橋墩基礎局部沖刷防護措施研究綜述

吳永剛，魏松，段海澎,2

（1.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009，2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽合肥230088）

1 引言

橋墩局部沖刷是造成橋梁水毀的重要原因，所以如何對橋墩局部沖刷進行安全防護一直是研究的一個重點。按防護原理的不同可以將現(xiàn)有的局部沖刷防護措施分為主動防護和被動防護兩大類，其中被動防護是指通過鋪設一些實體材料增強墩周沙床的抗沖能力以抵御來流對墩周沙床的沖擊，從而避免墩周沙床被下降水流及紊流掏蝕產(chǎn)生沖刷；主動防護是通過改變墩周水流結構，降低水流流速及墩周紊流流場強度，減弱水流對墩周床面的沖刷效應來減小橋墩最大沖刷深度。

無論哪種防護措施都不可能完全防止局部沖刷的出現(xiàn)，也均有其適用條件及優(yōu)缺點，本文將對這兩種防護措施分別論述。

2 被動防護措施

2.1 拋石防護

拋石防護是在大、中型橋梁橋墩局部沖刷防護中使用最多的一種防護措施，使用拋石防護可以顯著提高河床抗沖刷能力，其工作原理是拋石起到了物理屏障的作用，比河床沉積物顆粒質量大的拋石材料提高了拋石區(qū)河床抵抗剪應力的能力。同時，拋石材料也會增大局部河床的糙率，在一定層度上減小河床附近的流速。拋石的穩(wěn)定性主要取決于拋石的尺寸和鋪設厚度，Richardson等[1]推薦的拋石材料的中值粒徑：

式中：d50為拋石粒徑，單位：m；U0為行進流速，單位：m/s；ρ為泥沙密度，單位：kg m3；g為重力加速度；K 為墩型系數(shù)。

拋石層的鋪設厚度一樣對拋石的穩(wěn)定性至關重要，Lim[2]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著拋石層鋪設厚度的增加，整個拋石區(qū)域的整體性就好，拋石層抵御水流沖擊的能力就越強。Chiew 等[3]也通過試驗證明隨著拋石層厚度的增加，拋石層可以抵抗更高流速的水流沖刷，拋石層的抗破壞力隨著厚度增加線性增加。但在實際應用中，拋石層的厚度不可能是無限加厚的，Bonausoundas[4]認為在設計拋石層的厚度時應將拋石的粒徑考慮進去，并且拋石層的厚度應至少為拋石粒徑的3倍。Lim[2]的試驗研究成果表明，拋石層的鋪設厚度與行進水流流速有關，當墩前行進流速為大約2.5 倍的臨界摩阻流速時，拋石層的鋪設厚度對其防護效果影響不大。

拋石區(qū)的大小也會影響拋石防護的防護效果，一般認為拋石防護的范圍不應小于沒有防護條件下沖刷坑的范圍。Richardson 等[1]認為拋石層的尺寸應至少為橋墩墩徑的3 倍，而且拋石區(qū)的范圍越大，其防護效果越好。拋石雖然具有適用范圍廣，取材和施工都較為簡便的優(yōu)點，但是由于拋石的整體穩(wěn)定性較差，在遭遇洪峰時，水流量突然增大，拋石容易被沖移，且當河床形態(tài)發(fā)生較大變形時，拋石也容易失穩(wěn)，失去保護效果。

2.2 擴大基礎防護

擴大基礎防護就是指在橋墩設計時，將橋墩基礎頂面擴大，在行進水流遇到橋墩產(chǎn)生沖刷時，墩前下降水流和墩周紊流僅能對擴大的基礎頂面產(chǎn)生沖刷，從而達到減小沖刷的目的。Parola[5]通過試驗證明擴大基礎防護在抑制墩周旋渦發(fā)展，減小因馬蹄形旋渦產(chǎn)生沖刷方面有較好的效果，可以有效地減小橋墩最大沖刷深度。影響擴大基礎防護效果的主要因素為基礎頂面標高和擴大基礎頂面尺寸。當擴大基礎頂面位于河床之上時，由于基礎對水流的阻礙作用，反而會導致沖刷坑深度增加。當擴大基礎頂面位于橋墩無防護時最大沖刷深度以下時，其防護效果完全消失。只有當其頂面位于最大沖坑深度與床面之間時，其頂面才能起到減小局部沖刷的作用。特別是基礎頂面與沙床在同一高度時，其防護效果最好。大量的研究證明，當基礎頂面高度和沙床一致且擴大基礎上端向上游擴大至少2 倍墩徑時，防護效果十分顯著。但Breusers 等[6]認為這種布置方式在河床高度容易變化的情況下并不適用，當遇到洪水時，由于河道流量增大，沙床高度可能會降低，那么高于沙床面的擴大基礎反而會導致沖刷坑深度變大。

2.3 石籠防護

石籠防護是指由金屬絲網(wǎng)或其他材料制成一個容器，在里面裝上有棱角的巖石或大鵝卵石，再鋪設在橋墩周圍，起到減小下降水流對床沙的淘沖力，抑制橋墩局部沖刷的作用。由于石料被金屬絲網(wǎng)等材料包裹，其整體性要強于拋石防護，也不容易被沖散。Craswell等[7]通過試驗研究證明石籠的填充物、厚度、布設范圍等因素對石籠防護的防護效果都有很大影響。石籠的填充材料最好是良好的石料，在使用塑料或織物等可回收物作為填充料時，由于其自重不夠，需要做額外的加固措施，并且其防護效果也不是很好。石籠的厚度不應小于填料粒徑的2 倍，但也不能過大，因為過大的厚度反而會引起額外的沖刷。其布設范圍宜大于墩周各個方向2 倍墩徑的距離。另外石籠在水中長時間放置時，其包裹材料很有可能磨損破裂，特別是金屬石籠，容易發(fā)生銹蝕斷裂，另外石籠失效后填料可能會被沖往下游，所以在某些特殊河道，石籠防護并不適用。

2.4 四面體透水框架群防護

四面透水體框架群防護就是利用四面體框架群來對水流起到分割削弱的作用，同時可以限制馬蹄形漩渦的發(fā)展、改變來流的結構、減小水流對河床的沖擊，從而達到減小橋墩最大沖刷深度的目的。該方法不但可以通過改變水流結構來減小沖刷，也可以起到增強河床抗沖能力的作用，兼具了主動防護與被動防護的優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。李若華等[8]通過對水流通過框架群時阻力的變化規(guī)律進行研究，確定了透水框架群阻力系數(shù)與曼寧系數(shù)的換算關系，并且建立了有關糙率計算的經(jīng)驗公式。周根娣等[9]通過對四面體透水框架與實心四面六邊體尾部流場的測量，對比研究了兩者的水流結構和防護機理。丁兵等[10]通過破壞性試驗和沖淤水槽試驗對四面六邊透水框架防護措施的穩(wěn)定性進行了研究。

3 主動防護措施

3.1 護圈防護

護圈防護就是在橋墩上安裝護圈，從而利用護圈來阻擋墩前下降水流對墩周沙床的沖擊，并且可以通過抑制馬蹄形旋渦的形成，達到保護橋墩的目的。很多研究表明，護圈的幾何形狀、布設高度、大小都對護圈防護的防護效果有較大的影響。Afshin[11]通過試驗研究證明在相同尺寸條件下，矩形護圈與圓形護圈相比，在控制和減弱馬蹄形旋渦，降低沖刷深度方面表現(xiàn)得更好。因為相同“直徑”的矩形護圈表面積更大，可以提供更好的覆蓋和保護。并且指出當護圈外徑為3 倍到3.5 倍墩徑時，其尺寸為減少沖刷的最佳和最經(jīng)濟的尺寸。Shunyi等[12]研究發(fā)現(xiàn)外徑為橋墩直徑三倍的護圈，可使橋墩的沖刷深度減少一半以上，護圈的安裝高度應在河床一般沖刷高程以下。Amir[13]認為，將護圈設置在河床水平面以下并沒有顯著提高護圈的防護效率，因為護圈以上部分的泥沙會被很快沖走，形成沖刷坑的一部分，并且向下游延伸，增加了橋墩下游的沖刷坑深度。Zarrati 等[14]通過試驗證明護圈防護的防護范圍至少應覆蓋沖刷坑范圍，當護圈迎水方向形成沖刷坑使護圈暴露在水中，其防護效果會大大降低，并提出當護圈與拋石進行組合防護時，其防護效果會有顯著提升。

3.2 橋墩開縫防護

橋墩開縫防護是一種比較新穎的防護方法，它是通過在橋墩墩體的迎水方向開縫，從而使一部分水流直接通過縫隙流向下游。橋墩開縫可以有效地減小下降水流，并且使強勁的行進水流分成了較弱的兩股，起到了防護橋墩的作用[15-16]，而且由于墩前水深變小，馬蹄形旋渦的強度也會相應的降低。國內(nèi)外有很多學者對開縫防護進行了研究，Kumar 等[17]認為開縫的尺寸、位置和與水流方向的夾角是影響其防護效果的主要因素。當開縫上端在水流表面處，下端開到?jīng)_刷坑底部且寬度為墩徑的0.25倍時，其防護效果是最好的。開縫的方向應與水流方向平行，當開縫方向與水流方向夾角達到45°時，其防護效果消失。Mahan等[18]通過試驗證明在開縫面積一定時，增加開縫的寬度往往比增加開縫的高度效果更好，另外開縫開槽高度在水流表面附近時其防護效果是優(yōu)于將開縫設置在河床附近的。Mahan等[18]也指出，橋墩開縫必須結合不同的實地條件合理的布設開縫尺寸和高度。但是在實際應用中，河流沖積物很容易堵塞開縫，影響防護效果。而且當水流方向發(fā)生改變時，開縫防護也容易失效。另外在橋墩上開縫在保證橋墩結構安全方面，也是一個挑戰(zhàn)。

3.3 墩前犧牲樁

墩前犧牲樁是為了保護橋墩而放置在橋墩前面的樁群。犧牲樁在墩前可能會產(chǎn)生嚴重的沖刷，但是其可以通過偏轉墩前高速水流并在樁后形成尾流區(qū)來有效降低橋墩周圍紊動區(qū)的能量，從而起到削減橋墩最大沖坑深度的作用。Melville 等[19]認為影響犧牲樁的防護效果的因素有犧牲樁的數(shù)量、犧牲樁相對于橋墩的尺寸、犧牲樁的高度、犧牲樁相對于彼此和橋墩的幾何布置等。另外還指出，當群樁按頂角為30°的等腰三角形布置時其防護效果最好，并建議犧牲樁之間的間距為0.67 倍的橋墩墩徑。房世龍[20]在前人研究的基礎上進一步研究了犧牲樁單樁布設的相對間距對防護效果的影響，試驗證明單樁布設間距越小，整個樁群的整體性就越強，其對水流的影響就越大，其防護效果自然也就更好。墩前犧牲樁雖然防護效果不錯，但是其在工程實際應用方面并不太好，首先當水流方向發(fā)生改變時，犧牲樁的防護效果會隨之減弱，另外當河床發(fā)生較大改變時，其防護效果也會受到影響。而且在流速較大的河流中，犧牲樁也容易受到河流裹挾的石塊等物體撞擊發(fā)生斷裂，導致防護失效。

3.4 環(huán)翼式防沖板防護

環(huán)翼式防沖板防護是將翼狀平行于河床的擋板安裝在橋墩上，通過防沖板來改變墩周水流的大小和方向，擋板可以有效地阻擋墩前下降水流對墩周沙床的沖擊，減小橋墩最大沖刷深度，環(huán)翼式防沖板還可以抑制馬蹄形旋渦的發(fā)展，減小馬蹄形旋渦產(chǎn)生的床面切應力[21]。成蘭艷等[22]和陳艷梅等[23]通過室內(nèi)水槽試驗研究發(fā)現(xiàn)，防沖板安裝位置距離河床越遠，其防護效果越差，當防沖板安裝在1/3 水深時，其防護效果達到最佳。防沖板大小也會直接影響其防護效果，當防沖板大小為1 倍橋墩直徑時，防沖板能最大限度的減小沖刷坑深度，并通過對墩周流場的測量分析，對擋板的作用機理也進行了研究。

4 結語

本文全面系統(tǒng)地綜述了主動防護和被動防護兩種橋墩基礎局部沖刷防護措施，并就其防護特點及優(yōu)缺點進行了討論，在實際使用中，被動防護雖然使用起來較為簡單，但其在水中易受水流沖蝕破壞，后期維護費用較高，主動措施雖然一次投入較多，但其通過改變水流結構減小沖刷作用，后期維護成本較低，但當水流條件或河床條件發(fā)生變化時，防護容易失效，所以應對現(xiàn)有橋墩沖刷防護措施的防護特點及適用條件進行深入研究，掌握各種防護措施的防護規(guī)律，在實際使用中采取幾種防護措施組合防護，各取所長，以求達到最優(yōu)的防護效果。