橋墩局部沖刷的機理及防護措施

(重慶交通大學 河海學院　重慶　400074)

橋梁建成后，除了河床的自然演變外，還有由于橋墩干擾水流和泥沙的運動而引起的河床沖刷，它們交織在一起同時進行，沖刷過程非常復雜。為了便于研究和計算，常把橋墩的最大沖刷深度分為獨立的三個部分：自然演變引起的沖刷、一般沖刷和局部沖刷，并假定它們相繼發生進行。由于橋墩阻流產生的水流沖擊和渦流作用，在橋墩周圍分離出三維邊界層，從而產生具有高紊動和高流速特性的局部水流，引起旋渦并向下游傳播和發展，產生很大的床面切力，在橋墩周圍形成的局部河床變形稱為橋墩局部沖刷[1]。

理論上可以將水流與橋墩的沖刷作用分為三個部分[2]:①前進水流漩渦，主要是指前進的水流遇到障礙物產生的漩渦在通過障礙物時，卷動泥沙形成了沖刷坑，可采用減緩水流能量或者改變水流與橋墩的作用方式來應對；②下降水流淘底，主要指前進水流撞擊橋墩后形成一部分下降水流，對墩底進行淘刷，可采用阻礙水流急速下沖的手段或增大泥沙啟動時需要的動力來應對；③尾流漩渦沖坑，主要指水流繞過障礙物后形成的漩渦，帶走了墩后的部分泥沙，可在下游裝置收尾措施來處理應對。

一、橋墩局部沖刷的機理

橋墩局部沖刷深度影響因素眾多，與橋墩形狀、橋墩附近的水流強度以及河床組成密切相關，局部沖刷機理十分復雜，概括起來，主要有以下三種觀點[1]：

(一)墩周流場的旋渦體系

將一橋墩放入三維不擾動的流速場中，墩前緣水流遇阻后由于近河底流速小，上部流速大，在河底處形成順時針旋轉的橫軸漩渦，并沿床面移向橋墩兩側與繞流形成馬蹄形漩渦系。墩周局部沖刷是由馬蹄形漩渦系產生很高的河床剪力而形成的。

(二)墩前下降水流的沖擊作用

橋墩對水流的阻礙，引起橋墩周圍水流結構的劇烈變化，在墩頭前緣形成一種“下降水流”，垂直向下沖刷床面泥沙，在墩前形成沖刷坑。

(三)水流受橋墩的壓縮作用

橋墩周圍的局部沖刷是由于橋墩壓縮了水流，改變了墩周原來的流速分布，在墩的兩側流速相對增大，從而使墩兩側首先引起沖刷，沖刷逐步發展到墩的正面。

根據對局部沖刷試驗過程的研究成果分析，上述三種觀點不是孤立作用的，而是相互聯系相互影響的，由此可以看出，橋墩對水流的壓縮和阻礙作用，使墩周流場發生變化，從而產生橋墩兩側的“集中水流”和橋墩前的“下降水流”，“集中水流”和“下降水流”是形成馬蹄形漩渦的內在原因，而馬蹄形漩渦系則是產生墩周局部沖刷的直接原因。

二、橋墩局部沖刷的防護措施

沖積性河流中橋墩周圍的局部沖刷幾乎是一個不可避免的問題，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，而在橋基受沖刷初期或已危及橋梁安全時，如何以最適當的保護措施防止橋基因裸露而遭破壞則是工程技術上最大的挑戰。迄今為止，橋墩局部沖刷防護工程一直是防止河槽中橋墩周圍床面沖刷、橋墩失穩和橋梁水毀的重要措施之一。

(一)沖刷防護的原理

橋墩防沖刷保護措施一般基于以下兩種原理[1][3]:

(1)從改變沖刷對象和泥沙特性入手，以提高河床材料的抗沖刷性能，這類方法屬于被動防護。

(2)在實際工程中，可以在河床高程附近增設底板或者護圈等，通過減小沖刷水流的原動力來提高抗沖刷性能，這種“減沖”的防護方式即主動防護。

(二)沖刷防護的措施

近年來研究過的被動防護工程措施，主要包括拋石防護、擴大橋墩基礎防護、混凝土模袋防護、混凝土鉸鏈排防護等；主動防護工程措施，主要包括護圈防護、墩前淹沒翼墻防護、橋墩開縫防護、墩前排樁防護等。

(1)護圈防護

通常來說，主動防護工程措施更經濟實用，特別是橋址附近沒有足夠多的石料可供開采時。護圈防護方法是典型的主動防護工程措施，它是通過利用護圈頂面阻擋和消殺下降水流，減小馬蹄形旋渦強度的原理進行防護的[4]。

(2)橋墩開縫防護

墩前迎水面的下降水流和形成于沖刷坑前緣繞橋墩兩側流向下游的馬蹄形旋渦的共同作用導致了橋墩周圍床面的泥沙被侵蝕，所以控制和減少沖刷的一個途徑就是削減下降水流和馬蹄形旋渦的強度，或者完全阻止這兩種水流結構的形成。Kumar等[5]認為，縫的存在可以使得朝著河床的向下水流發生偏轉，這是由于縫使得底部邊界層水流自身像噴射一樣加速，而當縫處于河床附近位置時，會使得馬蹄形漩渦解體，當處于水面附近時，縫可以很好地減小下降水流和馬蹄形漩渦。Chiew[3]的試驗在保持縫寬與墩寬比值為0.25 時，沖刷深度隨著沖刷角度的增大而增大。當角度增大到45°時，開縫減小沖刷作用的效果幾乎沒有了。

(3)墩前排樁防護

墩前排樁防護是指在橋墩上游按一定規則布設一定數量的樁群，當橋墩處于樁群的尾流區域時，用于橋墩局部沖刷防護的排樁本身就會受到水流的沖刷，所以它能使墩前的高速水流方向產生偏離，并能在后部形成一個尾流區域，有效削減了橋墩周圍旋渦體系的紊動強度，從而有效地遏制了橋墩周圍的局部沖刷。

三、結論

工程上現行的防護方式多以被動防護為主，其中拋石防護最為常見。如前文所述，該類方法雖然操作簡便，但由于被動防護只是機械地提高墩周土體的抗沖刷能力，經常需要進行修繕維護，代價高，工作量大，尤其是水流作用大以及作用變化較大時，拋石很容易流失，造成嚴重的經濟損失。相反，主動防護著眼于沖刷的根源，從擾動水流結構入手，降低來流的作用，從而起到很好的防護效果，應是未來局部沖刷防護的發展方向。

本文概況分析了橋墩局部沖刷的機理，總結了幾種常用防護措施的作用機理，防護效果以及相應的優缺點。為了將橋墩防護措施更好更完善地投入工程實踐，相關的理論和試驗研究需要繼續進行，相關的試驗設備和技術手段也要不斷發展。與此同時，還應當繼續尋找主動與被動防護的契合點，將兩者有機地聯系起來，進行全方位的防護。