格賓墊護面在橋墩沖刷防護中的設(shè)計及施工應用

暢瑞鋒

（洛陽水利工程局有限公司,河南 洛陽 471000）

0 引言

橋墩作為橋梁組成的主要部分，橋墩局部沖刷防護對橋梁的安全極為重要，是橋梁建設(shè)的前提和關(guān)鍵。主要防護方法包括加大基礎(chǔ)埋深、在橋墩基礎(chǔ)周圍鋪填塊石或柔性沉排，有些情況下可采用在橋墩固定剛性護圈的方法以減少沖刷。

格賓墊是將高延伸率的低碳鋼絲經(jīng)機器編制而成的雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)墊，在網(wǎng)墊內(nèi)填石構(gòu)成用于沖刷防護的結(jié)構(gòu)。當格賓墊的抗沖流速大于水流的沖刷流速時，格賓墊不會在水流的沖刷下發(fā)生位移，并且能夠適應河床基礎(chǔ)的不均勻沉降從而起到抑制沖刷發(fā)生、保護基層穩(wěn)定的作用。該文主要闡述如何運用格賓墊進行橋墩的局部防沖刷設(shè)計。

1 橋墩沖刷的機理

沖刷已成為造成橋梁病害的重要因素之一。橋梁基礎(chǔ)沖刷破壞往往在沒有預警的情況下突然發(fā)生，并且在洪水期很難被監(jiān)測到。總結(jié)橋墩基礎(chǔ)沖刷機理，對研究橋墩防護的新方案是非常重要的。橋墩處沖刷主要考慮以下三個因素：

（1）河床破壞：由于自然或人為原因造成的河床長期高程變化。

（2）在橋墩處的斷面收縮，過流斷面的減小，河床處流速的增加，下泄流量的增加。

（3）橋墩沖刷的主要原因是當水流通過橋墩弧形面時加速，造成平頭墩的側(cè)翼形成高速水流。在水流接近橋墩處形成靜止面，在沿橋墩的靜止面形成垂直壓力梯度。此壓力梯度導致橋墩前沿產(chǎn)生下向水流。凹槽和下向水流的共同作用使橋墩前沿形成沖坑。下向水流在沖刷坑底部分散并形成螺旋水流通過橋墩并與底部旋滾水流共同作用，形成所謂的馬蹄形旋渦（見圖1）。

圖1 橋墩局部沖刷

2 設(shè)計方法

采用格賓墊作為橋墩沖刷防護方案主要包括：1）格賓墊厚度的選取；2）格賓墊防沖刷的平面布置；3）格賓墊防沖刷的空間布置。

2.1 格賓墊厚度的選取

橋墩附近的水力條件比上游的條件更為復雜。因此，橋墩的設(shè)計公式中應使用局部速度及剪切應力。美國交通運輸研究會在NCHRP報告593[1]對橋墩局部位置的流速提出由截面平均速度V乘以橋墩線性系數(shù)和通道位置系數(shù)：

式中，Vdes——橋墩局部位置的流速（m/s）；

k1——流線型橋墩輪廓線型系數(shù)為1.5，非流線型橋墩輪廓線型系數(shù)取1.7；

k2——水流流道位置修改系數(shù)，從橋墩靠近河岸到位于急轉(zhuǎn)彎的主河流處，系數(shù)范圍連續(xù)，取值在0.9～1.7之間；

V——靠近橋墩上游平均速度（m/s）。

如果有可用的速度分布圖，那么只需使用橋墩輪廓線型系數(shù)來確定設(shè)計速度。推薦使用過水最頻繁的水道的最大流速，因為流道是可以移動的，任何橋墩都可能受到最大流速的水流沖刷：

橋墩的局部剪切應力τdes，使用曼寧推導公式進行計算。

式中，τdes——橋墩底部的設(shè)計剪切應力（N/m2）；

rw——水的單位容重（N/m3）；

y——橋墩處水深（m）；

n——格賓墊的曼寧糙率（s/m1/3）；

Vdes——橋墩局部位置的流速（m/s）。

通過設(shè)計的剪切應力τdes與表1中不同格賓墊的容許剪切應力τadm

表1 不同厚度下格賓墊的允許剪切應力值

[2]比值，從而確定格賓墊厚度。水力穩(wěn)定性可以用安全系數(shù)法來評定：對于橋梁抗沖刷的應用，推薦的最小安全系數(shù)是1.5。

根據(jù)NCHRP報告24-07[3]中的小尺寸模型試驗研究結(jié)果可得出格賓墊作為橋墩抗沖刷材料的最佳性能方案。

2.2 格賓墊防沖刷的平面布置

2.2.1 水流平行橋墩軸線方向

水流平行橋墩軸線方向時，在橋墩周圍所有的方向，格賓墊鋪設(shè)范圍至少兩倍橋墩寬度的格賓墊進行防護（見圖2）。

圖2 格賓墊在橋墩防沖刷應用中的布置

2.2.2 水流向橋墩軸線方向傾斜的情況

在水流向橋墩軸線方向傾斜時，防護的橫向范圍應以傾斜造成的額外沖刷成比例增加。雖然在橋墩防沖刷應用中沒有明確地指出，但是建議防護范圍應該乘以一個比例因子Ka，這是一個橋墩（或樁排架）寬度（A）和長度（L）的函數(shù)和斜交角度，如下（見圖3）：

圖3 水流傾斜情況下，格賓墊在橋墩防沖刷應用中的布置

2.3 格賓墊防沖刷的空間布置

當橋墩只存在局部沖刷存在的情況，格賓墊可以水平放置，格賓墊的頂部與河床高程齊平（見圖4）。當其他類型的沖刷出現(xiàn)時，格賓墊必須在所有方位，沿遠離橋墩方向上傾斜，這樣系統(tǒng)在外圍的埋深要大于最大沖刷深度。平衡時的沖刷深度是指在經(jīng)過長時間的沖刷，最終會形成一個平衡狀態(tài)時的沖刷深度。沖刷深度的計算可以參考Lacey-Inglis計算方法。

圖4 局部沖刷防護布置圖

圖5 其他結(jié)構(gòu)沖刷防護布置

松散無黏性砂土材料在沖刷平衡時的沖刷深度依照Lacey-Inglis[4]使用以下公式估算。

式中，Q——流量（m3/s）；

DLQ——沖刷深度（m）；

fLacey為泥沙系數(shù)（mm），與河床材料的平均粒徑有關(guān)，如下所示：

在IRC-78[5]規(guī)范中建議使用Lacey-Inglis方法來估計礫石土河床的沖刷深度，其中q為單寬流量，單位m3/（s·m）。在這種情況下，一般泥沙系數(shù)f取值24。

3 材料要求

格賓墊的抗沖能力主要由兩方面因素所提供：格賓墊內(nèi)部填石自身的抗沖能力以及鋼絲網(wǎng)箱所能提供的限制石料位移的能力。然而在實際工程設(shè)計中，通常不會將這兩方面因素分開考慮，而是將整個格賓墊防護體系視作一個整體進行考慮，綜合考慮系統(tǒng)的抗沖能力和格賓墊防護的厚度、石料粒徑大小以及格賓墊自身的力學性能。

3.1 格賓墊材料質(zhì)量要求

在橋墩沖刷防護中，水中推移質(zhì)在紊流作用下對防護結(jié)構(gòu)的沖刷是非常嚴重的。依據(jù)《工程用機編鋼絲網(wǎng)及組合體》（YB/T 4190—2018）規(guī)范的要求，如應用工況涉水或常遭受磨蝕，應采用有機涂層防腐鋼絲制成，同時結(jié)合筆者多年應用經(jīng)驗認為可將格賓墊質(zhì)量控制分為抗沖性能和耐久性能兩個方面，詳見表2橋墩防護用格賓墊材料質(zhì)量控制要求。

表2 橋墩防護用格賓墊材料質(zhì)量控制要求

3.2 填充石料要求

填充物采用卵石、片石或塊石，格賓墊要求石料粒徑大于2倍網(wǎng)面網(wǎng)孔大小為宜，空隙率不超過30%，要求石料質(zhì)地堅硬，強度等級MU30，比重不小于2.5 t/m3，遇水不易崩解和水解，抗風化。薄片、條狀等形狀的石料不宜采用，風化巖石、泥巖等亦不得用作充填石料。

4 安裝注意事項

在格賓墊的工程應用中，施工工藝和質(zhì)量尤為重要，不規(guī)范的施工往往影響最終的工程效果，令實際與設(shè)計發(fā)生偏差。注意事項如下：

（1）格賓墊不應安裝在陡于1∶2的斜坡上。在某些情況下，這個標準可能會導致鋪設(shè)范圍超過2倍橋墩寬度。格賓墊底部通常須設(shè)置土工布或級配碎石作為反濾層。反濾層長度不應過長，長度為橋墩到格賓墊邊緣的2/3處。

（2）格賓墊應該放在反濾層上進行裝配，避免鋼絲扭結(jié)或彎曲。格賓墊長尺寸方向與水流平行，并且內(nèi)隔板垂直于水流方向。

（3）裝填前，相鄰的格賓墊應使用有效的聯(lián)結(jié)方式沿垂直邊緣和頂部邊緣進行聯(lián)結(jié)。

（4）安裝過程中應小心，以免在安裝過程中破壞土工布或碎石反濾層。

（5）格賓墊一旦擺放在土工布上，就不能側(cè)向推拉。格賓墊的放置和填充應優(yōu)先從上游開始，然后順流進行。坡路段在實際情況中，邊坡防護應從坡腳往坡頂開始安裝和填充。

5 結(jié)束語

由于橋梁基礎(chǔ)沖刷是不可避免的，適宜的沖刷防護措施在減小橋梁基礎(chǔ)周圍沖刷坑深度、提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性等方面效果顯著，國內(nèi)外學者對橋墩臺基礎(chǔ)沖刷防護措施做了大量的研究。該文重點介紹了格賓墊這種在國外成熟運用的柔性防護形式和設(shè)計原理，可以為我國橋墩沖刷防護提供一種較好的新方案。