考慮橋墩尺寸與墩型因素的橋梁基礎局部沖刷研究綜述

方睿智，魏松，段海澎,2

（1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

橋梁失效的一個常見原因是橋墩和橋臺等橋梁基礎構件周圍產生局部沖刷，局部沖刷是由于橋墩暴露于水流之中，致使河道過水斷面減小，流速加大，同時引起墩周水流結構發生劇烈變化，從而導致墩周泥沙輸移能力的增加，并最終破壞了橋梁基礎周圍土壤，降低了橋梁的整體穩定性和抗傾覆能力。

橋梁基礎局部沖刷亦是水利工程中最重要的問題之一。準確預估橋墩最大沖刷深度是橋梁結構設計中至關重要的一部分，橋墩局部沖刷深度的準確預測不僅可以真實反映橋墩周圍水流的潛在破壞程度，而且對橋墩尺寸和墩型等主要參數的確定起到決定性作用。根據工程實際情況合理采用橋墩形式，可以有效降低局部沖刷破壞程度，使得橋梁在設計年限得以安全運行。因此，考慮橋墩尺寸與墩型因素的橋梁基礎局部沖刷的研究具有重要意義。

2 國外研究現狀

橋墩參數主要包括墩型和橫截面尺寸，準確來說，橋墩的迎水面形狀、橋墩橫截面長度和寬度對局部沖刷墩周水流結構會造成較大的影響。這些參數也是墩周渦系產生和水流強度變化的重要因素之一，參數中的每一個變量都會影響局部沖刷的各項指標。近些年來橋墩參數對橋梁基礎局部沖刷的影響已受到多位研究者關注。

Shukri[1]探究了不同直徑的圓柱形橋墩周圍的局部沖刷深度，得出以下結論：在相同泥沙粒徑的條件下，增大橋墩直徑會加劇局部沖刷破壞程度；此外，減小泥沙的平均粒徑也會增大最大沖刷深度。Chiew[2]研究了圓柱形橋墩周圍的局部沖刷，結果表明，通過增加橋墩直徑與河床泥沙平均粒徑的無量綱比，最大沖刷深度將以線性方式增加至相應閾值，而后最大沖刷深度值與該比值無關。根據Dietz[3]的試驗結果，可以看出圓柱形橋墩墩周的沖刷深度隨著墩徑增大而增大，他還以圓柱形橋墩為參考，對比研究了各墩型橋墩在不同水流沖擊角下墩周的沖刷深度，最后發現圓柱形橋墩局部沖刷深度不受水流與橋墩的沖擊角影響。而對于雙排組合橋墩，Ismail 等人[4]研究了雙排串列布置的圓柱形橋墩周圍的局部沖刷情況，結果表明，增大橋墩直徑會相應增加沖刷深度，隨著兩墩間距的減小，橋墩周圍的沖刷深度也會增加。

盡管學者們對圓柱形橋墩局部沖刷進行了大量的研究且成果豐碩，然而，在工程實際中，除了以圓柱形橋墩，矩形橋墩也是常見墩型。在針對矩形橋墩局部沖刷的研究中，Danesh[5]等分析了矩形橋墩周圍沖刷坑的各項數值，如沖刷坑的深度、表面積和體積，并將矩形橋墩的長寬相應增加，發現其對沖刷坑各項數值均有所增大。Mashahir 等人[6]改變矩形橋墩長度，探究橋墩長度與固定護圈防護效果間的關系，結果表明，增大橋墩長度會降低護圈的減沖效果，此外，增大矩形橋墩的傾斜角度會增加橋墩周圍的沖刷深度，降低護圈防護效果。Fael[7]將橋墩形狀系數Ks定義為特定水平橫截面形狀橋墩的最大沖刷深度與標準橫截面形狀橋墩的最大沖刷深度之比。圓端形和橢圓形橋墩Ks=1，而矩形橋墩Ks=1.2。在與圓柱形橋墩局部沖刷特性的對比研究中，Chaudhuri 和Debnath[8]探究了圓柱形和方形橋墩局部沖刷過程，得出以下結論：圓柱形橋墩的沖刷機理表明，沖刷從橋墩側面開始；而在方形橋墩上，沖刷從上游迎水面的拐角開始，延伸至橋墩下游端。Aghaee-Shalmani和Hakimzadeh[9]對比了圓柱形橋墩和不同坡度的圓錐形橋墩的沖刷深度，結果表明坡度達到15°的圓錐形橋墩，其上下游沖刷深度分別比圓柱形橋墩減小約36%和53%。Rashid[10]采用圓柱形橋墩與其他5 種不同形狀的橋墩進行綜合對比時發現，與其他形狀橋墩相比，八角形橋墩在減少沖刷方面具有更加令人滿意的效果。Shukur 和Obeid[11]進行了不同形狀橋墩局部沖刷最小化模型試驗，量測了平衡階段各橋墩平衡沖刷深度，結果表明，橋墩上游沖刷深度與橋墩迎水面形狀直接相關，最大平衡沖刷深度出現在矩形橋墩墩前位置，最小平衡沖刷深度出現在流線型橋墩迎水面拐角處。

除了單一的研究橋墩參數對局部沖刷的影響，也有研究人員探究了不同墩型與局部沖刷防沖措施的組合效應。Zarrati 等人[12]在圓形和矩形橋墩周圍安裝了一個護圈，并提出，與雙排串列的圓柱形橋墩周圍的連續護圈相比，單個矩形橋墩與護圈的結合顯著減少了橋墩周圍的沖刷。此外，護圈和拋石的結合大大減少了橋墩周圍的沖刷。Zarrati[13]等人更進一步地研究了護圈寬度對傾斜矩形橋墩周圍局部沖刷深度的影響，結果表明，較寬的護圈使橋墩周圍的沖刷深度進一步減小。此外，傾斜橋墩明顯降低了橋墩周圍護圈的防護效果。Abozeid 等人[14]將開縫的矩形橋墩和組合橋墩平衡階段局部沖刷形態進行對比后發現，組合橋墩墩周沖刷坑范圍比開縫后的矩形橋墩小得多，且組合橋墩墩周最大沖刷深度相比于開縫的矩形橋墩減少了93%。而對于傾斜布置的橋墩，Bozkus 和Cecme[15]研究了斜墩在不同水流深度下的沖刷效果，結果表明，斜墩附近的沖刷深度比直墩附近的沖刷深度要小。與單個柱式橋墩相比，組合橋墩的沖刷深度明顯減小。

Talib 等人[16]還研究了橋墩形狀和流速對橋墩局部沖刷最終形態的影響。結果表明，矩形橋墩最大沖刷深度出現在墩前，而流線型橋墩最大沖刷深度出現在墩側拐角處。且流速越大，最大沖刷深度越大。此外，利用量綱分析和現有數據得到了與試驗結果高度吻合的沖刷計算公式。Ahmad 等人[17]探究了考慮墩型因素下，不同水流的沖擊角與局部沖刷平衡狀態的關系，結果表明，增大矩形橋墩的沖擊角，會使矩形橋墩局部沖刷平衡階段最大沖刷深度也隨之增大。

研究者們為了更加深入地了解局部沖刷演變過程，選擇在彎槽下，探究不同形狀橋墩的局部沖刷現象。Masjedi 等人[18]對180°彎道中位于不同位置的矩形橋墩墩周沖刷深度進行了調查統計，發現彎道處的矩形橋墩最大沖刷深度出現在墩前拐角處。此外，弗勞德數Fr的增加也會增大墩周所有位置的沖刷深度。Helmy 等人[19]分析了位于30°彎道水槽處不同墩型橋墩在各種水流沖擊角下局部沖刷試驗結果，得出以下結論：絕大多數橋墩沿著水流縱向布置時，防沖刷性能最好，而六邊形橋墩需要相對于水流方向成2.5°的沖擊角才能獲得更好的防沖性能。

3 國內研究現狀

國內現有的一些局部沖刷研究成果中，對于考慮墩型與尺寸因素方面的局部沖刷研究成果仍然有限。為了優化局部沖刷計算，上世紀70 年代，由鐵道部科研院鐵建所主持進行了一次長達兩年的局部沖刷科學研究，期間共進行五百多次試驗。對橋墩形狀影響局部沖刷深度的主要方面進行優化總結，并整理出一套相對完整的墩型系數表格[20]。王飛等人[21]也采用計算流體動力學軟件FLUENT，模擬了圓柱形、三角尖形、流線型三種截面形式的橋墩在一定水力和河床條件下的局部沖刷。結果表明：橋墩周圍局部沖刷最大深度、墩周流場結構以及沖坑發展形態的模擬結果與試驗結果吻合度高。在保持橋墩寬度一致的條件下，三角尖形橋墩的最大沖刷深度比圓柱形橋墩減小約為40%，比流線型橋墩的局部沖刷深度減小約45%。張佰戰等人[22]利用現行局部沖刷計算公式，并結合大量模型試驗數據和現場調查數據，綜合分析其參變量的相關性。對現行規范中的計算公式進行優化調整，用實測墩寬替換計算墩寬，并將斜交橋墩墩型系數進行了修正與優化，最終得到較為全面的沖刷計算公式。

4 結語

本文全面系統地綜述了考慮橋墩尺寸與墩型因素的局部沖刷的研究成果，現有研究已經具有一定的成果積累，但仍然缺乏完整的理論體系，結合現狀研究成果提出以下建議：

①在大多數研究中，水槽模型試驗與數值模擬所研究的對象均為常見的柱式橋墩，并未考慮復雜組合墩型（如復雜群樁承臺的橋墩）。因此，在后續研究中可考慮改變橋墩形式（如錐形橋墩、重力式橋墩），探究其對橋梁基礎局部沖刷的影響，使得考慮墩型因素的橋梁基礎局部沖刷的研究成果更加完善，也能更好地契合工程實際狀況。

②對于大多數考慮墩型因素的局部沖刷研究中，研究者們主要注重墩周最大沖刷深度的預估，但橋墩基礎局部沖刷也需著重考慮墩周沖刷破壞的范圍，以確保橋梁基礎整體的穩定性，因此，對于橋墩局部沖刷范圍預估的研究也尤為重要。

③對于考慮橋墩尺寸與墩型因素的局部沖刷研究中，多數研究者僅對比研究了各墩型平衡沖刷狀態，而缺乏對局部沖刷演變過程以及墩周水流結構的對比研究。因此，需進一步探究各橋墩局部沖刷特性，分析墩型、尺寸因素與墩周水流結構、局部沖刷演變過程的關系，以進一步揭示橋梁基礎局部沖刷內在規律。