冰蓋條件下橋墩局部沖刷研究進展

王 軍，蘇奕壘，侯智星，程鐵杰，隋覺義

（1. 合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.Environmental Engineering，University of Northern British Columbia，Prince George，Canada.）

1 研究背景

冰蓋或冰塞的出現(xiàn)，改變了河流的邊界條件、水流條件和河床泥沙的運動狀態(tài)，通過相同流量時，冰塞上游水位顯著增高，冰塞河段上下游形成較大的水位差，嚴重時會誘發(fā)凌洪災(zāi)害[1-3]。2006年，北美洲因冰塞導(dǎo)致的凌洪災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失高達2.6億美元[4]。黃河寧蒙河段冰凌災(zāi)害發(fā)生頻繁，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料，在1951—2010年間就有30年發(fā)生凌汛災(zāi)害，給沿岸居民造成了巨大的損失[5]。黑龍江流域局部河段幾乎年年形成卡封，每3年左右時間形成一次較大規(guī)模的冰壩[6]。這些冰情所誘發(fā)的高水位和流量的變化可能導(dǎo)致嚴重的災(zāi)害或威脅，相關(guān)學(xué)者們給予了廣泛的研究和關(guān)注[7-9]。

橋梁作為跨江、河、海的人工建筑物，往往由于自然災(zāi)害、安全設(shè)計達不到要求以及后期防護不力等原因造成破壞。根據(jù)Imhof[10]在全球范圍內(nèi)收集的大量數(shù)據(jù)顯示，在因自然災(zāi)害導(dǎo)致橋梁破壞的總體比例中約有60%是由洪水或沖刷原因造成的。Wardhana和Hadipriono[11]研究了1989年至2000年間美國的503次橋梁毀壞，其中與水流沖刷有關(guān)的事故高達243次。Kandasamy和Melville研究表明，在Bola龍卷風(fēng)期間發(fā)生破壞的10座橋梁中有6座與橋墩沖刷有關(guān)[12]。2010年，湖南省高速公路管理局對320余座橋梁進行水下檢查，檢查結(jié)果表明：大多數(shù)橋墩存在不同程度的沖刷現(xiàn)象，威脅著橋梁結(jié)構(gòu)和使用者的安全[13]。

寒冷地區(qū)橋梁的建設(shè)與冰塞演變過程緊密相關(guān)。1987年4月紐約州高速公路上的斯科哈里溪大橋倒塌，10人因事故喪生，5輛車墜入河中，事故的主要原因為橋墩基礎(chǔ)被冰蓋下水流沖刷導(dǎo)致破壞[14]。密西西比河上Melvin Price船閘閘壩基礎(chǔ)的上游有一非常大的沖刷坑，在修復(fù)以后一年內(nèi)就重新再現(xiàn)，研究人員通過模型試驗發(fā)現(xiàn)，百年一遇的洪水沖刷并不會出現(xiàn)相應(yīng)大的沖刷坑，但是冰蓋下的小流量沖刷出現(xiàn)了相應(yīng)最大的沖刷坑，從而影響了結(jié)構(gòu)包括橋梁的安全[15]。2011年4月，松花江下游富錦至綏濱段松花江公路大橋在凌汛期遭遇河道封凍的影響，致多處便橋、施工平臺受損（黑龍江日報2011年4月21日）。由冰塞引發(fā)的災(zāi)害和工程事故早已引起國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的高度關(guān)注，但有關(guān)冰期橋墩局部沖刷的問題研究還很匱乏。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，北方寒冷地區(qū)的橋梁建設(shè)也越來越多，冰期橋墩附近局部沖刷問題的研究已不容忽視。

2 明流條件下橋墩附近局部沖刷的研究

2.1 相關(guān)規(guī)范推薦公式《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C30-2015）[16]根據(jù)有關(guān)橋墩局部沖刷的實測資料，并參考國內(nèi)外的試驗數(shù)據(jù)，推薦在工程設(shè)計中采用65-1修正式和65-2式計算橋墩局部沖刷深度。

65-1修正式：

式中：hb為橋墩局部沖刷深度，m；Kε為墩型系數(shù)；B1為橋墩計算寬度，m；V為一般沖刷后墩前行近流速，為河床泥沙起動流速，m/s，其中為河床泥沙平均粒徑、hp為一般沖刷后的最大水深；為墩前泥沙始沖流速，m/s；Kη1為河床顆粒影響系數(shù)；為指數(shù)。

65-2式：

美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范（AASHTO LRFD）[17]中所采用的是HEC-18中的CSU方程計算橋墩局部沖刷深度，即

式中：hb為橋墩局部沖刷深度；h為一般沖刷后橋墩上游水深；K1、K2、K3、K4分別為墩型修正系數(shù)、水流攻角修正系數(shù)、河床條件修正系數(shù)和泥沙尺寸分布系數(shù)；b為橋墩寬度；為橋墩上游水流流動的弗勞德數(shù)，其中V1為橋墩上游水流平均速度，g為重力加速度。祝志文[18]對中美規(guī)范推薦的橋墩局部沖刷深度計算公式進行了對比分析，研究認為，中國規(guī)范的沖刷計算公式在參數(shù)確定方面存在一定不足，在計算實際橋墩局部沖刷深度時，計算結(jié)果偏小，對于大型橋梁建設(shè)更需要重視模型試驗以及現(xiàn)有資料的整合。Hong和Abid[19]認為現(xiàn)有的美國聯(lián)邦公路管理局推薦的局部沖刷深度計算方程對沖刷深度的預(yù)測過于保守，主要原因在于對試驗條件的理想化和公式推導(dǎo)的簡化。

2.2 復(fù)雜條件下橋墩局部沖刷研究齊梅蘭等[20]通過水槽試驗觀測了床面突降條件下的溯源沖刷和墩柱局部沖刷耦合發(fā)展規(guī)律及其主要影響因素，建立了溯源與局部耦合沖刷的實時計算方法，運用該方法可預(yù)測溯源與局部耦合沖刷時結(jié)構(gòu)物總沖刷深度的發(fā)展。喻鵬和祝志文[21]利用雷諾時均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對雙圓柱橋墩周圍的復(fù)雜流場進行分析，說明了雙圓柱橋墩局部沖刷的發(fā)展過程和沖刷機理。

Link[22]研究了不同水流和泥沙條件對橋墩局部沖刷的影響，并對洪水期橋墩局部沖刷和泥沙淤積進行現(xiàn)場測量及模型計算，驗證了超聲波傳感器用于橋墩局部沖刷監(jiān)測的有效性。Yang[23]對復(fù)雜橋墩清水沖刷進行了試驗研究，研究了三種不同的樁基和水流夾角對橋墩局部沖刷的影響，確定了復(fù)雜橋墩沖刷發(fā)展的四個階段，分別為起動階段、停滯階段、發(fā)展階段和平衡階段。趙嘉恒等[24]通過試驗研究結(jié)合理論分析的方法推導(dǎo)了彎道中斜交橋的局部沖刷計算結(jié)果。

明流條件下橋墩局部沖刷研究已經(jīng)獲得了許多有價值的研究成果，從單個橋墩局部最大沖刷深度計算公式的提出到橋墩局部沖刷計算公式的改進；從一般橋墩沖刷作用機理到考慮復(fù)雜組合橋墩效應(yīng)等問題研究均取得了長足的進展，近年來因跨海橋梁建設(shè)的需要，許多學(xué)者加大了對波浪、潮汐等因素作用下的橋墩沖刷研究[25-28]。

3 冰期橋墩局部沖刷問題的研究

寒冷地區(qū)橋梁的建設(shè)，改變了冰塞演變的原有條件，橋墩處形成的冰橋、冰蓋和冰塞也會對橋墩附近的局部沖刷產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致橋墩局部沖刷的結(jié)果不同于明流條件，表現(xiàn)為最大沖刷深度和沖刷范圍的改變。

王軍[29]基于水槽試驗，對浮動冰蓋下的散粒體泥沙起動流速進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，相同水流條件下，冰蓋下的河床泥沙更易起動；試驗中，通過加糙改變模擬冰蓋下表面的光滑程度，加糙后的模擬冰蓋稱為粗糙冰蓋，相對未經(jīng)加糙的冰蓋稱為光滑冰蓋，研究結(jié)果表明，粗糙冰蓋條件下泥沙相對于光滑蓋條件更容易起動，反映了冰期河床的沖刷問題是不同于明流條件的。作為冰期橋墩局部沖刷的研究基礎(chǔ)，Wang和Sui等[30-34]對冰塞與橋墩相互水力作用特性進行了試驗研究，研究得出了與無橋墩相比，在相同水力條件下，有橋墩時平衡冰塞厚度較小，平衡冰塞的水位增值也相應(yīng)較小；基于理論分析得到了橋墩作用下臨界流凌密度的計算公式和冰塞穩(wěn)定判別公式。

3.1 單個橋墩沖刷試驗研究Bacuta和Dargahi[35]基于清水沖刷試驗條件，在試驗水槽上研究對比了明流和冰蓋條件下圓柱形橋墩的局部沖刷問題，研究發(fā)現(xiàn)，冰蓋流條件下的橋墩局部沖刷深度比明流條件下有所增加，這或許是目前冰期橋墩局部沖刷問題研究可見的較早文獻。

Ackermann和Shen[36]通過水槽試驗研究了冰蓋對圓柱形橋墩局部沖刷的影響，該研究中采用了清水沖刷和動床沖刷兩種不同的沖刷模式，研究得出了冰蓋的存在可使局部沖刷深度較明流條件增加25%～35%的結(jié)論。Hains和Zabilansky[37-38]在CRREL試驗室對冰蓋下橋墩局部沖刷進行了研究，冰蓋條件分別為浮動冰蓋和固定冰蓋，也分為光滑和粗糙兩種情況，并與明流條件的試驗結(jié)果進行了對比，研究發(fā)現(xiàn)，由于冰蓋的出現(xiàn)，使近床面處水流動能增加，沖坑深度較明流條件增大約10%；當(dāng)冰蓋糙率增大后，斷面最大流速點偏向于河床表面，導(dǎo)致橋墩附近局部沖刷深度進一步加大。Munteanu[39]在明流和冰蓋兩種條件下，對圓柱形橋墩進行了清水沖刷試驗研究，研究結(jié)果表明，模擬岸邊冰蓋的存在，使沖刷深度較明流條件增加很多，最大增加幅度可達到55%。Wu和Balachan?dar[40]對冰蓋條件下圓柱形橋墩局部沖刷進行了研究，將沖刷半徑作為一個指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上建立了明流和冰蓋條件下計算橋墩沖刷深度和沖刷半徑的經(jīng)驗方程。上述研究總體得到的認識是冰蓋對橋墩局部沖刷的影響非常顯著，但因為各種各樣的條件限制，尚未考慮床面材料、墩型、墩徑、墩間距等因素對冰蓋條件下橋墩附近局部沖刷的影響，對明流和冰蓋條件下沖刷發(fā)展過程的不同也即時間尺度的影響尚未深入研究。

Tuthill等[41]對Montana州Milltown大壩拆除對冰情的變化影響進行了研究，采用HEC-RAS軟件模擬計算各工況下冰塞形成和潰決過程，模擬結(jié)果表明大壩移除后并不會加劇下游的冰塞危害，但在橋墩附近容易形成冰塞并伴隨冰塞體的釋放過程，大大增加了河床的剪切力，造成上游5個橋墩局部沖刷現(xiàn)象會更加明顯。Ettema[42]認為水流、泥沙以及邊界條件是影響冰期橋墩沖刷的主要方面，但目前大多數(shù)用于橋墩局部沖刷深度的計算公式尚未考慮封凍河道對橋墩局部沖刷的影響。以上這些結(jié)論都是基于簡單的模型計算以及現(xiàn)場有限的觀測資料所得到的，因此對問題的認識含有相應(yīng)的不確定性。

Chen等[43]采用k-ε湍流模型對冰蓋下橋墩處冰塞底部的局部沖刷過程進行了數(shù)值模擬研究，得出橋墩處冰塞底部的沖刷和床面沖刷坑呈對稱分布，并通過水槽試驗進行了驗證，兩者的結(jié)果較為吻合。目前針對冰蓋下橋墩局部沖刷的數(shù)值模擬研究文獻幾乎未見；Chen的數(shù)值模擬結(jié)果還不能完整的描述冰塞演變及床面沖坑形成的動態(tài)變化過程。

3.2 邊墩橋臺及斷面雙橋墩沖刷試驗研究Wu等[44]使用非均勻的天然沙，分析了半圓形橋臺在粗糙和光滑冰蓋條件下最大沖刷深度與水流速度之間的關(guān)系，試驗研究表明，相對于明流條件，冰蓋的存在加大了橋墩局部沖刷深度；低水深時冰蓋對橋墩局部沖刷深度的影響更為顯著；明流條件下，最大沖刷深度位于橋臺上游面約為50°角度位置，冰蓋條件下，最大沖刷深度位于橋臺上游面約60°的位置，通過回歸分析，認為半圓形橋臺周圍的最大沖刷深度可以通過以下變量來描述：

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，得到了明流、光滑冰蓋和粗糙冰蓋條件下沖刷坑最大深度計算公式：

明流條件：

光滑冰蓋條件：

粗糙冰蓋條件：

式中：dmax為沖刷坑的最大深度，m；H為水深，m；U為行近流速，m/s；D50為不均勻泥沙的中值粒徑；g為重力加速度。

后續(xù)工作中，Wu[45-47]通過水槽試驗對冰蓋條件下方形橋臺和半圓形橋臺局部沖刷問題進行了對比研究，假定明流條件下方形橋臺和半圓形橋臺的形狀系數(shù)分別為1.0和0.75，引入密度弗勞德數(shù)，分析橋臺幾何形狀和冰蓋粗糙度對橋臺最大沖刷深度的影響，研究得出：冰蓋情況下半圓形橋臺的形狀系數(shù)約為0.66～0.71，形狀系數(shù)對最大沖刷深度的影響小于明流條件；伴隨冰蓋粗糙度的增大，床面剪切力增大，最大沖刷深度也會增大。

Namaee[48-49]在試驗水槽的過流斷面上布置一對并排雙橋墩，對冰蓋下的橋墩局部沖刷進行了試驗研究。試驗研究中采用了中值粒徑分別為0.50 mm、0.47 mm、0.58 mm的非均勻沙，橋墩直徑分別為60 mm、90 mm、110 mm和170 mm，為了研究冰蓋條件下橋墩附近的局部沖刷規(guī)律，采用聲學(xué)多普勒測速儀（ADV）對并排橋墩的三維流速分布進行測量；研究發(fā)現(xiàn)，冰蓋條件下的沖刷過程顯得更為強烈，馬蹄形旋渦的強度與并排橋墩跨距及橋墩尺寸大小有關(guān)；橋墩尺寸越小，橋墩間距越大，橋墩周圍的馬蹄旋渦強度越弱，沖刷深度越淺；通過回歸分析，得到了明流和冰蓋條件下的沖刷坑最大深度計算公式如下：

加蓋條件下：

明流條件下：

式中：ymax為沖刷坑的最大深度，m；y0為行近流的水深，m；G為橋墩間距，m；D為橋墩直徑，m；ni和nb分別為模擬冰蓋和河床的粗糙系數(shù)；為弗勞德數(shù)，其中U為行近流速（m/s）；g為重力加速度。

Namaee[50-51]在試驗研究中，對比明流條件討論了冰蓋條件下沖刷坑保護層對橋墩局部沖刷深度的影響，分析了橋墩附近泥沙的起動機理，試驗觀察到明流條件下沖刷坑的幾何形狀與冰蓋條件下具有一定相似性，粗糙冰蓋條件下沖刷坑的體積和范圍要明顯大于光滑冰蓋。

冰期橋墩局部沖刷問題的研究可以認為尚在起步階段，上述近年來有關(guān)冰蓋條件下橋墩局部沖刷問題的研究，已經(jīng)涉及了通過有限的改變橋墩位置、水流條件、冰蓋糙率以及床面粒徑等對相關(guān)問題進行了探索，并通過量綱分析的方法，得到了試驗條件范圍內(nèi)用于冰蓋下橋墩局部沖刷深度的計算公式；但受試驗條件的限制，研究主要是針對圓柱形橋墩、長方形、半圓形邊墩橋臺和跨中并排圓柱形橋墩開展的；試驗中也尚未充分考慮不同橋墩墩型、墩徑、多墩組合等因素對冰蓋條件下橋墩局部沖刷的影響；更未考慮到橋墩附近冰塞演變和冰塞體厚度對局部沖刷的影響。

4 問題與討論

寒冷地區(qū)冬季河流所出現(xiàn)的冰蓋或冰塞，使得本來就復(fù)雜的橋墩局部沖刷問題變得更加復(fù)雜。如前所述，明流條件下的橋墩局部沖刷問題已經(jīng)有了相對充分的研究，但冰期橋墩局部沖刷問題研究尚在起步，已有的實際工程和研究都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，冰期較小流量導(dǎo)致的沖刷坑深度和范圍可以比明流時洪水期的沖刷坑深度和范圍更大。因此，冰期橋墩局部沖刷問題的研究已非常迫切，限于問題的復(fù)雜性，目前尚有很多方面需要研究。

（1）冰期橋墩局部沖刷涉及橋墩結(jié)構(gòu)、冰蓋特征和水流流態(tài)三個方面的相互影響，河床泥沙起動和沖刷機理包括橋墩周圍水流渦系結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，因此，冰蓋條件下橋墩周圍三維流場及其變化的機理研究、冰蓋粗糙度與泥沙運動之間的關(guān)系、橋墩沖刷坑深度和范圍的預(yù)測等，這些方面均有待于進一步探索。

（2）冰蓋條件下，有關(guān)各種水流條件、床面材料、橋墩墩型、墩徑、墩間距、多墩組合等因素對冰期橋墩局部沖刷影響的研究尚待充實；包括明流和冰蓋條件下沖刷發(fā)展過程的區(qū)別尚待深入研究。

（3）冰蓋條件下橋墩附近河床局部沖刷問題的數(shù)值模擬研究文獻幾乎未見；Chen的數(shù)值模擬研究的是橋墩附近的冰塞局部沖刷，如何完整的描述橋墩附近冰塞演變及床面沖坑形成的動態(tài)變化過程尚有待探索。

（4）迄今為止的研究都是在單一冰蓋厚度條件下的研究，圖1為作者近期的研究成果，在明流、冰蓋、冰塞三種條件下，使用直徑為2 cm的圓柱型橋墩在試驗水槽中進行了橋墩局部沖刷試驗，由圖可見，在相同的水深、流速情況下，冰塞條件下的橋墩局部沖刷深度明顯大于加蓋和明流條件下的相應(yīng)深度且要大很多，沖刷深度增加了約200%左右，試驗說明了在冰塞條件下，由于冰塞運動和冰塞厚度對過水?dāng)嗝娴倪M一步壓縮作用，冰塞條件下的橋墩局部沖刷深度比冰蓋條件要大的多。

圖1 最大沖刷坑深度隨流速變化趨勢圖

冬季，寒冷地區(qū)河流會經(jīng)歷封凍初期和開河期兩個容易成災(zāi)的冰塞或冰壩階段，水流條件、冰塞和河床沖刷演變此時變化最為劇烈，如何結(jié)合明流條件下橋墩局部沖刷研究成果和方法、耦合冰塞演變、水流運動和其他相關(guān)沖刷影響因素，研究冰期橋墩局部沖刷問題、探索橋墩附近冰塞演變與河床局部沖刷相互作用及其機理應(yīng)該是充滿挑戰(zhàn)和極其有意義的。