水流對橋墩局部沖刷的影響

秦美榮

摘 要：本文通過實驗室模擬對未加保護措施前及加保護措施后的圓形橋墩沖刷試驗的沖刷坑形態(tài)作對比觀測來研究橋墩保護措施的實際作用;同時利用圓形橋墩沖刷試驗與棗核形橋墩沖刷狀況作平行對比，以研究橋墩形狀對沖刷坑形態(tài)的影響，從而探索優(yōu)化的橋墩形狀設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：橋墩沖刷;圓柱形橋墩;沖刷坑;保護措施;棗核形橋墩;形狀優(yōu)化

0 引言

橋梁作為架設(shè)在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行的構(gòu)筑物，具有其悠久的歷史，隨著工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，新科技、新材料的研制，世界橋梁經(jīng)歷了大跨懸索橋、斜拉橋結(jié)構(gòu)、跨海橋等階段，但是并沒有減少橋梁災害的形成。橋墩沖刷引起的水體沖毀是形成橋梁災害最主要的原因之一，橋墩作為橋梁的重要承載體，承受著上部結(jié)構(gòu)的荷重，流水壓力、風力和可能出現(xiàn)的冰荷載、船只等漂浮物的撞擊力，墩上的流水壓力大小和墩前河床局部沖刷的深度受橋墩的寬度、型式和墩身的形狀等直接影響。因此，橋墩形狀的選擇，不僅與橋址處的水文、地質(zhì)和地形等因素有關(guān)，而且還與其自身形狀和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，橋梁水毀是超載毀壞的6倍，是地震毀壞的20倍[1]。國內(nèi)外學者對橋墩局部沖刷開展了大量的理論和試驗工作。目前研究的主要方式包括理論研究、試驗研究及原型觀測。理論研究方面[2，3]主要通過影響因素分析及因次分析建立橋墩局部沖刷公式，再通過現(xiàn)場實測資料和模型試驗資料的分析確定相關(guān)參數(shù)。

本文擬對實際情況下組合橋墩沖刷過程進行室內(nèi)模型實驗，通過圓柱形橋墩和細長棗核狀橋墩兩種不同形狀橋的墩作對比實驗，在模擬條件下對其沖刷機理、沖刷過程進行研究，并了解其沖刷后果，從而有助于尋找保護橋墩的措施，進一步可以提高橋梁的安全穩(wěn)定性。

1 試驗準備與方法

1.1 試驗材料準備

在水槽上取一段長度，在兩端放置實用堰（用于防止沖刷開始時的瞬時沖擊）并在實用堰內(nèi)放滿水，用橡皮泥堵住上面的小孔（防止沖刷時由于水的浮力使堰浮起）固定于水槽內(nèi)，邊縫采用橡皮泥粘緊。將制作好的橋墩放入選取段的中間并用螺絲將其與水槽固定，然后均勻地鋪上實驗室提供的沙子并整平（整平時再將沙潤濕，用寬頂堰制作的刮平裝置刮平）。

1.2 試驗裝置

本次實驗裝置是明渠均勻水槽，水槽寬100 mm，橋墩直徑18 mm。為了減小型的沖擊坑，對實驗結(jié)果造成影響，故在測針針尖再安裝一個注射器針頭。這樣使得測量過程對沙面的形成的影響降到最低，試驗中通過移動水位測針使得水位測針的邊和水槽邊上的刻度對齊來測量橋墩附近區(qū)域不同點的高程。

1.3 試驗方法

為了探求對不同形狀橋墩的局部沖刷效果影響，本文研究了圓柱形橋墩和細長棗核狀橋墩兩種不同形狀橋下的沖刷試驗與加保護措施后橋墩沖刷狀況的對比實驗，兩種形狀橋墩沖刷試驗基本步驟相同。具體試驗步驟如下：

（1）測量并記錄水槽和三角堰流初始液面高程，然后調(diào)整尾部閥門并用橡皮泥堵住邊縫，打開進水閥放水水面略低于沙面高度，關(guān)閉進水閥門，從河床尾部緩慢加水，等水深達到一定高度，即8 cm左右。緩慢開啟進水閥門，逐漸加大流速直到沙啟動，測量并記錄水面高程。

（2）將沖刷時間設(shè)定為兩小時，用流速儀測某一截面水槽前、中、后截面的平均流速。沖刷時間到達后，減少流速保持沙的沖刷形狀，用自制儀器測量沖刷坑的一系列點的高程并記錄。

（3）對比觀察加保護措施和未加保護裝置的橋墩沖刷坑形狀。

通過試驗觀測記錄，我們得到的實驗原始數(shù)據(jù)記錄：圓柱形橋墩沖刷時流速記錄表、圓柱形橋墩沖刷各測點高程數(shù)據(jù)表、圓柱形橋墩沖刷時流速記錄表、棗核形橋墩沖刷各測點高程數(shù)據(jù)表。

2 試驗結(jié)果與分析

為了試驗結(jié)果更接近真實情況，在橋墩附近被沖刷的區(qū)段取出近300個測點，通過測量各點高程然后經(jīng)過計算機處理數(shù)據(jù)來獲得橋墩沖刷的坑的形狀實驗數(shù)據(jù)處理和三維地圖繪制：采用MATLAB軟件初步繪制曲面圖。

2.1 圓柱形橋墩的實驗結(jié)果處理

圖1為圓柱形橋墩沖刷原始三維圖，未沖刷前沙面高程23.70 cm，通過觀察發(fā)現(xiàn)，測定了27×11=297個點，但是未能精確的畫出沖刷坑的形態(tài)，所以通過左右對稱取均值，進行函數(shù)插值、擬合，得到結(jié)果如圖1和圖2。

2.2 棗核形橋墩的實驗結(jié)果處理

圖3為棗核形橋墩沖刷原始三維圖，未沖刷前沙面高程22.98 cm，通過左右對稱取均值，進行函數(shù)插值、擬合，得到結(jié)果如圖4。

實驗結(jié)果分析：

我們利用長直水槽模擬橋墩局部過流斷面范圍內(nèi)的河流研究在大的江河中由于洪水的沖刷對橋墩附近的河床地形的影響。我們采用比例尺為的模型，水槽的寬度為10 cm由相似原理可知這個實驗裝置是模擬寬度為15 m的河流水域。

（1）誤差分析。模型砂啟動流速試驗理論計算值為12.0 cm/s.而有流速儀測得的流速為9.3 cm/s，誤差為22.5%，理論計算值與實驗值差別較大，產(chǎn)生誤差的原因有二點：

1）理論計算時塑料沙的密度采用的是，而實際塑料沙的密度是1.25到1.29之間，由于沙本身密度不同測量時密度輕的沙在較小的流速下可以啟動。

2）理論計算時沙的粒徑采用的是一均值，實際沙的粒徑分布位于0.6到1.2 mm之間。

（2）橋墩形狀對沖刷坑的影響分析。不同的橋墩形狀使得沖刷坑形狀不同。我們通過測量不同的橋墩沖刷坑的比較，發(fā)現(xiàn)圓形橋墩的沖刷坑最大沖刷深度為1.01 cm而棗核形的橋墩最大沖刷深度為0.88 cm。

兩種橋墩對河床的影響范圍相差不大，在后方都形成一中間深兩邊高的沖刷地形。這說明棗核形的橋墩對河床的影響較小，這樣的橋墩形狀有利于保護橋墩的基礎(chǔ)，這是由于當水流行進至橋墩時，圓形橋墩對水流的阻礙作用更大，而棗核形橋墩由于前方迎水面寬度較細小，對水流流速的影響較小不會形成較大的漩渦對泥沙產(chǎn)生較大的攪動，中部流線型的形狀有利于水流的繞流，但是由于中部寬度大使得過流面積減少，流速增大使得靠近橋墩的河床底部的泥沙被沖走，形成沖刷坑。

3 結(jié)果討論

橋梁的沖刷防護是做好防洪工作保證鐵路暢通的重要任務。由于洪水的多變性，防護辦法目前尚難于做到盡善盡美。通過查看文獻，結(jié)合我們對于實驗沖刷坑的觀察與分析，我們提出如下建議：

（1）整孔防護。即在全橋下對河床進行全斷面防護。根據(jù)橋下洪水流速，可以采用混凝土護底、漿砌片石護底、鋼筋混凝土塊排護底、鐵絲石籠護底及干砌片石護底等。整孔防護的設(shè)計原則：護底盡可能減少對河道過水斷面的壓縮;并按等強度原則考慮全橋抗沖擊強度。

（2）局部防護。多指橋墩周圍完成一般沖刷后，對橋墩局部沖刷進行的防護。為此，局部防護應設(shè)在一般沖刷線以下，防護方法主要有平面防護和立體防護，平面防護就是在橋墩四周一定范圍內(nèi)，設(shè)置人工護底。根據(jù)設(shè)計計算可以采用混凝土或漿砌片石等如上述的辦法進行防護，立體防護多指在墩周設(shè)鉆孔樁承臺或樁圍堰內(nèi)填片石。還有在墩周打鋼筋混凝土板樁或鉆孔樁圍幕，對其內(nèi)壓注水泥漿，也可用其他化學漿液加固四周土壤。盡管人們在實踐中創(chuàng)造了不少橋墩防護方法，但是由于橋梁水文學的發(fā)展，尚達不到準確計算無誤的水平，加之洪水復雜多變及難于計算的破壞力，致使目前橋墩防護只能按一定的安全度進行，從某種意義看橋墩防護還處在防不勝防的階段。所以洪水災害仍時有發(fā)生。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，危害鐵路橋梁的洪水災害，總會被人們制服的。

參考文獻：

[1]鄭小穎，王潔光，戚林玲，等.基于量綱分析的寧波象山港大橋橋墩局部沖刷規(guī)律研究[J].水利水電技術(shù)，2020，

51（8）：111-118.

[2]朱炳祥.國外橋墩局部沖刷計算研究的主要成果與進展[J].國外公路，1985（5）：49-57.

[3]韓海騫，熊紹隆，孫志林.潮流作用下橋墩局部沖刷深度計算公式的建立與驗證[J].泥沙研究，2016（1）：9-13.