橋墩局部沖刷機(jī)理研究進(jìn)展綜述

產(chǎn)華東，魏松，張英杰，龍慶，焦浩然 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

作為交通運(yùn)輸線中的重要組成部分，橋梁的建設(shè)在不斷改善著人民的生活，但同時(shí)地震、洪水、設(shè)計(jì)施工和基礎(chǔ)防護(hù)不力等因素都易造成橋梁的失穩(wěn)破壞，從而帶來嚴(yán)重的損失。英國(guó)工程師D.W.Smith[1]對(duì)在 1847～1975 年間發(fā)生的143起橋梁事故原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)約50%的橋梁破壞是由洪水沖刷引起的；易仁彥[2]統(tǒng)計(jì)分析了我國(guó)21世紀(jì)以來15年間發(fā)生的179起橋梁破壞事故發(fā)生原因，發(fā)現(xiàn)有約32%是由洪水沖刷引起的。由此可以證明，洪水沖刷是導(dǎo)致橋梁破壞的主要原因之一。而多年的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)證明，局部沖刷是造成橋梁水毀的最主要因素。

因此，本文針對(duì)橋墩局部沖刷的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，主要包括有局部沖刷墩周水流結(jié)構(gòu)、沖刷坑演變過程和影響因素3個(gè)方面，并通過總結(jié)現(xiàn)有研究存在問題，闡述發(fā)展趨勢(shì)。

1 橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)研究

橋下水流受到橋墩的阻礙和壓縮作用，使得墩周水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)于墩周水流結(jié)構(gòu)的研究普遍認(rèn)為橋墩水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前下降水流、墩周馬蹄形漩渦、墩側(cè)邊界分離層和墩后尾渦4個(gè)部分。Dargahi[3]在試驗(yàn)中采用氫氣泡流動(dòng)顯示技術(shù)和熱膜測(cè)量的方法對(duì)圓柱體周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在圓柱上游的水流特征主要是三維邊界層的分離，在柱體兩側(cè)分離區(qū)域內(nèi)形成準(zhǔn)周期性脫落的馬蹄形漩渦，且渦的數(shù)量與雷諾數(shù)相關(guān)。嚴(yán)建科[4]在室內(nèi)水槽試驗(yàn)中測(cè)量了墩周各測(cè)點(diǎn)流速，試驗(yàn)結(jié)果表明橋墩擠壓水流形成繞流，邊界層分離從而在墩兩側(cè)產(chǎn)生兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱漩渦，接著渦漩拉長(zhǎng)并逐漸脫離橋墩從而被主流帶向下游。而凌建明[5]和王慶珍[6]應(yīng)用流場(chǎng)分析軟件FLUENT和VOF模型對(duì)局部沖刷時(shí)單圓柱橋墩附近流場(chǎng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明上游來流一部分遇橋墩阻礙流速減到最小，另一部分繞流在墩兩側(cè)流速達(dá)到最大后出現(xiàn)邊界層分離，之后在墩后方形成尾流漩渦，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

關(guān)于引起橋墩局部沖刷的原因，眾多研究成果表明只要為以下三種：①墩前下降水流的沖擊；②橋墩漩渦體系的作用；③橋墩對(duì)橋下水流的壓縮作用。Kwan[7]研究認(rèn)為橋墩局部沖刷是由墩前下降水流和馬蹄形漩渦共同作用導(dǎo)致的；Dargahi[3]通過試驗(yàn)研究沖刷坑的發(fā)展過程發(fā)現(xiàn)馬蹄形漩渦、墩兩側(cè)的集中加速水流和下游的尾流漩渦是引起局部沖刷的主要原因；張顯輝[8]則認(rèn)為是由于橋墩對(duì)水流的壓縮作用使得墩前下降水流和墩側(cè)水流加速區(qū)的形成，而此兩者的共同作用導(dǎo)致了馬蹄形漩渦的形成，三者之間相互作用共同影響。

2 局部沖刷坑演變過程研究

當(dāng)橋墩阻擋水流時(shí)，橋墩周圍復(fù)雜的三維水流結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致墩周產(chǎn)生局部沖刷坑，對(duì)于橋墩局部沖刷坑演變過程的研究，趙凱[9]和向琪芪[10]也將沖刷坑的演變過程分為三個(gè)階段：①起始階段，沖刷坑發(fā)展迅速，其最大深度能達(dá)到最大平衡沖深的四分之三；②發(fā)展階段，沖刷坑范圍和深度仍在不斷增大，但發(fā)展趨勢(shì)較起始階段有所減緩；③平衡階段，沖刷坑發(fā)展極其緩慢，可認(rèn)為沖刷坑幾乎不再發(fā)展，達(dá)到平衡狀態(tài)。

在國(guó)外，學(xué)者們對(duì)于局部沖刷演變的研究大多集中于沖刷深度隨時(shí)間發(fā)展的計(jì)算預(yù)測(cè)的研究。Kothyari[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了圓柱橋墩在均勻、非均勻和分層泥沙條件下局部沖刷深度隨時(shí)間變化的規(guī)律。Melville和Chiew[12]開展了室內(nèi)清水沖刷試驗(yàn)，研究了單圓柱橋墩在均勻沙河床中局部沖刷坑深度隨時(shí)間的變化情況，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了局部沖刷深度隨時(shí)間發(fā)展的預(yù)測(cè)計(jì)算公式；Oliveto和Hager[13-14]研究了清水條件下橋墩、橋臺(tái)局部沖刷深度在均勻沙和非均勻沙河床中的時(shí)間演化，建立了沖刷深度時(shí)間演變方程，并利用已有的文獻(xiàn)進(jìn)行了公式驗(yàn)證，之后又將該公式引入到丁壩的局部沖刷中。Lanca[15]開展了室內(nèi)沖刷試驗(yàn)，研究了泥沙粗度（墩寬與泥沙中值粒徑的比值）對(duì)平衡沖刷深度的影響，建立了局部沖深時(shí)間演變公式。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)于局部沖刷沖深隨時(shí)間的演變計(jì)算的研究較少，較多的是對(duì)沖刷坑演變過程的定性研究。肖洋[16]利用超聲波地形儀對(duì)清水沖刷試驗(yàn)中的墩周地形進(jìn)行測(cè)量，該方法能夠進(jìn)行水下實(shí)時(shí)非接觸動(dòng)態(tài)測(cè)量，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)墩側(cè)和墩前首先出現(xiàn)沖刷，之后墩后才逐漸發(fā)生沖刷，且墩前、墩側(cè)沖刷坑較深。齊梅蘭[17]則利用三維紊流和考慮懸移質(zhì)和推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬技術(shù)研究了圓柱橋墩清水沖刷和動(dòng)床沖刷下的沖刷坑演變過程中泥沙輸運(yùn)特征，研究發(fā)現(xiàn)懸移質(zhì)和推移質(zhì)輸沙率在沖刷初期最大，且隨著沖刷坑的發(fā)展而迅速減小。

3 局部沖刷影響因素研究

影響橋墩局部沖刷的因素眾多，目前關(guān)于影響因素的研究主要?dú)w結(jié)為三大類：水流因素、泥沙因素和橋墩因素。

3.1 水流因素

橋墩局部沖刷中的行近流速是指橋墩上游來流斷面的平均流速。當(dāng)上游行近流速小于泥沙起動(dòng)流速時(shí)，此時(shí)橋墩局部沖刷坑無上游來沙補(bǔ)給，稱之為清水沖刷；當(dāng)行近流速大于泥沙啟動(dòng)流速時(shí)，沖刷坑能夠得到來沙補(bǔ)給，此時(shí)稱之為動(dòng)床沖刷。針對(duì)行近流速對(duì)橋墩局部沖刷的影響，學(xué)者們開展了眾多的試驗(yàn)研究。“在清水沖刷條件下，局部沖刷的深度隨行近流速的增大呈直線增長(zhǎng)”的趨勢(shì)的觀點(diǎn)是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)同的，而在動(dòng)床沖刷條件下，研究者們卻持有不同的觀點(diǎn)。Dongol[18]認(rèn)為在動(dòng)床沖刷階段，由于有上游來沙的補(bǔ)給，沖深隨行近流速的增大反而減小，在減小至最小值時(shí)會(huì)會(huì)再次增大至另一個(gè)峰值；王順意[27]通過模型試驗(yàn)研究動(dòng)床條件下不同行近流速對(duì)沖刷坑深度和范圍的影響，結(jié)果表明隨著流速的增大，沖刷坑最大深度和范圍也相應(yīng)增大。

關(guān)于行近水深對(duì)橋墩局部沖刷的影響，目前研究者們?nèi)源嬖谝欢ǖ臓?zhēng)議性，還沒有統(tǒng)一的定論。王順意[19]和Raudkiv[20]的試驗(yàn)研究表明局部沖刷最大深度隨行近水深的增大而增大；Dey[21]認(rèn)為：當(dāng)行近水深較小時(shí)，局部沖刷最大深度隨行近水深的增大而顯著增大，但當(dāng)行近水深增加至某一較大值后，最大深度與行近水深無關(guān)。

3.2 泥沙因素

關(guān)于泥沙粒徑與橋墩局部沖刷的關(guān)系，目前還未有統(tǒng)一定論。Santos[22]等部分學(xué)者認(rèn)為泥沙粒徑大小對(duì)橋墩局部沖刷最大深度沒有影響，而Gill[23]等學(xué)者則認(rèn)為橋墩最大沖深與粒徑大小存在相關(guān)性。Laursen[24]研究認(rèn)為：床沙粒徑在清水沖刷下對(duì)橋墩最大平衡沖深有影響，而在動(dòng)床沖刷下對(duì)最大沖深無影響，這是由于在動(dòng)床條件下沖刷處于平衡狀態(tài)時(shí)，上游來沙補(bǔ)給量與沖刷坑內(nèi)被沖走泥沙量相等，而粒徑大小對(duì)沖刷平衡無影響。趙凱[9]采用3種不同粒徑的床沙進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明粒徑越小，泥沙越易起動(dòng)，沖刷坑深度也越大，但當(dāng)粒徑小到一定程度時(shí)，由于泥沙間的粘性開始發(fā)揮作用，使得沖刷坑深度反而較小。

3.3 橋墩因素

研究表明，橋墩因素如墩長(zhǎng)、墩寬（或直徑）是研究橋墩局部沖刷的一個(gè)重要影響因素。韓敏[25]在沖刷試驗(yàn)中改變圓柱橋墩直徑，結(jié)果表明在流量一定的情況下，直徑越大其沖刷坑范圍也就越大。在清水沖刷條件下，最大沖刷坑深度隨橋墩直徑的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，而在動(dòng)床沖刷條件下沖刷坑最大深度隨直徑的增大而增大；贠鵬[26]利用FLOW-3D軟件對(duì)不同直徑橋墩進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果亦表明在動(dòng)床條件下沖刷坑深度隨直徑的增大而增大，且隨著直徑的增大其增長(zhǎng)速率逐漸減小。

4 結(jié)語

本文全面闡述了局部沖刷墩周水流結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)作用機(jī)理，介紹了沖刷坑演變過程和沖刷深度隨時(shí)間的演化計(jì)算研究，并從水流、床沙和橋墩3個(gè)方面對(duì)橋墩局部沖刷的主要影響因素進(jìn)行了歸納總結(jié)。

目前關(guān)于局部沖刷的研究已獲得了一定發(fā)展，但由于沖刷機(jī)理的復(fù)雜性和因素的多樣性，使得現(xiàn)有研究中仍存在些許不足，并結(jié)合問題提出以下幾點(diǎn)建議：

①橋墩的阻水作用引起墩周水流的急劇變化，從而造成局部沖刷坑的形成，對(duì)于在不同水流條件下的墩周流場(chǎng)作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究；

②目前對(duì)于單墩局部沖刷的研究較為成熟，而在實(shí)際工程中多是雙排墩、三排墩、群樁或是其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)物，因此對(duì)于不同類型結(jié)構(gòu)物局部沖刷的研究也是今后的研究重點(diǎn)；

③隨著橋梁的建設(shè)在逐步向山區(qū)、海洋發(fā)展，因而今后遇到的潮汐、波浪和泥石流等因素對(duì)局部沖刷的作用也是未來的研究發(fā)展趨勢(shì)。