考慮橋墩尺寸與墩型因素的橋梁基礎(chǔ)局部沖刷研究綜述

方睿智，魏松，段海澎,2

（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.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

橋梁失效的一個(gè)常見原因是橋墩和橋臺(tái)等橋梁基礎(chǔ)構(gòu)件周圍產(chǎn)生局部沖刷，局部沖刷是由于橋墩暴露于水流之中，致使河道過水?dāng)嗝鏈p小，流速加大，同時(shí)引起墩周水流結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，從而導(dǎo)致墩周泥沙輸移能力的增加，并最終破壞了橋梁基礎(chǔ)周圍土壤，降低了橋梁的整體穩(wěn)定性和抗傾覆能力。

橋梁基礎(chǔ)局部沖刷亦是水利工程中最重要的問題之一。準(zhǔn)確預(yù)估橋墩最大沖刷深度是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一部分，橋墩局部沖刷深度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不僅可以真實(shí)反映橋墩周圍水流的潛在破壞程度，而且對(duì)橋墩尺寸和墩型等主要參數(shù)的確定起到?jīng)Q定性作用。根據(jù)工程實(shí)際情況合理采用橋墩形式，可以有效降低局部沖刷破壞程度，使得橋梁在設(shè)計(jì)年限得以安全運(yùn)行。因此，考慮橋墩尺寸與墩型因素的橋梁基礎(chǔ)局部沖刷的研究具有重要意義。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

橋墩參數(shù)主要包括墩型和橫截面尺寸，準(zhǔn)確來說，橋墩的迎水面形狀、橋墩橫截面長(zhǎng)度和寬度對(duì)局部沖刷墩周水流結(jié)構(gòu)會(huì)造成較大的影響。這些參數(shù)也是墩周渦系產(chǎn)生和水流強(qiáng)度變化的重要因素之一，參數(shù)中的每一個(gè)變量都會(huì)影響局部沖刷的各項(xiàng)指標(biāo)。近些年來橋墩參數(shù)對(duì)橋梁基礎(chǔ)局部沖刷的影響已受到多位研究者關(guān)注。

Shukri[1]探究了不同直徑的圓柱形橋墩周圍的局部沖刷深度，得出以下結(jié)論：在相同泥沙粒徑的條件下，增大橋墩直徑會(huì)加劇局部沖刷破壞程度；此外，減小泥沙的平均粒徑也會(huì)增大最大沖刷深度。Chiew[2]研究了圓柱形橋墩周圍的局部沖刷，結(jié)果表明，通過增加橋墩直徑與河床泥沙平均粒徑的無量綱比，最大沖刷深度將以線性方式增加至相應(yīng)閾值，而后最大沖刷深度值與該比值無關(guān)。根據(jù)Dietz[3]的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出圓柱形橋墩墩周的沖刷深度隨著墩徑增大而增大，他還以圓柱形橋墩為參考，對(duì)比研究了各墩型橋墩在不同水流沖擊角下墩周的沖刷深度，最后發(fā)現(xiàn)圓柱形橋墩局部沖刷深度不受水流與橋墩的沖擊角影響。而對(duì)于雙排組合橋墩，Ismail 等人[4]研究了雙排串列布置的圓柱形橋墩周圍的局部沖刷情況，結(jié)果表明，增大橋墩直徑會(huì)相應(yīng)增加沖刷深度，隨著兩墩間距的減小，橋墩周圍的沖刷深度也會(huì)增加。

盡管學(xué)者們對(duì)圓柱形橋墩局部沖刷進(jìn)行了大量的研究且成果豐碩，然而，在工程實(shí)際中，除了以圓柱形橋墩，矩形橋墩也是常見墩型。在針對(duì)矩形橋墩局部沖刷的研究中，Danesh[5]等分析了矩形橋墩周圍沖刷坑的各項(xiàng)數(shù)值，如沖刷坑的深度、表面積和體積，并將矩形橋墩的長(zhǎng)寬相應(yīng)增加，發(fā)現(xiàn)其對(duì)沖刷坑各項(xiàng)數(shù)值均有所增大。Mashahir 等人[6]改變矩形橋墩長(zhǎng)度，探究橋墩長(zhǎng)度與固定護(hù)圈防護(hù)效果間的關(guān)系，結(jié)果表明，增大橋墩長(zhǎng)度會(huì)降低護(hù)圈的減沖效果，此外，增大矩形橋墩的傾斜角度會(huì)增加橋墩周圍的沖刷深度，降低護(hù)圈防護(hù)效果。Fael[7]將橋墩形狀系數(shù)Ks定義為特定水平橫截面形狀橋墩的最大沖刷深度與標(biāo)準(zhǔn)橫截面形狀橋墩的最大沖刷深度之比。圓端形和橢圓形橋墩Ks=1，而矩形橋墩Ks=1.2。在與圓柱形橋墩局部沖刷特性的對(duì)比研究中，Chaudhuri 和Debnath[8]探究了圓柱形和方形橋墩局部沖刷過程，得出以下結(jié)論：圓柱形橋墩的沖刷機(jī)理表明，沖刷從橋墩側(cè)面開始；而在方形橋墩上，沖刷從上游迎水面的拐角開始，延伸至橋墩下游端。Aghaee-Shalmani和Hakimzadeh[9]對(duì)比了圓柱形橋墩和不同坡度的圓錐形橋墩的沖刷深度，結(jié)果表明坡度達(dá)到15°的圓錐形橋墩，其上下游沖刷深度分別比圓柱形橋墩減小約36%和53%。Rashid[10]采用圓柱形橋墩與其他5 種不同形狀的橋墩進(jìn)行綜合對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)，與其他形狀橋墩相比，八角形橋墩在減少?zèng)_刷方面具有更加令人滿意的效果。Shukur 和Obeid[11]進(jìn)行了不同形狀橋墩局部沖刷最小化模型試驗(yàn)，量測(cè)了平衡階段各橋墩平衡沖刷深度，結(jié)果表明，橋墩上游沖刷深度與橋墩迎水面形狀直接相關(guān)，最大平衡沖刷深度出現(xiàn)在矩形橋墩墩前位置，最小平衡沖刷深度出現(xiàn)在流線型橋墩迎水面拐角處。

除了單一的研究橋墩參數(shù)對(duì)局部沖刷的影響，也有研究人員探究了不同墩型與局部沖刷防沖措施的組合效應(yīng)。Zarrati 等人[12]在圓形和矩形橋墩周圍安裝了一個(gè)護(hù)圈，并提出，與雙排串列的圓柱形橋墩周圍的連續(xù)護(hù)圈相比，單個(gè)矩形橋墩與護(hù)圈的結(jié)合顯著減少了橋墩周圍的沖刷。此外，護(hù)圈和拋石的結(jié)合大大減少了橋墩周圍的沖刷。Zarrati[13]等人更進(jìn)一步地研究了護(hù)圈寬度對(duì)傾斜矩形橋墩周圍局部沖刷深度的影響，結(jié)果表明，較寬的護(hù)圈使橋墩周圍的沖刷深度進(jìn)一步減小。此外，傾斜橋墩明顯降低了橋墩周圍護(hù)圈的防護(hù)效果。Abozeid 等人[14]將開縫的矩形橋墩和組合橋墩平衡階段局部沖刷形態(tài)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，組合橋墩墩周沖刷坑范圍比開縫后的矩形橋墩小得多，且組合橋墩墩周最大沖刷深度相比于開縫的矩形橋墩減少了93%。而對(duì)于傾斜布置的橋墩，Bozkus 和Cecme[15]研究了斜墩在不同水流深度下的沖刷效果，結(jié)果表明，斜墩附近的沖刷深度比直墩附近的沖刷深度要小。與單個(gè)柱式橋墩相比，組合橋墩的沖刷深度明顯減小。

Talib 等人[16]還研究了橋墩形狀和流速對(duì)橋墩局部沖刷最終形態(tài)的影響。結(jié)果表明，矩形橋墩最大沖刷深度出現(xiàn)在墩前，而流線型橋墩最大沖刷深度出現(xiàn)在墩側(cè)拐角處。且流速越大，最大沖刷深度越大。此外，利用量綱分析和現(xiàn)有數(shù)據(jù)得到了與試驗(yàn)結(jié)果高度吻合的沖刷計(jì)算公式。Ahmad 等人[17]探究了考慮墩型因素下，不同水流的沖擊角與局部沖刷平衡狀態(tài)的關(guān)系，結(jié)果表明，增大矩形橋墩的沖擊角，會(huì)使矩形橋墩局部沖刷平衡階段最大沖刷深度也隨之增大。

研究者們?yōu)榱烁由钊氲亓私饩植繘_刷演變過程，選擇在彎槽下，探究不同形狀橋墩的局部沖刷現(xiàn)象。Masjedi 等人[18]對(duì)180°彎道中位于不同位置的矩形橋墩墩周沖刷深度進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)彎道處的矩形橋墩最大沖刷深度出現(xiàn)在墩前拐角處。此外，弗勞德數(shù)Fr的增加也會(huì)增大墩周所有位置的沖刷深度。Helmy 等人[19]分析了位于30°彎道水槽處不同墩型橋墩在各種水流沖擊角下局部沖刷試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：絕大多數(shù)橋墩沿著水流縱向布置時(shí)，防沖刷性能最好，而六邊形橋墩需要相對(duì)于水流方向成2.5°的沖擊角才能獲得更好的防沖性能。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的一些局部沖刷研究成果中，對(duì)于考慮墩型與尺寸因素方面的局部沖刷研究成果仍然有限。為了優(yōu)化局部沖刷計(jì)算，上世紀(jì)70 年代，由鐵道部科研院鐵建所主持進(jìn)行了一次長(zhǎng)達(dá)兩年的局部沖刷科學(xué)研究，期間共進(jìn)行五百多次試驗(yàn)。對(duì)橋墩形狀影響局部沖刷深度的主要方面進(jìn)行優(yōu)化總結(jié)，并整理出一套相對(duì)完整的墩型系數(shù)表格[20]。王飛等人[21]也采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT，模擬了圓柱形、三角尖形、流線型三種截面形式的橋墩在一定水力和河床條件下的局部沖刷。結(jié)果表明：橋墩周圍局部沖刷最大深度、墩周流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及沖坑發(fā)展形態(tài)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度高。在保持橋墩寬度一致的條件下，三角尖形橋墩的最大沖刷深度比圓柱形橋墩減小約為40%，比流線型橋墩的局部沖刷深度減小約45%。張佰戰(zhàn)等人[22]利用現(xiàn)行局部沖刷計(jì)算公式，并結(jié)合大量模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，綜合分析其參變量的相關(guān)性。對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中的計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，用實(shí)測(cè)墩寬替換計(jì)算墩寬，并將斜交橋墩墩型系數(shù)進(jìn)行了修正與優(yōu)化，最終得到較為全面的沖刷計(jì)算公式。

4 結(jié)語

本文全面系統(tǒng)地綜述了考慮橋墩尺寸與墩型因素的局部沖刷的研究成果，現(xiàn)有研究已經(jīng)具有一定的成果積累，但仍然缺乏完整的理論體系，結(jié)合現(xiàn)狀研究成果提出以下建議：

①在大多數(shù)研究中，水槽模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬所研究的對(duì)象均為常見的柱式橋墩，并未考慮復(fù)雜組合墩型（如復(fù)雜群樁承臺(tái)的橋墩）。因此，在后續(xù)研究中可考慮改變橋墩形式（如錐形橋墩、重力式橋墩），探究其對(duì)橋梁基礎(chǔ)局部沖刷的影響，使得考慮墩型因素的橋梁基礎(chǔ)局部沖刷的研究成果更加完善，也能更好地契合工程實(shí)際狀況。

②對(duì)于大多數(shù)考慮墩型因素的局部沖刷研究中，研究者們主要注重墩周最大沖刷深度的預(yù)估，但橋墩基礎(chǔ)局部沖刷也需著重考慮墩周沖刷破壞的范圍，以確保橋梁基礎(chǔ)整體的穩(wěn)定性，因此，對(duì)于橋墩局部沖刷范圍預(yù)估的研究也尤為重要。

③對(duì)于考慮橋墩尺寸與墩型因素的局部沖刷研究中，多數(shù)研究者僅對(duì)比研究了各墩型平衡沖刷狀態(tài)，而缺乏對(duì)局部沖刷演變過程以及墩周水流結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究。因此，需進(jìn)一步探究各橋墩局部沖刷特性，分析墩型、尺寸因素與墩周水流結(jié)構(gòu)、局部沖刷演變過程的關(guān)系，以進(jìn)一步揭示橋梁基礎(chǔ)局部沖刷內(nèi)在規(guī)律。