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、研究背景

隨著當今社會的發展，橋梁的修建逐漸增多，其對社會經濟和交通運輸發展所作出的貢獻也越來越大，因此橋梁的安全性問題成為了一個重要的研究課題。據資料統計，在所有橋梁損毀事故中，水毀的比例最高，占事故的70%以上[1]。多年來的研究和實踐證明，橋墩局部沖刷具有突發性、災難性，可導致橋墩的移位、沉陷，橋面的斷裂、變形，甚至整座橋梁突然坍塌。

二、橋墩沖刷機理分析

河流中橋墩的建造使其附近的水流斷面面積減小，改變了原來的水流及泥沙運動規律，橋墩周圍水流速度增大，會引起對河床的沖刷。沖刷通常是由自然演變的沖刷、過水斷面的減小而引起的一般沖刷以及橋墩周圍產生的局部沖刷三個部分組成。其中最主要的是局部沖刷，來流水遇到橋墩阻擋時將會在橋墩前部形成水面涌波及下降水流，在橋墩周圍形成紊流區[2]。

研究者們根據局部沖刷的影響因素一些主要影響因素進行了研究分析：

(1)橋墩的外形參數：橋墩沖刷的主要原因是修建在河道中的橋墩對河道寬度進行了壓縮導致單寬流量增大而引起了沖刷。橋墩的長寬是一個影響因素。一般情況下，橋墩越長越寬，來流水受到的壓縮越大，在墩前處將會形成強烈的漩渦，從而產生的沖刷深度會越大。

(2)流水速度：來流水速度對沖刷的結果影響很大，當流速很小時橋墩將不發生局部沖刷；當流速增大至泥沙始沖流速時，墩前開始有沖刷坑的出現且發展趨勢為隨著流速的增大而增大直至達到或者超過泥沙的起動速度[3]；在達到或超過起動速度后，河床的泥沙開始起動并對沖刷坑形成一定的補償作用，沖刷深度也會隨著速度的增大而緩慢增加直至達到平衡狀態。

(3)水流方向與墩軸夾角：夾角的影響主要體現在對阻水寬度及迎水形狀的改變[4]。研究表明，在有夾角存在時局部沖刷深度將比正交時更大。因為有夾角時，橋墩的阻水面積相應的增大了且橋墩的迎水形狀也會因為夾角的改變而發生改變。

三、橋墩局部沖刷防護措施

(一)實體抗沖防護工程措施研究

(1)拋石防護：拋石防護是主要的一種橋墩防護工程措施,其工作原理一是拋石對床沙起保護作用,增加床沙起動或揚動所需的流速;二是拋石可以增大橋墩附近局部糙率,對于減小橋墩附近流速也起到一定的積極作用。

(2)擴大橋墩基礎防護：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。該防護方法的主要工作原理是利用擴大橋墩基礎的頂面消殺墩前下降水流的淘刷力。

(3) 四腳混凝土塊防護：四腳混凝土塊(tetrapods)起初被用于海岸防護。1993年,Bertoldi[5]對四腳混凝土塊進行了橋墩局部沖刷防護的可行性研究。結果發現,橋墩本身所特有的勾連性使得與拋石石塊尺寸和質量相當的四腳混凝土塊的穩定性更好,防護效果更佳。

(二)減速不沖防護工程措施

(1)護圈防護：護圈防護方法是典型的減速不沖防護方法,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,護圈防護方法能起到防護橋墩周圍床面免受沖刷的作用,但是,動床沖刷條件下,河床形態的出現和傳播可能使護圈下部的橋墩暴露于水流中,導致護圈失效,或者可能由于橋址處的一般沖刷與收縮沖刷結合作用而導致護圈高出河床面而造成護圈失效。針對護圈防護的不足,Odgaard 等[6]提出了用護圈結合淹沒翼墻作為橋墩局部沖刷防護的措施。研究結果發現,淹沒翼墻能使墩前的行近水流向上翻轉,進而縮減了橋墩周圍的水流。

(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,橋墩墩體開縫能起到削弱馬蹄形旋渦和下降水流強度的作用,是很好的橋墩局部沖刷防護方法之一。

(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,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[7]。

(4)淹沒檻防護：淹沒檻防護就是將一定幾何尺寸的底檻或角檻埋置于橋墩迎水面上游一定距離處,通過影響水流的沖刷能力來防護橋墩周圍床面的一項工程措施。

(三)橋墩周圍四面體透水框架群拋投防護措施

現有的橋墩局部沖刷防護工程措施都存在一些缺點和不足,在一定條件下,這些缺點和不足甚至會引發整個防護工程的潰敗,進而影響橋墩的穩定和橋梁的安全運行。河海大學水環境綜合治理試驗廳提出了橋墩周圍四面體透水框架群拋投防護方法。橋墩周圍四面體透水框架群防護方法是一種完美結合減速不沖與實體抗沖防護特性于一體的新型防護工程措施,其工作原理是利用框架群的消能減沖作用使橋墩周圍水流的紊動強度減小,從而使泥沙落淤,達到防護橋墩周床面的目的[8]。

四、結語

本文系論述了橋墩局部沖刷機理、防護措施。橋墩基礎施工過程中,施工圍堰周圍發生沖刷,其沖刷現象類似橋墩附近沖刷。因此對橋墩局部沖刷防護工程防護特性的研究十分必要的。由于橋墩局部沖刷現象的復雜性和傳統防護工程措施本身固有的局限性,至今還沒有一個具有充分理論依據并被證明是完全有效的防護方法,從而對新型橋墩局部沖刷防護工程措施及其與傳統防護工程措施結合運用防護效果的進一步研究就具有很重要的現實意義。