橋墩局部沖刷機理研究進展綜述

產華東，魏松，張英杰，龍慶，焦浩然 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

作為交通運輸線中的重要組成部分，橋梁的建設在不斷改善著人民的生活，但同時地震、洪水、設計施工和基礎防護不力等因素都易造成橋梁的失穩破壞，從而帶來嚴重的損失。英國工程師D.W.Smith[1]對在 1847～1975 年間發生的143起橋梁事故原因進行統計分析，發現約50%的橋梁破壞是由洪水沖刷引起的；易仁彥[2]統計分析了我國21世紀以來15年間發生的179起橋梁破壞事故發生原因，發現有約32%是由洪水沖刷引起的。由此可以證明，洪水沖刷是導致橋梁破壞的主要原因之一。而多年的實際工程經驗證明，局部沖刷是造成橋梁水毀的最主要因素。

因此，本文針對橋墩局部沖刷的研究進展進行了綜述，主要包括有局部沖刷墩周水流結構、沖刷坑演變過程和影響因素3個方面，并通過總結現有研究存在問題，闡述發展趨勢。

1 橋墩周圍水流結構研究

橋下水流受到橋墩的阻礙和壓縮作用，使得墩周水流結構發生急劇變化，目前國內外學者們對于墩周水流結構的研究普遍認為橋墩水流結構主要包括墩前下降水流、墩周馬蹄形漩渦、墩側邊界分離層和墩后尾渦4個部分。Dargahi[3]在試驗中采用氫氣泡流動顯示技術和熱膜測量的方法對圓柱體周圍的流場進行了測量，發現在圓柱上游的水流特征主要是三維邊界層的分離，在柱體兩側分離區域內形成準周期性脫落的馬蹄形漩渦，且渦的數量與雷諾數相關。嚴建科[4]在室內水槽試驗中測量了墩周各測點流速，試驗結果表明橋墩擠壓水流形成繞流，邊界層分離從而在墩兩側產生兩個反向旋轉的對稱漩渦，接著渦漩拉長并逐漸脫離橋墩從而被主流帶向下游。而凌建明[5]和王慶珍[6]應用流場分析軟件FLUENT和VOF模型對局部沖刷時單圓柱橋墩附近流場進行模擬，結果表明上游來流一部分遇橋墩阻礙流速減到最小，另一部分繞流在墩兩側流速達到最大后出現邊界層分離，之后在墩后方形成尾流漩渦，模擬結果與試驗結果較為吻合。

關于引起橋墩局部沖刷的原因，眾多研究成果表明只要為以下三種：①墩前下降水流的沖擊；②橋墩漩渦體系的作用；③橋墩對橋下水流的壓縮作用。Kwan[7]研究認為橋墩局部沖刷是由墩前下降水流和馬蹄形漩渦共同作用導致的；Dargahi[3]通過試驗研究沖刷坑的發展過程發現馬蹄形漩渦、墩兩側的集中加速水流和下游的尾流漩渦是引起局部沖刷的主要原因；張顯輝[8]則認為是由于橋墩對水流的壓縮作用使得墩前下降水流和墩側水流加速區的形成，而此兩者的共同作用導致了馬蹄形漩渦的形成，三者之間相互作用共同影響。

2 局部沖刷坑演變過程研究

當橋墩阻擋水流時，橋墩周圍復雜的三維水流結構會導致墩周產生局部沖刷坑，對于橋墩局部沖刷坑演變過程的研究，趙凱[9]和向琪芪[10]也將沖刷坑的演變過程分為三個階段：①起始階段，沖刷坑發展迅速，其最大深度能達到最大平衡沖深的四分之三；②發展階段，沖刷坑范圍和深度仍在不斷增大，但發展趨勢較起始階段有所減緩；③平衡階段，沖刷坑發展極其緩慢，可認為沖刷坑幾乎不再發展，達到平衡狀態。

在國外，學者們對于局部沖刷演變的研究大多集中于沖刷深度隨時間發展的計算預測的研究。Kothyari[11]通過室內試驗研究了圓柱橋墩在均勻、非均勻和分層泥沙條件下局部沖刷深度隨時間變化的規律。Melville和Chiew[12]開展了室內清水沖刷試驗，研究了單圓柱橋墩在均勻沙河床中局部沖刷坑深度隨時間的變化情況，基于實驗數據提出了局部沖刷深度隨時間發展的預測計算公式；Oliveto和Hager[13-14]研究了清水條件下橋墩、橋臺局部沖刷深度在均勻沙和非均勻沙河床中的時間演化，建立了沖刷深度時間演變方程，并利用已有的文獻進行了公式驗證，之后又將該公式引入到丁壩的局部沖刷中。Lanca[15]開展了室內沖刷試驗，研究了泥沙粗度（墩寬與泥沙中值粒徑的比值）對平衡沖刷深度的影響，建立了局部沖深時間演變公式。

在國內，對于局部沖刷沖深隨時間的演變計算的研究較少，較多的是對沖刷坑演變過程的定性研究。肖洋[16]利用超聲波地形儀對清水沖刷試驗中的墩周地形進行測量，該方法能夠進行水下實時非接觸動態測量，提高了結果的準確性，試驗發現墩側和墩前首先出現沖刷，之后墩后才逐漸發生沖刷，且墩前、墩側沖刷坑較深。齊梅蘭[17]則利用三維紊流和考慮懸移質和推移質運動的數值模擬技術研究了圓柱橋墩清水沖刷和動床沖刷下的沖刷坑演變過程中泥沙輸運特征，研究發現懸移質和推移質輸沙率在沖刷初期最大，且隨著沖刷坑的發展而迅速減小。

3 局部沖刷影響因素研究

影響橋墩局部沖刷的因素眾多，目前關于影響因素的研究主要歸結為三大類：水流因素、泥沙因素和橋墩因素。

3.1 水流因素

橋墩局部沖刷中的行近流速是指橋墩上游來流斷面的平均流速。當上游行近流速小于泥沙起動流速時，此時橋墩局部沖刷坑無上游來沙補給，稱之為清水沖刷；當行近流速大于泥沙啟動流速時，沖刷坑能夠得到來沙補給，此時稱之為動床沖刷。針對行近流速對橋墩局部沖刷的影響，學者們開展了眾多的試驗研究。“在清水沖刷條件下，局部沖刷的深度隨行近流速的增大呈直線增長”的趨勢的觀點是目前國內外學者普遍認同的，而在動床沖刷條件下，研究者們卻持有不同的觀點。Dongol[18]認為在動床沖刷階段，由于有上游來沙的補給，沖深隨行近流速的增大反而減小，在減小至最小值時會會再次增大至另一個峰值；王順意[27]通過模型試驗研究動床條件下不同行近流速對沖刷坑深度和范圍的影響，結果表明隨著流速的增大，沖刷坑最大深度和范圍也相應增大。

關于行近水深對橋墩局部沖刷的影響，目前研究者們仍存在一定的爭議性，還沒有統一的定論。王順意[19]和Raudkiv[20]的試驗研究表明局部沖刷最大深度隨行近水深的增大而增大；Dey[21]認為：當行近水深較小時，局部沖刷最大深度隨行近水深的增大而顯著增大，但當行近水深增加至某一較大值后，最大深度與行近水深無關。

3.2 泥沙因素

關于泥沙粒徑與橋墩局部沖刷的關系，目前還未有統一定論。Santos[22]等部分學者認為泥沙粒徑大小對橋墩局部沖刷最大深度沒有影響，而Gill[23]等學者則認為橋墩最大沖深與粒徑大小存在相關性。Laursen[24]研究認為：床沙粒徑在清水沖刷下對橋墩最大平衡沖深有影響，而在動床沖刷下對最大沖深無影響，這是由于在動床條件下沖刷處于平衡狀態時，上游來沙補給量與沖刷坑內被沖走泥沙量相等，而粒徑大小對沖刷平衡無影響。趙凱[9]采用3種不同粒徑的床沙進行試驗，結果表明粒徑越小，泥沙越易起動，沖刷坑深度也越大，但當粒徑小到一定程度時，由于泥沙間的粘性開始發揮作用，使得沖刷坑深度反而較小。

3.3 橋墩因素

研究表明，橋墩因素如墩長、墩寬（或直徑）是研究橋墩局部沖刷的一個重要影響因素。韓敏[25]在沖刷試驗中改變圓柱橋墩直徑，結果表明在流量一定的情況下，直徑越大其沖刷坑范圍也就越大。在清水沖刷條件下，最大沖刷坑深度隨橋墩直徑的增大呈先增大后減小的趨勢，而在動床沖刷條件下沖刷坑最大深度隨直徑的增大而增大；贠鵬[26]利用FLOW-3D軟件對不同直徑橋墩進行數值模擬，模擬結果亦表明在動床條件下沖刷坑深度隨直徑的增大而增大，且隨著直徑的增大其增長速率逐漸減小。

4 結語

本文全面闡述了局部沖刷墩周水流結構和流場作用機理，介紹了沖刷坑演變過程和沖刷深度隨時間的演化計算研究，并從水流、床沙和橋墩3個方面對橋墩局部沖刷的主要影響因素進行了歸納總結。

目前關于局部沖刷的研究已獲得了一定發展，但由于沖刷機理的復雜性和因素的多樣性，使得現有研究中仍存在些許不足，并結合問題提出以下幾點建議：

①橋墩的阻水作用引起墩周水流的急劇變化，從而造成局部沖刷坑的形成，對于在不同水流條件下的墩周流場作用機理還有待進一步研究；

②目前對于單墩局部沖刷的研究較為成熟，而在實際工程中多是雙排墩、三排墩、群樁或是其他復雜結構物，因此對于不同類型結構物局部沖刷的研究也是今后的研究重點；

③隨著橋梁的建設在逐步向山區、海洋發展，因而今后遇到的潮汐、波浪和泥石流等因素對局部沖刷的作用也是未來的研究發展趨勢。