橋梁墩柱磨蝕機理與評價方法研究

李亞彬

摘要：基于混凝土材料在含沙水流下的磨蝕機理，分析了橋梁墩柱在含沙水流環境中工作時可能遭遇的磨蝕形式。總結了水力條件、泥沙特性、混凝土性能對墩柱磨蝕的影響，并解釋了其中各自因素對墩柱磨蝕的具體貢獻，指出了橋梁墩柱磨蝕的防治措施。基于國內外關于混凝土磨蝕的實驗與評定方法，分析了國內外規范規定的方法在評定橋梁墩柱磨蝕性能的可行性與局限性，描述了橋梁墩柱抗磨蝕評定進一步研究的可能性。本研究對于橋梁墩柱含沙水流作用下磨蝕的研究，具有一定的參考與借鑒意義。

關鍵詞：橋梁工程;墩柱;磨蝕;評定方法

中圖分類號：U445.73??????????? 文獻標志碼：A

0引言

我國幅員遼闊，地理環境多樣性豐富，氣候與水文條件復雜多變。據統計，我國河流流域面積廣闊，流量占世界總量的1/4，受河流發源地及沿途地理條件的影響，河流在運動過程中會攜帶大量泥沙。相關統計數據表明[1]，我國境內年最高含沙量超高1000萬t 的河流超過60條，年平均含沙量達到1000萬t的約有40條。其中以流經黃土高原的黃河輸沙量最大，達到37.5 kg/m3。隨著國家科學技術和交通運輸業的發展，對于基礎建設的需求越發龐大，在河流、海洋中修建的橋梁等水工建筑物的數量與體量也日漸增加。橋址所屬區域的含沙水流會對橋梁墩柱產生沖刷和磨蝕作用，長此以往會導致墩柱有效承載面積減小，甚至引起鋼筋銹蝕，嚴重損害橋梁結構的耐久性與使用壽命。

有研究表明[2-3]，橋梁服役前30年發生破壞，超過一半都是橋梁墩柱受磨損引起的。研究橋梁墩柱磨蝕機理并采取有效的防護措施，不僅能減少管養維護成本，還能有效提高橋梁耐久性與使用壽命。因此，國內外學者基于磨蝕發生的環境與條件、材料本身特性等方面開展了一系列相關研究[4]。尹延國[4-8]等人的研究表明，混凝土的沖蝕磨損量隨射流速度和沖蝕角度的增大而增大，且混凝土的組分和性能對其抗磨蝕性能影響較大。何真等人對海工混凝土抗磨蝕性能的研究表明，其他環境因素與混凝土沖蝕的耦合作用會加速海工混凝土的磨損，且海工混凝土的抗磨蝕性能與材料自身磨蝕時的沖磨速率成反比，海工混凝土中摻入一定摻量的聚丙烯纖維對其抗磨損性能有明顯改善效果。X.G Hu a[9-10]等人研究了沖蝕角度與泥沙特性對不同混凝土磨蝕性能的影響，結果表明鋼纖維混凝土與普通混凝土的沖蝕率均隨水流中含沙量的增加近似呈線性關系增加，混凝土材料的低攻角磨蝕作用主要是切削作用，而高攻角磨蝕以表面裂紋和脆性斷裂為主。

國內外專家學者的研究，均表明以混凝土為主要材料的橋梁墩柱受含沙水流的磨蝕作用較為嚴重，且水流特性、磨蝕條件、混凝土材料等因素對墩柱的沖蝕磨損均有不同程度的影響。因此，本論述基于以往的研究，總結了混凝土墩柱在含沙水流中的沖蝕磨損機理及其影響因素，并總結了對應的防治措施和評價方法，以期描述混凝土墩柱的抗磨蝕性能，為提高混凝土墩柱耐久性和使用壽命提供借鑒。

1橋梁墩柱磨蝕機理及影響因素

1.1墩柱磨蝕機理

一般而言，混凝土材料的磨蝕是磨損與空蝕聯合作用的結果。從廣義上來說，只要兩個物體以這樣或那樣的形式相互接觸，且物體因這種接觸而導致了自身材料的損失，都可以稱為磨損。而空蝕則是混凝土材料位于高速水流中時普遍存在的一種損傷現象，材料在宏觀上反映為表面一定規模的蜂窩現象或者針孔狀的脫落，目前國內外常用空炮潰滅壓力沖擊理論、沖擊波理論、微射流沖擊理論等描述材料的空蝕現象[11]。因此，橋梁墩柱在含沙水流環境下工作時，有可能遭受磨損與空蝕的聯合作用。工作環境不同，兩種破壞作用的貢獻及破壞形式會有所差異[12]。

磨損破壞通常具有幾個明顯的特征[13-14]。首先，空蝕破壞范圍從幾厘米到幾米不等，破壞通常表現為結構表面深淺不一的剝蝕坑，但其他部位保存相對較好;其次，磨損破壞一般表現出較強的連續性，且發生面積一般比較大，破壞表現會隨著磨損介質的不同而有所區別;再次，兩種破壞發生后參與的混凝土通常不會立刻喪失承載能力，比較堅硬，且磨損破壞在特定條件下有可能會誘發空蝕破壞;此外，當結構經歷凍融循環與空蝕和磨損破壞時，其破壞程度往往會比較嚴重;最后，磨損與空蝕破壞一旦發展到一定程度，都有可能誘發結構表面嚴重的水力沖刷破壞。

1.2墩柱磨蝕影響因素

1.2.1水力條件

現有研究認為，水流速度是影響混凝土墩柱磨蝕量的關鍵性因素之一[15]。究其原因，墩柱的磨損程度在大多數情況下取決于水流內部沙、石的動能，而沙石動能的直接能量來源便是水流流動過程中產生的動能。水中任意時刻沙、石的含量及運動形態都不相同，直接導致了含沙水流對墩柱磨蝕的隨機性和磨蝕損傷形態的多樣性。而在水流流動過程中，水流的啟動速度則是水流和沙、石運動并對墩柱產生磨蝕的前提， Egiazaroff等人提出了均勻沙啟動運移公式[15]，如式（1）所示。

根據式（1）只要知道水中沙、石的材料特征值，便可以計算得出顆粒的啟動速度與其自身顆粒粒徑之間的定量和定性關系。

此外，水流流態和水流摻氣也是影響墩柱磨蝕性能的水利條件[23-26]。在橋梁墩柱磨蝕過程中，水流流態對磨蝕形貌的局部變化影響較大，究其原因，較為惡劣的水流流態往往會導致水中產生一定量的漩渦，這些漩渦與水流的主流相互疊加會使水流流體的局部位置出現明顯的流速增大，進而加速橋梁墩柱的磨蝕進程，造成局部磨蝕嚴重。已有研究表明，水流摻氣對混凝土材料的磨蝕具有較為明顯的改善效果。河海大學王世夏教授[16]通過基于黃河小浪底水利樞紐明流泄洪洞渾水模型，采用實驗的方式研究了水流摻氣對水工建筑物磨蝕的影響，研究結果表明，對于通過水工建筑物的含沙水流，采用一定的人工摻氣措施如設置挑坎等，可以對含沙水流實現有效地摻氣，進而減緩含沙水流對水工結構的磨蝕，并有利于結構邊壁材料的抗磨蝕性能。結合實驗研究，提出了估計水工結構在含沙水流中的磨蝕經驗公式，如式（3）所示：EEE0413E-F716-4577-8DF3-F939F98C5418

W =0.021348ρs?????????????????????????????????? （3）

式中，W ——含沙水流作用下水工結構的磨蝕率;

S0——無因次的含沙量，對應于含沙水流中的沙含量與泥沙顆粒密度的比值;

C ——采取措施后含沙水流的平均摻氣濃度;ρs ——含沙水流的密度。

依據式（3）可大致估算采取人工摻氣措施后水工建筑物在含沙水流作用下的磨蝕率，以評定人工摻氣措施對橋梁墩柱抗磨蝕性能的貢獻。

1.2.2泥沙特性

水流中的含沙量、泥沙粒徑、顆粒形狀、不同粒徑與顆粒形狀的比重、泥沙中硬礦物含量等泥沙特性對橋梁墩柱的磨蝕也有較大影響[25，27]。就水流含沙量對水工結構的磨蝕影響而言，不同學者對其持有不同意見。如程則久[17]的研究結果表明，水流中泥沙含量較低時，含沙量增加對磨損和空蝕的聯合作用有促進效果，隨著含沙量逐漸增加達到某一臨界值，水流含沙量的增加會制約含沙水流對結構的磨蝕，這一臨界值稱為臨界含沙量，不同地質條件與結構物對應的臨界含沙量并不相同。也有學者的研究結果表明[18]，水工結構物的磨蝕率隨著水流含沙量的增加而不斷增大，含沙量越高，磨蝕程度越嚴重，并不存在明顯的峰值。

已有的關于泥沙顆粒粒徑對水工結構磨蝕的研究表明[19]，由于水中泥沙粒徑的隨機性和多樣性，無法用統一的指標反映泥沙粒徑對結構的磨蝕影響，如圖1所示。

圖1表明，不同材質的磨損率對于粒徑的反映并不相同，呈現平行移動且存在交錯現象，使用單一的指標反映會存在較大誤差。此外，有研究表明[20]，不同顆粒形狀對材料的磨損能力并不相同，常見的泥沙顆粒形狀包括圓球形、棱角形、尖角形等，其三者對材料的磨損能力比為1∶2∶3，表明顆粒形狀越尖銳，對結構的磨損能力越強。一般認為，水流泥沙中含有的硬礦物成份越高，礦物硬度越大，含沙水流對水工結構物的磨損越嚴重。

1.2.3混凝土性能

已有的研究表明[15]，混凝土強度的不斷提高，并不能無限增強混凝土材料自身的抗磨蝕能力。如圖2所示，為混凝土抗磨蝕能力與抗壓強度的變化規律。

圖2的結果表明，混凝土材料中摻加硅灰且水膠比在0.38以下時，混凝土（Scree）自身強度隨水膠比的上升快速降低，但混凝土的抗磨蝕能力變化不大，當水膠比大于0.38時，混凝土抗磨蝕能力顯著降低，抗壓強度變化不大。而當混凝土中摻入堅硬材料（Irone ore）以及選擇堅硬粗骨料（Granite）時，混凝土材料的抗磨蝕能力得以顯著提高[15]。

1.3墩柱磨蝕防治措施

通過對磨蝕機理和影響因素的研究，橋梁墩柱磨蝕的防治可以從以下四個方面入手[20]。首先，優化設計，設計過程中加強水土保持方面的考慮，優化樞紐部位和過流構造設計，并在墩柱易磨損地區設置必要的排沙與沉沙設施，降低水流中的含沙量，采用新型的消能與摻氣措施，降低含沙水流對墩柱的磨蝕率，優化混凝土材料配合比設計;其次，細化施工與制造過程，保證施工質量，改善墩柱部位過流面的粗糙度，提高磨蝕部位抗磨蝕材料的制造與施工工藝;此外，橋梁結構運營過程中加強墩柱部位的運營管理，并采取諸如分流、加強監管、實時維護等措施改善運營條件;最后，進一步深化關于墩柱磨蝕機理、墩柱過流面水力性能、以及新型高效抗磨蝕材料等方面的研究，結合理論研究與工程實際，從機理上防治橋梁墩柱的磨蝕。

2橋梁墩柱抗磨蝕性能評價方法

2.1國外評定方法

由于國內外關于混凝土磨蝕實驗研究基于不同的設計工況，因此目前學術界并未出現關于混凝土磨蝕評價的統一標準[21]。本論述中總結了國內外常見的混凝土抗磨蝕性能評價方法，以期為橋梁墩柱的磨蝕提供借鑒和參考。較早提出混凝土抗磨蝕性能評定方法的是美國ASTM C1138標準規定的水下鋼球實驗方法[21]，用以模擬固體顆粒物諸如泥沙、石子、礫石等在水流運移作用下對水工建筑物的沖刷磨蝕行為。但實際工程中流經混凝土墩柱的水流流速往往超過了規范所規定的試件表面的流速最大值，且水下鋼球法標準的實驗過程中所采用的固體顆粒物為表面光滑的圓形鋼球，無法準確模擬實際工程中水中攜帶顆粒物的隨機性。因此，水下鋼球法在模擬和評定大粒徑推移質沖磨方面有較強的局限性[22]，在高流速磨蝕的評定與模擬方面也有較大誤差。

2.2國內評定方法

我國《水工混凝土實驗規程》（DL/T 5150-2001）和《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規范》（DL/T 5207-2005）基于ASTM C1138的水下鋼球法[21]，也提出了相應的混凝土磨蝕性能實驗方法。規范中實驗試件為?300 mm×100 mm 圓模試件，實驗時通過攪拌槳的轉動，致使水流產生動能帶動鋼球運移，進而使混凝土表面產生不同程度的磨損。實驗過程中試件表面的最大水流流速為1.5～1.8 m/s，實驗用鋼球的最大跳躍高度為80 mm。與ASTM C1138中類似，該方法不能模擬水流中砂石的隨機性以及高速水流對墩柱的磨蝕作用。此外，采用混凝土沖刷儀對外圓錐形的圓環試件進行磨蝕實驗的圓環法也列入了上述規范的實驗規程中。雖然圓環法考慮了流速與磨蝕介質類型對混凝土磨損的影響，對于較高流速的磨蝕情況仍然存在一定的障礙。我國于20世紀末開發的“風砂槍”實驗方法[21]，盡管解決了流速的問題，但是在磨蝕介質和實驗效率方面局限性較大。EEE0413E-F716-4577-8DF3-F939F98C5418

綜上，利用現有關于混凝土磨蝕性能的實驗方法和評價橋梁墩柱的抗磨蝕性能時，在高速水流的模擬與水流攜沙隨機性實現方面尚有待改進。后續的研究，可以基于橋梁墩柱過流面水力流態的分析與測定，結合實測的水流中泥沙特性分析，優化磨蝕介質粒徑與配比設計，制定適用于橋梁墩柱在含沙水流作用下的抗磨蝕性能測定實驗方法與評定體系。

3結束語

本論述基于混凝土材料在含沙水流下的磨蝕機理，得出橋梁墩柱在含沙水流環境中工作時可能遭遇的磨蝕形式包括磨損、空蝕、以及二者的聯合作用。分析了墩柱磨蝕的影響因素，包括水流速度、流態、水流摻氣等水力條件，含沙量、泥沙粒徑、顆料形狀、不同粒徑與顆粒形狀的比重、泥沙中硬礦物含量等泥沙特性，以及混凝土性能等，闡述了其中各自因素對墩柱磨蝕的具體貢獻，指出應該從優化設計、細化施工與制造過程、強化運營管理、深化相關研究等四個方面進行橋梁墩柱磨蝕的防治。最后總結了國內外關于混凝土磨蝕的實驗與評定方法，發現國內外規范規定的方法在高速水流的模擬與水流攜沙隨機性實現方面尚有待改進。

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