè)碎石等方法，以求達(dá)到防護(hù)河水沖擊的目的。隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前的橋墩防護(hù)措施大多采用主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的共同防御措施。

四腳混凝土塊防護(hù)。在橋墩局部沖刷防護(hù)中采用四腳混凝土塊，四腳混凝土塊防護(hù)效果好，穩(wěn)定性強(qiáng)。

混凝土鉸鏈排與混凝土模袋防護(hù)。混凝土鉸鏈排是把混凝土板塊用鉸鏈連接到一起對(duì)橋墩局部進(jìn)行防護(hù)；混凝土模袋是將高強(qiáng)化纖材料編織成袋體以起到控制間距、抗沖刷的防護(hù)作用。

擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)主要是通過(guò)擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)從而達(dá)到降低水流的沖刷力。擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)措施要求施工隊(duì)伍在完成橋梁施工前，在下部預(yù)先制作一個(gè)下部樁體，并在上空間預(yù)留一定的空間，以求擴(kuò)大橋墩的防護(hù)措施面積。這樣不僅能夠更好地搭配其他的防護(hù)措施共同展開建設(shè)工作，還能有效杜絕馬蹄形漩渦的生成。但其作用經(jīng)常受限于河床底下的泥沙，一旦泥沙存量發(fā)生變化，該防護(hù)裝置的穩(wěn)定性也會(huì)受到一定的牽連。

擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)按橋墩基礎(chǔ)頂面位置可分為三種情況：①擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)頂面位于河床面之上，實(shí)際上，僅增加了橋墩直徑，在水沖刷后，沖刷面積會(huì)導(dǎo)致深度增加；②擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)頂面位于沖刷坑內(nèi)，擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)的頂面削弱了部分向下水流和馬蹄形漩渦的沖刷力，橋墩周圍的沖刷坑深度減小，而當(dāng)擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)的頂面正好與河床床面處于同一高度時(shí)，減沖刷效果最佳；③擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)頂面位于橋墩周圍最大沖刷坑深度之下，其防護(hù)作用消失。理論計(jì)算上存在防護(hù)作用，但當(dāng)河床變動(dòng)時(shí)其防護(hù)作用變化消失，甚至?xí)鸱醋饔?，不利于工程建設(shè)。

拋石是目前被動(dòng)橋墩防護(hù)措施中運(yùn)用最為廣泛的一類，其優(yōu)勢(shì)在于可以隨處取材，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。通過(guò)拋石運(yùn)作能夠卷起河床內(nèi)部的泥沙，對(duì)河流沖擊造成巨大阻力，同時(shí)凹凸不平的石塊也會(huì)造成水流速度的變化，最終起到防護(hù)作用，分為傳統(tǒng)拋石和拋石替代方法防護(hù)。傳統(tǒng)拋石防護(hù)，其防護(hù)范圍必須大于2倍橋墩寬度。雖然拋石方法操作便捷，但是卻需要大量石材或者石頭顆粒，并且能夠滿足實(shí)際需求的石材有限，因此需要替代拋石防護(hù)的方法。目前普遍采用混凝土鉸鏈防護(hù)，混凝土硬殼單元體防護(hù)和混凝土石籠防護(hù)代替拋石法，它們的防護(hù)機(jī)理都是阻擋下降水流帶來(lái)的沖刷以及降低前進(jìn)水流攜走泥沙的能力。

3.2 加固措施

3．2．1 橋墩防護(hù)設(shè)施沖毀原因分析

鐵路部門一般采用鋼軌樁防護(hù)較多，這種方式可充分利用舊軌料，造價(jià)低，方便施工。2006年采用鋼軌樁圍護(hù)方式對(duì)橋墩進(jìn)行加固，2006年加固橋墩資料如表1所示，2006年加固后橋墩技術(shù)資料如表2所示。但在2010年和2016年暴雨后橋墩相繼沖毀，均重新進(jìn)行加固。

沖毀的原因主要是加固后增大了墩身截面，壓縮了流水?dāng)嗝嬉约昂哟矘?biāo)高下降多，這都影響了局部沖刷深度的確定，再加上施工工藝原因，不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。幾次洪水過(guò)后，設(shè)備管理單位對(duì)相關(guān)橋墩測(cè)量顯示，沖刷深度均超出設(shè)計(jì)局部沖刷線。

表1 2006年加固橋墩資料表（單位：m）

表2 2006年加固后橋墩技術(shù)資料表（單位：m）

3．2．2 橋墩局部沖刷深度的計(jì)算

影響橋墩附近局部沖刷的因素眾多，如河水深度、水流速度及流向、河床的類型、干容重、粒徑及級(jí)配、橋墩的尺寸及形狀等。但是最主要的因素是橋墩的存在，壓縮了水流從而引起單寬流量的增加，這就導(dǎo)致局部沖刷的發(fā)生?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外均無(wú)純理論的公式，基本采用理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的公式，對(duì)非黏性土河槽，在中國(guó)目前主要用65-1式、65-2式、65-1修正式及65-2修正式來(lái)計(jì)算橋墩局部沖刷，鐵路部門一般采用公式65-1修正式，公路部門一般采用公式65-2。

局部沖刷深度計(jì)算的相關(guān)研究資料表明：用公式65-2計(jì)算的結(jié)果最大，公式65-1修正式計(jì)算結(jié)果較小。如果單從工程的安全角度考慮，公式65-2的計(jì)算結(jié)果較為安全。

65-2式如下：

3．2．3 橋墩局部沖刷深度的確定

該河流為季節(jié)性河流，具有徑流形成快、流速大、河床沖刷嚴(yán)重的特點(diǎn)，其河床河岸組成物質(zhì)抗沖性較差，主河槽變遷擺動(dòng)較大。該處河床逐年下切，橋墩加固，增大了墩身尺寸，壓縮了河槽，在施工期間對(duì)墩身周邊的原土進(jìn)行了擾動(dòng)，加上施工工藝等因素，因此在考慮加固深度時(shí)應(yīng)將這些因素充分考慮進(jìn)去。結(jié)果表明，本處橋梁采取公式65-2計(jì)算局部沖刷深度更為合理。

根據(jù)工程實(shí)際情況，河床泥沙平均粒徑0.016 8 mm，系數(shù)E與汛期含砂量ρ有關(guān)，查表得0.46。河床面的平均高程基本在承臺(tái)頂面，由表1得37#墩位河床面標(biāo)高為29.53 m。因此一般沖刷深度hp為4.18 m，由的關(guān)系圖可查出Kη2=0.89，查墩形系數(shù)及橋墩計(jì)算寬度表可得Kξ=1.17，B1=5.4 m。

同理計(jì)算38#、39#橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷理論計(jì)算深度，并得到37#、38#和39#橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷理論計(jì)算如表3所示。

表3 37#、38#和39#橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷理論計(jì)算表

由表3可知，2006年第一次加固防護(hù)時(shí)37#橋墩的沖刷深度為8.46 m，局部沖刷線比鋼軌防護(hù)樁底低0.96 m，防護(hù)加固深度不夠，造成加固后被沖毀。38#橋墩的沖刷深度為8.35 m，局部沖刷線比鋼軌防護(hù)樁底低0.85 m，防護(hù)加固深度不夠，造成加固后被沖毀。39#橋墩的沖刷深度為8.26 m，局部沖刷線比鋼軌防護(hù)樁底低0.26 m，防護(hù)加固深度不夠，加固后被沖毀。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于沖刷機(jī)理復(fù)雜，影響沖刷的因素較多，很難做到精確確定橋墩的沖刷深度，對(duì)已發(fā)生水害、需加固防護(hù)的橋梁，65-2式計(jì)算結(jié)果較為安全．還要結(jié)合實(shí)際情況合理選擇防護(hù)方法和對(duì)策，如此才能夠最大限度提升防護(hù)作用，確保橋墩的穩(wěn)定性與整體性能。