橋墩局部沖刷及加固措施的思考

卓長智

（合武鐵路有限公司，安徽 合肥 230088）

橋梁在使用過程中，橋墩受到河水沖刷是十分常見的，它是河床水流沖蝕所引發的。橋梁基礎沖刷包括橋墩與橋樁兩個部分的沖刷，這是導致橋梁結構受損的主要因素之一。但是，從現階段的橋梁結構情況來看，具備沖刷是一個普遍性問題，幾乎不可避免，那么如何才能夠加大橋梁具備沖刷的防護力度，降低其受損概率和程度，就成為了保障橋梁結構穩定性與橋梁使用壽命的關鍵。

1 概況

皖水河特大橋全長1 959.1 m，該橋跨越泛區的主河槽段，控制流域面積為585.5 km2，洪水曾使橋址上下游大堤多次潰決。該河流平時流量小，遇大暴雨流量迅速增加，主河道經常變動，由于長年地方在河道采砂，造成河床下切較多，如圖1所示。2006年洪水導致該橋沖刷嚴重，部分橋墩鉆孔樁外露，2006年對該橋第37#～40#墩承臺用密排鋼軌樁封閉防護；2010年因39#～40#墩再次被沖刷，導致鋼軌樁被沖毀大半，承臺及鉆孔樁嚴重暴露，再次施工恢復鋼軌樁防護，增加劈水尖，并在鋼軌防護樁周圍設石籠防護；2016年因36#～38#墩鋼軌樁被沖毀，再次用沉井進行加固。

2 橋墩局部沖刷的機理

2.1 橋墩周圍的水流

橋墩周圍水流結構主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度很大的漩渦體系，其河底的流速相對較慢，而上部的流速則相對較快，同時形成了橋墩附近馬蹄狀的漩渦流，如圖 2所示。橋墩兩側邊界層分離形成的尾流漩渦，分別如圖 3、圖4所示。床面附近形成的小漩渦均可視為漩渦體系。每個急速旋轉并向下游移動漩渦的中心會出現負壓，將床沙吸起并帶往下游。在漩渦的生成和移動的過程中，床面靜止泥沙的運動狀態會呈現不同的陣發性，在橋墩下游兩側漩渦相匯并沉積，從而形成很長的沙脊。

橋墩的沖刷處水流的速度不小于床沙的起流速度時，就會做沖刷處床沙的運動。根據現場觀測，在橋墩迎水面兩側存在B和C兩點，該處的繞流流速的大小和方向變化較大，床面的切應力也大于其他區域。此時上游A點附近的行近流速V0′稱為橋墩起沖流速。起沖流速V0′大約等于 0.4～0.6倍的床沙起動流速V0。

圖1 橋墩現場照片

圖2 橋墩附近水流結構

圖3 圓形橋墩

圖4 矩形橋墩

2.2 沖刷深度和行近流速的關系

為了更加接近沖刷實際情況，簡化分析計算，可以假定隨著行近流速V的變化，清水沖刷（V0′＜V≤V0），深度hb呈直線增加；動床沖刷（V＞V0）沖刷深度hb隨行近流速V呈曲線增大；在V=V0處兩種狀態是連續的。沖刷深度和行近流速的關系如圖5所示。橋墩的局部沖刷是一個動態的發展過程，影響因素眾多，空間分布具有很強的三維特性，經研究橋墩周圍水流泥沙運動非常復雜，現有的計算公式基本為經驗公式，準確性仍需繼續研究。而不能單一進行理論計算，除了精確掌握沖刷情況，還需主動做好沖刷防護工作。擴大橋墩基礎防護如圖6所示。

圖5 沖刷深度和行近流速的關系

圖6 擴大橋墩基礎防護

3 橋墩局部沖刷的防護加固措施

3.1 防護措施

資料及研究表明，橋墩局部沖刷不可避免，而沖積河床更不可避免。如果基礎埋置足夠深，而且采取一定的保護措施，對減少墩旁沖刷坑深、提高橋墩結構的安全性和穩定性有顯著效果。

3．1．1 沖刷防護的原理

應提升橋墩周圍河床的防沖能力，如在橋墩周圍鋪設粗顆粒材料防護層或拋石，從而提高橋墩的防沖刷能力；減小水流沖刷的能量，通常采用擴大橋墩基礎平面或設護腳的方法，如在橋墩墩軸線下面設沉箱或基腳，可以起到防止沖刷的作用；橋墩設計時采用流線性橋墩，能有效降低墩周的大壓力場，從而防止三維邊界層分離而形成馬蹄形渦流，也可起到防止沖刷、保護橋墩的作用。

3．1．2 沖刷防護的方法

3.1.2.1 主動防護措施

實際中，絕大多數的工程單位采用的是主動防護措施，以求更好地應對河流所帶來的沖擊影響。目前主動防護的措施相對較多，包括制作護圈、制作環翼式橋墩等。

3.1.2.2 被動防護措施

區別于主動的方法，被動防護措施大多從被防護的對象入手，例如鋪設碎石等方法，以求達到防護河水沖擊的目的。隨著中國科學技術的不斷進步，目前的橋墩防護措施大多采用主動與被動相結合的共同防御措施。

四腳混凝土塊防護。在橋墩局部沖刷防護中采用四腳混凝土塊，四腳混凝土塊防護效果好，穩定性強。

混凝土鉸鏈排與混凝土模袋防護。混凝土鉸鏈排是把混凝土板塊用鉸鏈連接到一起對橋墩局部進行防護；混凝土模袋是將高強化纖材料編織成袋體以起到控制間距、抗沖刷的防護作用。

擴大橋墩基礎防護主要是通過擴大橋墩基礎從而達到降低水流的沖刷力。擴大橋墩基礎防護措施要求施工隊伍在完成橋梁施工前，在下部預先制作一個下部樁體，并在上空間預留一定的空間，以求擴大橋墩的防護措施面積。這樣不僅能夠更好地搭配其他的防護措施共同展開建設工作，還能有效杜絕馬蹄形漩渦的生成。但其作用經常受限于河床底下的泥沙，一旦泥沙存量發生變化，該防護裝置的穩定性也會受到一定的牽連。

擴大橋墩基礎防護按橋墩基礎頂面位置可分為三種情況：①擴大橋墩基礎頂面位于河床面之上，實際上，僅增加了橋墩直徑，在水沖刷后，沖刷面積會導致深度增加；②擴大橋墩基礎頂面位于沖刷坑內，擴大橋墩基礎的頂面削弱了部分向下水流和馬蹄形漩渦的沖刷力，橋墩周圍的沖刷坑深度減小，而當擴大橋墩基礎的頂面正好與河床床面處于同一高度時，減沖刷效果最佳；③擴大橋墩基礎頂面位于橋墩周圍最大沖刷坑深度之下，其防護作用消失。理論計算上存在防護作用，但當河床變動時其防護作用變化消失，甚至會起反作用，不利于工程建設。

拋石是目前被動橋墩防護措施中運用最為廣泛的一類，其優勢在于可以隨處取材，操作相對簡單。通過拋石運作能夠卷起河床內部的泥沙，對河流沖擊造成巨大阻力，同時凹凸不平的石塊也會造成水流速度的變化，最終起到防護作用，分為傳統拋石和拋石替代方法防護。傳統拋石防護，其防護范圍必須大于2倍橋墩寬度。雖然拋石方法操作便捷，但是卻需要大量石材或者石頭顆粒，并且能夠滿足實際需求的石材有限，因此需要替代拋石防護的方法。目前普遍采用混凝土鉸鏈防護，混凝土硬殼單元體防護和混凝土石籠防護代替拋石法，它們的防護機理都是阻擋下降水流帶來的沖刷以及降低前進水流攜走泥沙的能力。

3.2 加固措施

3．2．1 橋墩防護設施沖毀原因分析

鐵路部門一般采用鋼軌樁防護較多，這種方式可充分利用舊軌料，造價低，方便施工。2006年采用鋼軌樁圍護方式對橋墩進行加固，2006年加固橋墩資料如表1所示，2006年加固后橋墩技術資料如表2所示。但在2010年和2016年暴雨后橋墩相繼沖毀，均重新進行加固。

沖毀的原因主要是加固后增大了墩身截面，壓縮了流水斷面以及河床標高下降多，這都影響了局部沖刷深度的確定，再加上施工工藝原因，不能完全達到設計要求。幾次洪水過后，設備管理單位對相關橋墩測量顯示，沖刷深度均超出設計局部沖刷線。

表1 2006年加固橋墩資料表（單位：m）

表2 2006年加固后橋墩技術資料表（單位：m）

3．2．2 橋墩局部沖刷深度的計算

影響橋墩附近局部沖刷的因素眾多，如河水深度、水流速度及流向、河床的類型、干容重、粒徑及級配、橋墩的尺寸及形狀等。但是最主要的因素是橋墩的存在，壓縮了水流從而引起單寬流量的增加，這就導致局部沖刷的發生。現國內外均無純理論的公式，基本采用理論與經驗相結合的公式，對非黏性土河槽，在中國目前主要用65-1式、65-2式、65-1修正式及65-2修正式來計算橋墩局部沖刷，鐵路部門一般采用公式65-1修正式，公路部門一般采用公式65-2。

局部沖刷深度計算的相關研究資料表明：用公式65-2計算的結果最大，公式65-1修正式計算結果較小。如果單從工程的安全角度考慮，公式65-2的計算結果較為安全。

65-2式如下：

3．2．3 橋墩局部沖刷深度的確定

該河流為季節性河流，具有徑流形成快、流速大、河床沖刷嚴重的特點，其河床河岸組成物質抗沖性較差，主河槽變遷擺動較大。該處河床逐年下切，橋墩加固，增大了墩身尺寸，壓縮了河槽，在施工期間對墩身周邊的原土進行了擾動，加上施工工藝等因素，因此在考慮加固深度時應將這些因素充分考慮進去。結果表明，本處橋梁采取公式65-2計算局部沖刷深度更為合理。

根據工程實際情況，河床泥沙平均粒徑0.016 8 mm，系數E與汛期含砂量ρ有關，查表得0.46。河床面的平均高程基本在承臺頂面，由表1得37#墩位河床面標高為29.53 m。因此一般沖刷深度hp為4.18 m，由的關系圖可查出Kη2=0.89，查墩形系數及橋墩計算寬度表可得Kξ=1.17，B1=5.4 m。

同理計算38#、39#橋墩基礎的局部沖刷理論計算深度，并得到37#、38#和39#橋墩基礎的局部沖刷理論計算如表3所示。

表3 37#、38#和39#橋墩基礎的局部沖刷理論計算表

由表3可知，2006年第一次加固防護時37#橋墩的沖刷深度為8.46 m，局部沖刷線比鋼軌防護樁底低0.96 m，防護加固深度不夠，造成加固后被沖毀。38#橋墩的沖刷深度為8.35 m，局部沖刷線比鋼軌防護樁底低0.85 m，防護加固深度不夠，造成加固后被沖毀。39#橋墩的沖刷深度為8.26 m，局部沖刷線比鋼軌防護樁底低0.26 m，防護加固深度不夠，加固后被沖毀。

4 結束語

由于沖刷機理復雜，影響沖刷的因素較多，很難做到精確確定橋墩的沖刷深度，對已發生水害、需加固防護的橋梁，65-2式計算結果較為安全．還要結合實際情況合理選擇防護方法和對策，如此才能夠最大限度提升防護作用，確保橋墩的穩定性與整體性能。