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)

一、引言

橋梁是道路跨越河流、峽谷和海域等天然屏障的重要手段，也是線路中斷時跨越障礙的重要承載結構[1]。但是，橋梁的興建，由于橋梁墩臺的存在，縮短了河流的過水面積，這就必然導致橋址附近的水流結構和泥沙狀況發生變化，促使河床也發生相應的變化，同時橋梁墩臺處也必然發生局部沖刷現象，直接威脅到橋梁建筑物本身的安全與穩定。

橋墩沖刷是橋梁水毀的主要原因之一，據統計，橋梁水毀的數量是超載破壞的6倍，是地震破壞的20倍[2]。近年來，由于沖刷導致橋梁垮臺的事故時有發生，給人民的生命財產安全帶來嚴重威脅。2000年8月27日，由于受到臺風碧利斯以及其后之降雨影響，高屏大橋的P22/P23橋墩被溪水沖毀，使大橋橋面塌陷100米，造成行駛其上的17輛汽機車墜落，22人輕重傷，高屏兩地交通旋即中斷，造成高雄市與屏東市都會區間聯系的不便[3]；2001年8月2日，由于橋渡沖刷導致藍煙線外夾河橋以及東萊線東泉河橋分別倒塌，因措施采取得當，即使攔停了線路上的火車，所幸未造成重大人員財產損失；2002年6月9號，由于西安霸州爆發洪水，隴海線灞河橋的1～5號橋墩被沖垮，1～6孔梁墜落，導致隴海線行車中斷14小時30分鐘[4]。

因此，橋梁沖刷是橋墩設計的重要環節，直接關系到橋梁的安危，研究橋梁的沖刷對橋梁設計、施工、防洪以及通航論證均具有十分重要的意義[5]。然而，由于橋墩沖刷的影響因素眾多，因素之間又相互影響，難以準確定量預測，加之水文現象的變化，橋墩沖刷破壞多具有突發特性。所以對橋墩沖刷的研究仍具有重大意義。

二、橋墩局部沖刷機理分析

(一)橋墩沖刷的概念。橋墩沖刷的機理十分復雜，為了便于分析和計算，通常把橋墩的沖刷分成三個部分：(1)河床的自然演變：雖然河床自然演變的原因非常復雜，演變的現象也多種多樣，而水沙輸送不平衡是導致河床發生變化的根本原因，在水流的作用下，這種不平衡向著平衡的方向發展但這種平衡只是暫時的，將來水文條件一旦發生變化，必然引起水沙平衡的破壞，因此河床處于不斷變形的過程之中；(2)橋墩一般沖刷：受橋孔壓縮的影響，水流自上游較大過水斷面起急劇從上游及兩側流入橋孔，在橋址處形成收縮斷面，然后再逐漸擴散，恢復到天然河道的狀態，在收縮斷面處，過水面積最小，而流速最大，是一般沖刷最嚴重的地方；(3)橋墩局部沖刷：由于橋墩阻擋水流，會產生水流沖擊和渦流作用，使得橋墩四周出現三維邊界層，從而產生具有高流速特性和高紊動特性的水流，這種水流在向下游傳播的過程中，會產生很大床面下切力，進而在橋墩四周出現局部的河床變形。

(二)橋墩局部沖刷的特性。橋墩周圍的水流結構主要包括：墩前向下水流、墩前雍水以及尺度很大的漩渦體系，如圖1所示。其中，漩渦體系包括在墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩兩側流向下游的馬蹄渦系以及橋墩兩側水流分離引起的尾流渦系。漩渦體系形成以后，還不斷的向兩側及墩后釋放出小的漩渦，向四周發展[6]。

圖1 橋墩周圍的水流結構

馬蹄渦系每釋放一個尾流漩渦，就會在漩渦的中心出現一個低壓中心，從而增大馬蹄渦系內水流的橫向流速。而當尾流漩渦發展到下游時，馬蹄渦系則會后退進入到沖刷坑內。結果就是，隨著尾流漩渦的釋放和發展，馬蹄渦系內不斷水流不斷進行著橫向、豎向和前后擺動，對橋墩局部位置形成繞流沖刷的特征。

(三)橋墩局部沖刷機理。在天然河床上修筑橋梁之后，橋梁橋墩周圍的水流會因為橋墩的阻隔作用而發生劇烈的變化。以直立圓柱體橋墩為例，在圓柱體周圍沖刷坑的三維流場內，水流受到圓柱體橋墩阻擋之后會產生垂直向下和側向的流速分量，以及局部的渦旋流，分別稱之為“下降水流”、“集中水流”、“馬蹄渦系”和“尾流漩渦”。

當水流行進至橋墩時，由于橋墩的阻隔，一部分水流繞墩側而過，另一部分水流則直接沖擊橋墩，將動能轉化為壓能。墩前“下降水流”在能量轉化的同時，水面雍高，并與上層水平方向行進水流構成表面漩渦，其下層水流轉而向下，與下層水平方向行進水流構成底部的向下漩渦，其中底部的向下漩渦是產生局部沖刷的主要動力。因此，引起橋墩局部沖刷的主要原因有三：一是橋墩阻水在墩前形成局部雍水，產生“下降水流”，垂直向下沖擊河床泥沙，在墩前形成沖刷坑；二是流動分離的側向繞流產生的兩側的“馬蹄渦系”和“尾流漩渦”淘刷兩側和后部河床；三是由于橋墩占據了原河床一定的過水面積，縮窄了過水斷面，在橋墩兩側形成流水相對較大的“集中水流”，從而使橋墩兩側河床首先引起沖刷，并逐步發展至橋墩正面。

墩前水流受到橋墩的阻隔和干擾，其上層水面基本上仍然與原水面保持平行，但是由于橋墩的阻水作用的影響以及下層水流的托抬作用而向上彎曲，抬升到一定高度之后，又由于重力作用而沿橋墩向下流動或者向墩側繞流，向下流動的水流帶動下層受橋墩阻水影響的水流一同傾斜向下流動，遇到河床床面的阻擋之后，與墩側的繞流匯合之后在床面形成橫軸環狀的馬蹄渦系；繞墩的水流在橋墩和正常水流挾持下載橋墩的前后端部以及左右側形成立軸狀的馬蹄渦系；水流通過橋墩后，被擠壓的水流向墩后擴散，在墩后的局部區域形成尾流渦系。由于水流在墩身周圍的以上變化，引起了橋墩周圍河床的局部沖淤變形。墩前及墩側的馬蹄渦系將泥沙帶起，由墩側集中水流帶走，在通過墩側立軸狀的馬蹄渦系至墩后時，泥沙先被通過沖刷坑面上抬的水流上舉，而后斜落在墩后。這一過程同樣會在橋墩的前部和側面形成沖淤變形。當橋墩周圍出現沖刷坑之后，橋墩所阻水流的水流結構又會發生變化，挾沙能力也隨著沖刷坑的加深而減小，當被阻水流對河床床面泥沙的作用于床面泥沙對水流的抗沖作用達到相對平衡時，沖刷坑的深度也就不再增加，達到沖刷平衡。

(四)橋墩局部沖刷影響因素。影響橋墩局部沖刷深度的因素具體包括下列幾個方面[7]：(1)流體特征因素：流體容重γ、流體運動粘度ν、重力加速度g；(2)河床質特征因素：泥沙容重γs、泥沙粒徑d、粒徑級配結構、土粘性；(3)流動特征因素：行近水流深度H0、行近流速V0、傅汝德數Fr；(4)橋墩特征因素：橋墩形狀系數kξ、橋墩寬度B、橋墩長度L(或橋墩直徑R)、水流方向與墩軸的夾角α。

根據已有的研究成果對以上一些主要因素對橋墩局部沖刷的影響簡單的進行定性的分析：

1.水流方向與墩軸的夾角α對局部沖刷深度的影響。水流方向與墩軸的夾角α越大，則局部沖刷深度越大，一是因為橋墩的阻水寬度增大了；二是因為在橋墩形狀一定的情況下，水流方向與墩軸的夾角α的改變，整個橋墩的迎水面的形狀也會發生改變，迎水角會加大局部沖刷的深度，在無法回避偏角的情況下，應盡量減小墩基與作用力較強的水流的夾角。

2.上游行近水流深度H0對局部沖刷深度的影響。上游行近水深變化對局部沖刷深度的影響很大，國內外很多學者進行了廣泛的研究。然而，僅定性方面的結論差異就很大，爭議頗多。一般認為，行近水深較小時，局部最大沖深隨水深的增加而增加，當水深進一步增加時，局部最大沖深和水深幾乎無關。

3.橋墩寬度B、橋墩長度L(或橋墩直徑R)對局部沖刷深度的影響。引起橋墩沖刷最根本的原因是橋墩的存在壓縮了河槽水流引起單寬流量的增大，從而導致局部沖刷。一般來說，橋墩越長、橋墩越寬，在墩頭處引發的局部沖刷就會越深，因為橋墩寬度、橋墩長度或橋墩直徑直接反映了橋梁對水流的壓縮程度，壓縮越大，橋梁阻水引起的水流結構的改變越大，產生的沖刷作用越大，因而沖刷深度也就越大。

三、橋墩局部沖刷防護措施

橋墩沖刷幾乎是不可避免的，對于沖積河床更是如此。因此，橋梁設計工作者在進行橋梁基礎設計時，必須考慮采取一定的防護工程對橋墩周圍的河床進行防護，以保證橋墩的安全與穩定。

(一)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、護圈防護以及開縫防護等。

拋石防護主要是在橋墩的四周鋪設拋石，讓其承受水流的沖擊，從而減小水流對河床的沖蝕力；擴大橋墩基礎防護和護圈防護都是通過減弱下降水流和馬蹄渦系的強度起到防護作用；開縫防護是使下降水流轉向離開河床或減小下降水流對河床的沖擊，從而達到沖刷防護的作用。以上防護辦法結合使用的時候，可以進一步減小沖刷深度。

(二)新型防護措施

1.護殼防護。護殼防護是一種最新提出的橋墩局部沖刷防護措施，它通過在橋墩的表面設置兩種人工粗糙護殼來降低水流的強度，直接降低了下降水流和馬蹄渦系的強度并影響尾流漩渦的強度，如圖2所示。計算結果表明，這種防護措施在相同水流條件和泥沙條件下與光滑橋墩相比，沖刷深度降低大概25%左右。

這種防護措施的優點：一是只在橋墩的表面進行處理，不需要考慮其它附屬設施工程，節省造價；二是這種護殼相對于橋墩而言是完全獨立的，不會影響結構的整體外觀。

圖2 護殼防護圖

圖3 下游石板防護圖

2.下游石板防護。所謂下游石板防護就是把預制的石板放置在橋墩的下游位置，坐落于河床基巖之上并延伸至整個河床的橫截面，如圖3所示。

下游石板防護減小了整個過水斷面上的水流流速，同時削弱了尾流漩渦對局部沖刷的影響。

四、結論

1)本文以橋墩局部沖刷為研究對象，橋梁墩臺處的局部沖刷是橋梁水毀的主要原因之一，直接威脅橋梁本身的安全與穩定。

2)通過介紹橋墩局部沖刷的概念和特性，分析橋墩局部沖刷的機理，橋墩阻水之后產生的“下降水流”、“集中水流”、“馬蹄渦系”和“尾流漩渦”是造成橋墩局部沖刷的主要原因。

3)影響橋墩局部沖刷的因素主要包括：流體特征、河床質特征、流動特征和橋墩特征等四個方面。

4)在介紹拋石防護、擴大橋墩基礎防護、護圈防護以及開縫防護等傳統防護措施的基礎上，介紹了兩個新型防護措施，即護殼防護和下游石板防護，以保證橋墩的安全使用。

【參考文獻】

[1]王建平,邢方亮,穆守勝等.潮流作用下橋墩局部沖刷研究[J].人民珠江,2014(3):25-29.

[2]李夢龍.潮流作用下橋墩局部沖刷研究[D].天津大學,2012.

[3]薛小華.橋墩沖刷的試驗研究[D].武漢大學,2005.