橋墩局部沖刷的新型防護措施綜述

□楊淑君 □劉永軍（長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室)

1.引言

跨河橋墩是阻水構筑物,它在沖積河流上產生的局部沖刷一直是很有工程價值的問題。因此,橋梁設計工作者在進行橋梁基礎設計時,必須考慮采取一些防護工程對橋墩周圍的床面進行防護,以保證橋墩的安全與穩定。在傳統防護措施的基礎上近幾年來出現橋墩防沖刷的一些新型防護措施，主要包括護殼防護、下游石板防護、四面體防護，還有對傳統的防護措施的改良，包括橋墩開縫與下游石板相結合的防護，部分拋石灌漿防護等。

2.傳統防護措施

橋墩局部沖刷傳統的防護措施主要包括拋石防護、擴大橋墩基礎防護、填充混凝土模袋防護，護圈防護，橋墩的部分或整體開縫防護等。

拋石防護是在橋墩周圍鋪設拋石，讓其充當自然屏障來承受水流的沖蝕力。如圖（1）所示。擴大橋墩基礎防護是指在施工階段先將鋼圍堰埋入河床面以下一定深度,再進行下部樁基施工,基礎施工完成后在床面以上預留一定高度封頂,然后在頂面上放置橋墩的防護工程措施，如圖（2）。填充混凝土模袋防護是指利用高強化纖材料編織成雙層并能控制一定間距的袋體緊貼在岸坡或河床放置的工程措施，如圖（3）。護圈防護是通過放置護圈來減少下降水流和馬蹄形渦流的強度，如圖（4）。開縫防護是很好的橋墩局部沖刷防護方法之一，橋墩開縫依據其位置不同可分為橋墩整體開縫、床面附近橋墩開縫和水面附近橋墩開縫3種形式，如圖（5）。但是,傳統的橋墩局部沖刷防護工程措施有一定的使用局限性和適用范圍，且近幾年的提出了一些新型的防護措施，這些新型的措施較傳統的防護措施而言更為靈活，并通過實驗證明了沖刷防護的效果更為顯著。

3.新形式的防護措施

3.1 護殼防護

護殼防護是一種最新提出的防護措施，它通過在淹沒結構物的表面設置兩種人工粗糙護殼來降低水流強度，降低了二次流和馬蹄渦流的強度并影響尾流渦旋的強度。這種方法同相同水利條件和泥沙條件下的光滑橋墩相比,沖刷深度減少了大概20%～30%。

該防護具有如下基本特征：一是護殼防護在墩臺迎水面設計了人為的條型粗糙細紋，它以迎水面的中間垂線對稱分布，在細紋處會產生斜渦流，使部分下降水流產生分離；二是護殼防護對剩下的表面進行了特別設計,在表面處設置許多獨立的圓形結構物，稱之為“高爾夫球”，它可以使層流邊界層產生擾亂分離，從而降低了尾流和尾流渦旋的強度。如圖6。

護殼防護只在橋墩表面進行處理，不需要考慮其它的附屬工程，可以節約投資。這種流線型的護殼相對于淹沒建筑物而言是獨立的，不會影響結構的外觀。但是這些人工細紋和“高爾夫球”具體尺寸應該多大才能更好的沖刷防護；殼體的設置范圍是否需要覆蓋整個橋墩等這些問題仍需要繼續研究。

3.2 下游石板防護

下游石板防護就是把石板放置在橋墩的下游，埋置在河床上并延伸到整個河底橫截面。如圖7所示。下游石板防護減小了水流流速，削弱了尾流渦旋從而使局部沖刷減小。

Carmelo Grimaldi研究認為下游石板和橋墩之間的距離越小,石板的防沖刷的效果就越好，橋墩前方的最大沖刷深度最多可以減小26%。沖刷防護的效果會隨著Ut/b，L/b的改變而改變，（U行進水流的速度，t時間，是L是石板距離橋墩的距離，b橋墩寬度，）其中，Ut/b=39339.0L/b+2514.7。當L/b=0時，防護效果最好。Gaudio，Marion和 Tregnaghi[4～6]等認為石板的最大沖刷深度發生在離石板大概是30%～40%的沖刷坑長度那么遠。Gaudio等研究還認為在石板的后方會出現兩個沖刷坑，所以在使用石板防護時石板附近的局部沖刷也需要考慮在內。

3.3 四面體防護

四面體防護是由4個中空的等邊三角形組成，一般是由鋼筋混凝土或是混凝土加入藤條制作而成。如圖(h)(i)所示。Hong—Wu TANG證明在四面體防護下，橋墩附近的水流會被分為3個區域：接近河床的減速區，中間的加速區域，接近水流表面的恢復區域。影響橋墩局部沖刷的主要是接近河床的區域，四面體防護使水流的速度、紊流強度和漩渦強度都減小，從而使保護了橋墩沖刷。他還認為當時（為臨界平均流速，U水流速度），沖刷深度會減小50%。與其它的防護措施相比，這種防護措施不會被河流的流向以及泥沙的運動所影響，其防護作用比犧牲樁和石板防護更靈活。

但Hong—Wu TANG對四面體防護的研究范圍還只是應用在清水沖刷條件下，并不適用于動床沖刷條件下。因此，在今后的研究中，動床沖刷條件下四面體的防護穩定性和防護效果還有待進一步研究。

圖1 拋石防護圖

圖2 擴大橋墩基礎防護圖

圖3 填充混凝土模袋防護圖

3.4 開縫防護與下游石板防護相結合

為了起到更好的防護措施，Carmelo grimaldi提出橋墩開縫防護和下游石板防護相結合的防護措施，如圖10。他認為一方面下游石板可以減少橋墩的局部沖刷，若石板和橋墩相連接，可以使尾流漩渦遠離橋墩的沖刷范圍，并削弱馬蹄形渦流。另一方面對于開縫來說，它可以減小馬蹄形渦流和下降水流的強度。兩種防護措施相結合將會產生更好的效果。Carmelo grimald]認為下游石板需要經過一定的時間才會產生作用，所以初始時期只有開縫防護對沖刷起到一定的防護作用，經過一段時間，石板才開始作用使沖刷的速率減小，這時它們會同時降低下降水流和馬蹄形渦流的強度，并使尾流渦旋遠離沖刷坑，沖刷最多可以減小49%，平均可以減小45%。結果表明，這種結合的防護效果比它們中任意一個單獨的防護措施的效果都要好。

3.5 部分拋石灌漿防護

圖4 開縫防護圖

圖5 護圈防護圖

部分拋石灌漿防護是一種比較廣泛采用的新型防護措施，它主要是將大小確定的拋石粘結成一個拋石團放置在橋梁墩臺的附近，其拋石的大小是從22.86～38.1cm之間的。如圖11所示。部分拋石灌漿防護和拋石防護的原理一樣，它增加了橋墩附近的粗糙度從而降低了水流的流速。

圖6 護殼防護圖

圖7 下游石板防護圖

圖8 四面體防護圖

圖9 四面體防護圖

圖10 開縫與下游石板相結圖

圖11 部分灌漿拋石防護圖

近年來的試驗研究表明影響部分灌漿拋石防護效果的主要因素為拋石團的大小，基礎灌漿材料，過濾層，布設范圍等。

P.F.Lagasse認為拋石團指定的均勻率允許從1.5～2.5之間波動。其基礎拋石灌漿所用材料為普通硅酸鹽水泥。部分拋石灌漿防護中過濾層可以是顆粒狀過濾層,土工布過濾層和顆粒層和土工布復合過濾層這3種形式。拋石的縫隙會通過軟管，水下澆灌或機械自動化的方法進行灌注。對于其布設范圍，Lim的實驗結果表明,隨著布設范圍的增大,拋石層的防護能力幾乎線性增加。

部分拋石灌漿較傳統的拋石防護的優點是在受到水流沖擊時它具有一定的柔韌性,并且修復也相對比較容易。在洪水發生以后做一些周期性的檢查和維護就可以使它保持一個長期的使用過程。并且它允許使用較小單位的巖石和薄的拋石層。國家合作公路的研究設計項目確認部分拋石防護是墩臺沖刷防護的有效措施。在歐洲，它也被應用在河流和沿海地區的河床、河岸、海岸線和一些橋梁墩臺結構等地區,用來防止沖刷和侵蝕。

4.結論和建議

防沖措施護殼防護、下游石板防護、四面體排防護、開縫與石板結合防護、部分灌漿拋石防護的橋墩局部沖刷防護工程措施的防護機理、防護效果、防護優缺點。一般能有效的減少橋梁墩臺附近的沖刷，但至今還沒有充分理論依據能夠證明，這些新型的防護措施是完全有效的,對新型防護措施的進一步研究和實驗驗證，對局部沖刷的防護措施的相互結合取長補短將具有重要的現實意義。

[1]房世龍，陳紅，王崗，橋墩局部沖刷防護工程特性研究綜述

[J].水利水電科技發展,2007,27(4).

[2]Robie Bonilla Gris1,Member,Sheath for Reducing Local Scour in Bridge Piers[J].International Conference on Scour and Erosion,2010.

[3]Carmelo Grimaldi1;Roberto Gaudio2;Francesco Calomino3;and António H.Cardoso，Control of Scour at Bridge Piers by a Downstream Bed Sill[J].JOURNAL OF HYDRAULIC ENGI NEERING,2009,135:1(13).

[4]Gaudio,R.,and Marion,A..“Time evolution of scouring downstream of bed sills[J].Hydraul.Res.,2003,41(3),271–284.