橋墩局部沖刷防護措施研究進展綜述

熊林凡，魏松 （合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

橋墩的局部沖刷是橋墩水毀的重要原因之一，基于對橋墩局部沖刷機理的豐富研究成果，前人研究和開發(fā)出多種形式的沖刷防護措施，以減小橋墩基礎周圍局部沖刷深度，并在實驗室條件下和現實應用中取得良好的防沖效果。

根據防護原理，橋墩沖刷防護措施可分為實體抗沖防護和減速不沖防護。實體抗沖防護通過添加河床或橋墩保護層，提高河床材料和橋墩自身的抗沖刷性能。減速不沖防護通過主動改變或削弱墩周水流結構，減小水流沖刷的原動力，即削弱或破壞橋墩墩前下潛水流，馬蹄形漩渦和墩后尾流漩渦，從而達到保護橋墩的目的。本文將按這兩種類型進行論述。

2 實體抗沖防護

①拋石防護。拋石防護是實際工程中最常用的橋墩基礎防護形式之一。其主要優(yōu)點是材料加工容易，施工工藝簡單，操作靈活。橋墩周圍的拋石可以增加啟動泥沙所需的剪切力，同時，石塊的粗糙表面會在一定程度上增加了河床的糙率，使得河床附近的流速降低。Richardson等建議拋石防護范圍至少應為2倍的橋墩寬度，提出的一種拋石粒徑確定公式為美國高速公路管理局所采納。Khademghaeiny等進行室內試驗，對比了不同形狀拋石的防沖效率，發(fā)現當拋石尺寸接近穩(wěn)定尺寸時，圓形和棱角形石頭的防護效率相同。但當拋石尺寸減小，圓形拋石的沖刷深度比棱角形高17%。拋石容易在大流速情況下發(fā)生位置移動，從而失去對橋墩的防護作用，所以運行中的維護工作較多，費用較高。當石料缺乏或石材尺寸不滿足施工要求時，存在一些替代拋石的防護方法，如混凝土單元體防護?；炷羻卧w是形式多樣的預制混凝土塊，人為制造，大小和形狀統(tǒng)一，機理與拋石防護相同，但是其效果和穩(wěn)定性均比拋石更加優(yōu)良。只是造價較高，施工較拋石稍顯復雜。

②石籠防護。將石頭裝于容器中，作為一個整體而起到防護作用。Yoon在清水條件下對鋼絲石籠的破壞機理和防沖效果影響參數進行了試驗研究。發(fā)現水深，石籠的覆蓋范圍，長厚比和放置深度都影響著鋼絲石籠的防護效果。Craswell等對包含不同填充物（石頭，衣物和塑料）石籠的防護效果進行對比試驗，結果表明，填石石籠的防沖效果最佳，但衣物填充石籠同樣具有良好的防護效果。利用回收衣物作為填充材料，可以帶來較好的經濟和環(huán)境效益，具有較高的應用價值。相比于拋石防護，石籠防護不易沖散，更加穩(wěn)定，使用時間更持久，但是仍存在隨著時間推移或河床發(fā)生演變而導致石籠斷裂失去效果的問題。

③四面體透水框架群防護。利用四面體框架群來削弱水流的能量，從而達到減少沖擊的效果，同時改變來流的結構，減少漩渦，穩(wěn)定河床，以達到保護的目的。該方法兼具實體抗沖和減速不沖防護效果，并且不受行進水流切入角和泥沙流動性的影響，具有良好的發(fā)展前景。唐洪武等在清水沖刷條件下進行了四面體透水框防護橋墩沖刷試驗研究，并測量了墩周流場和湍流強度。結果表明，四面體透水框架群防護使河床附近流速、湍流強度和渦度值顯著降低，并且避免了墩前下降水流直接沖擊河床。隨著拋投密度的增加到某一數值，沖刷深度線性減小趨向穩(wěn)定，最終使沖刷深度減小近50%。

3 減速不沖防護

①墩前犧牲樁。在橋墩上游規(guī)則布置多個小直徑樁，通過樁群自身的減速削能作用促使來水的流速減小，動力減低，沖刷方向被干擾。水流經過犧牲樁時會在樁后形成尾流，尾流也會影響橋墩周圍的水流結構，遏制水流對橋墩的局部沖刷作用。Melville等對橋墩前犧牲樁的保護效果進行了模型試驗。研究表明，影響墩前群樁防護效果的因素包括樁數、單樁直徑、單樁超出水面的長度、群樁布置距離以及墩前群樁的幾何布置形式。當布置成頂角為30°的等腰三角形時，墩前樁的防護效果顯著。Park等進一步研究了犧牲樁處堆積物的影響，發(fā)現堆積物的增加會降低犧牲樁的防沖效果。Wang等采用試驗研究和數值模擬相結合的方法，研究了犧牲樁對群墩局部沖刷的影響，試驗結果表明，無論是單樁還是群樁，犧牲樁都能有效地減小局部沖刷，而群樁的防護效果優(yōu)于單樁。犧牲樁還能減小群墩之間的屏蔽效應和射流效應以及群墩的沖刷平衡時間。墩前犧牲樁具有良好的防沖效果，但是當水流方向與群樁頂角方向發(fā)生偏移時，犧牲樁防護作用將受到嚴重削弱，甚至消失。因此，墩前犧牲樁的實際運用受到很大的限制。

②護圈防護。在橋墩一定高度布置各種形式的護圈，包括圓環(huán)形，環(huán)翼式，四方形等，護圈的存在導致墩前下潛水流的運動受到阻擋，削弱下潛水流對河床的沖擊作用，進一步影響馬蹄形漩渦的形成和削弱渦系能量，從而減小水流對橋墩的局部沖刷，起到保護橋墩的作用。Zarrati等測試了矩形橋墩上的護圈減少沖刷的效率，實驗包括橋墩與水流偏角為 0°，5°和 10°的來流情況。研究發(fā)現，護圈靠近河床的防護效果較好，而護圈性能隨著橋墩偏度的增加而降低。Moncada等進行了同心和偏心護圈的對比研究，發(fā)現偏心護圈的防護效果略強于同心護圈，當在墩底放置2倍墩徑的偏心護圈配合距河床高度9cm的同心護圈，防沖效率高達93.75%。Pandey等通過試驗研究了護圈對橋墩局部沖刷效率的影響，發(fā)現護圈減小了沖刷深度隨時間變化的幅度和平衡沖刷深度，并得出結論，當護圈直徑與墩徑之比等于2.3，且護圈處于河床面時，防沖效率最高。但是在動床條件下，護圈下方的橋墩會暴露，從而削弱護圈的防護效果。

③橋墩開縫防護。在橋墩局部開縫可使原本受橋墩阻擋向下運動的部分行進水流直接從縫中快速通過，直接減少下潛水流的強度。并且由于橋墩的下潛水流與水平射流垂直，水平射流使下潛水流偏離河床，減少了水流的沖刷潛力，弱化了之后形成的漩渦，并使原本正面直接沖擊橋墩的強勁水流分為兩股較弱的水流，起到了防護橋墩的作用。Chiew研究了清水沖刷條件下開縫對橋墩沖刷的影響，通過在水面或河床附近布置一個寬度為1/4墩徑的開孔，就有可能使清水沖刷削弱20%。在水面附近布置半墩徑寬的開孔，可以減少清水沖刷深度達30%之多。Kumer等改變開縫的長度和開縫與來流的角度，通過室內水槽試驗研究開縫橋墩的局部沖刷規(guī)律，結果表明，隨著開縫長度的增大，沖刷深度會逐漸降低。并發(fā)現當開縫與來流的夾角為45°時，開縫所起到的防護效果幾乎消失。Hajikandi和Golnabi研究橋墩上不同開孔形狀（直孔，Y形孔和T形孔）對局部沖刷的影響效果，發(fā)現三種開孔結構均能減小沖刷深度，而直孔的防沖效率最高，達38%。開孔對河床的嵌入深度也會減小所有類型開孔橋墩的沖刷深度。雖然在橋墩開槽可以減少局部沖刷，但也會降低橋墩的結構強度，影響橋墩傳遞橋梁荷載到橋基，可能會導致橋梁倒塌。為防止這種情況，橋梁可能需要更加牢固的基礎來彌補強度的損失，卻增加了施工成本。河流中的雜物也會堵塞開孔，導致開孔防護效果降低甚至消失。因此，橋墩開縫防護在實際運用中可能受到較大的限制。

④護殼防護。局部沖刷防護很少考慮到被淹沒建筑物的表面特征，當建筑結構被制成某種形式時，通常對其表面進行光滑處理，并在其他情況下保持建筑材料的天然粗糙性不變。護殼防護是指在橋墩迎水面人為設置定向褶皺，定向褶皺的存在導致墩前水流產生一系列傾斜的漩渦，這些漩渦在到達墩周底部之前又被后續(xù)的水流沖走，從而導致下潛水流動量的衰減，削弱了其對河床的沖刷。除人工褶皺之外，在外表面其余部分設置無方向粗糙面，使護套具有“高爾夫球”的效果，即將層流邊界層轉化為湍流，將流動分離線移至光滑墩對應位置下游，致使尾流漩渦的強度降低。

⑤石板防護。在橋墩附近一定距離布置一塊石板，石板可以削弱來流能量，改變墩周水流結構或影響水流結構形成，從而達到防護的目的。Grimaldi等通過試驗驗證將石板改放置于橋墩下游也具有防護效果，結果表明，在橋墩下游設置石板，橋墩與石板的距離越小，該措施的有效性就越大，在最佳配置下，墩前沖刷深度減小約26%，沖刷面積和體積減少量大于80%。Aysar等通過室內試驗測試了下游石板與橋墩的距離L/D分別為0到4時的沖刷深度，結果發(fā)現L/D為0～1時，沖刷深度減小明顯，最高達30%。當L/D超過4時，沖刷深度基本無變化。Shivakumar等在圓形橋墩上游垂直對稱面加裝分流板進行沖刷實驗，并用ADV測出墩周流場，得出當分流板厚度為1/5D，長度為2D時（D為墩徑），防沖效果最佳，最大沖深可減小42.4%。附在橋墩上的分流板可使水流偏轉，從而削弱降流和馬蹄渦的強度。0石板防護在清水和動床沖刷條件下均取得了較好的防護效果。但是，水流方向與石板設定好的角度發(fā)生偏移時，石板的防護效果將受到削弱。

4 結語

本文系統(tǒng)論述了實體抗沖和減速不沖兩大類防護措施的防護效果及其優(yōu)缺點。實體抗沖防護施工簡單，造價較低，但是只能被動提高河床的抗沖能力，需要經常進行維護。減速不沖防護從引起局部沖刷的機理出發(fā)，通過削弱或改變水流結構，減小沖刷作用，但存在一些適用條件的限制。將兩種或多種防護措施相結合，通過合理的搭配，消弭缺陷，使防沖效果最優(yōu)化，具有良好的發(fā)展?jié)摿椭匾默F實意義。