橋墩沖刷的護坦防護設計研究

蘭云松

(天津市交通科學研究院，天津 300300)

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橋墩沖刷的護坦防護設計研究

蘭云松

(天津市交通科學研究院，天津 300300)

系統(tǒng)地總結了橋墩周圍水流結構、沖刷機理、局部沖刷防護效果影響因素等問題的研究結果，提出護坦防護型式的設計參數(shù)，并分析設計參數(shù)對護坦防護效果的影響規(guī)律及各參數(shù)的確定方法。

橋墩沖刷；護坦防護；設計

0 引 言

世界各國的建橋經(jīng)驗表明，洪水對橋墩的局部沖刷是導致橋梁破壞的重要原因。當前我國仍有不少大中型橋梁因基礎埋深不足需要采取局部防護措施。國內(nèi)外大量的橋墩沖刷的防護試驗研究發(fā)現(xiàn)，通過采取一定的防護措施可以獲得有效的結果，但目前還無普遍規(guī)律能夠用以指導防護體的型式設計。

護坦是一種構造簡單、適應性較強、效果明顯的淺基橋墩防護型式。實際應用中有大量護坦防護經(jīng)受住大洪水考驗成功的實例，但同時還存在一些因防護體尺寸、位置設計不當造成的防護失效問題。因此對橋墩沖刷的護坦防護作用的水力學機理、合理的水力設計方法還需深入的研究。

1 橋墩沖刷

1.1 橋墩周圍的水流結構

橋墩處的繞流漩渦體系破壞原床面泥砂固有的平衡狀態(tài)，形成局部沖刷。在局部沖刷發(fā)展期間，沖刷坑的深度和范圍增加導致水流結構越來越復雜，水流紊動性更強。根據(jù)橋墩周圍的水流結構來預測橋墩局部沖刷深度，屬于典型的橋梁水力學問題。通過對前人研究的成果進行總結后認為，橋墩周圍的水流按照形態(tài)特點將其分為四部分：墩前壅水、橋墩前的向下水流、馬蹄形漩渦、尾流漩渦。

圖2 護坦防護體構造

1.2 護坦防護體構造及防護機理

護坦防護一般由護坦頂板和垂裙兩部分構成。護坦頂板對墩臺周圍床面起到直接的防護作用，垂裙的作用則主要為了防止頂板邊緣被淘空。墩前壁面下降水流和兩側(cè)繞流漩渦到達護坦頂板后，變?yōu)樗搅鲃樱诖采澈妥o坦交界處生成次生漩渦，引起垂裙外床面的沖刷，而次生漩渦的沖刷能力遠小于無護坦防護時馬蹄形漩渦的直接沖刷能力。

1.3 防護效果關鍵因素

在橋墩下部設置護坦防護后，墩臺與護坦共同構成涉水主體，因此護坦處的水流結構和沖刷深度與護坦防護體的位置、尺寸有關。防護體能否起到預期的防護效果關鍵在于防護型式與河段水流條件、河床地質(zhì)、橋基結構與病害狀態(tài)的匹配程度。

2 護坦防護的設計參數(shù)

2.1 護坦平面形式

護坦防護的平面形式多種多樣，在實際工程應用中根據(jù)橋墩型式、水流特性和施工難以程度等具體情況，選用不同的平面型式。常用的有圓形、矩形、圓角矩形、尖端形等。圓形護坦多設置到圓形橋墩和長寬相差較小的矩形橋墩。橋墩周圍的防護寬度相同，對主流易擺動的河段適應性較好。矩形和圓角矩形主要應用在長寬相差較大的橋墩和橋臺，圓角矩形對水流擾動小更有利于水流的通過。尖端形有一定的導流作用，減少水流對橋墩的直接沖擊，適用于河道主流較穩(wěn)定的河段。

2.2 護坦頂面埋置深度

護坦頂面埋置深度對護坦防護效果起到至關重要的作用，埋入床面以下越低，馬蹄形漩渦在邊緣處次生漩渦產(chǎn)生的沖刷也越低，不利于橋墩安全。太低則起不到應有的防護作用。研究通常認為，護坦頂板宜設置在一般沖刷線的位置或其以下1～2 m處。

護坦頂面標高越高對下降水流的影響越早，提前改變下降水流形態(tài)，進而減少了馬蹄形漩渦在床面的沖刷。但由于基礎頂面高于床面后，導致阻水面積增加，高出床面越多在護坦周圍形成的局部沖刷越大。在與護坦防護原理類似的擴大橋墩基礎防護的研究中發(fā)現(xiàn)，其頂面位置略高出床面后仍能起到一定的減沖作用。其主要原因為墩前突出長度的減沖作用大于墩側(cè)突出寬度的增沖作用。因此，在護坦頂面有可能高出一般沖刷線時，其墩側(cè)防護寬度和墩前延伸長度應相匹配，才能起到良好的防護效果。

2.3 護坦防護平面尺寸

護坦防護平面尺寸主要指防護寬度和護坦上游延伸長度。關于護坦防護體平面尺寸我國尚無明確的計算辦法，而盲目套用國外計算辦法是不合理的。護坦防護的目的在于減小墩前向下水流和繞流漩渦對河床的沖刷，因此防護體的尺寸與漩渦強度及其影響范圍有關。通過研究漩渦影響范圍，從而可以確定防護體的合理尺寸。

當防護體的寬度大于主漩渦的半徑時，在主漩渦邊緣切向流速的誘導作用，形成沖刷能力較弱的次生漩渦。如若防護寬度小于主漩渦的半徑，就不能形成次生漩渦，此時主漩渦體系仍然對床面造成直接沖刷。因此，防護體寬度越大，漩渦在護坦頂面流動越長的距離，消耗的沖刷能量越多，防護作用就越明顯。

根據(jù)護坦防護型試驗資料，得到橋墩護坦防護局部沖刷深度與防護寬度的關系

hSH=1.1hse-1.34(BH/hs)

式中：hSH為設置護坦時橋墩垂裙處沖刷深度，m；hs為不設護坦時橋墩沖刷深度，m；BH為防護寬度；e為自然對數(shù)的底。

護坦防護寬度設計首先計算出不設護坦時橋墩周圍的平均沖刷深度hs；然后根據(jù)河床地質(zhì)、地形、水力、施工等條件，選定可以容許的護坦垂裙沖刷深度Hsh，算出Hsh/hs。找到與之對應的BH/hs值，初步確定BH。如果不合適再重復這種方法，直到選定合適的BH和Hsh為止。也可以從選定BH入手，由BH/hs值找到與之對應的Hsh/hs值，通過Hsh值來選定防護寬度BH。

2.4 護坦垂裙埋深和角度

由護坦防護機理可知，向下水流遇到護坦頂板以后被迫改為水平方向流動，水平流在床面與護坦分界處分離，誘導生成的水平軸漩渦，引起護坦邊緣床面的沖刷。若不做垂裙則加固面邊緣會被掏空、坍塌破壞，所以必須在護坦頂板周圍設置垂裙，垂裙的基礎應有足夠的埋置深度。

根據(jù)護坦邊緣垂裙處的沖刷深度與護坦頂面埋置深度關系可知：護坦頂面埋的越深，垂裙則越短，護坦頂面埋的淺，垂裙則長，但垂裙基礎底面高程不變。淺基局部防護體頂面標高設置在一般沖刷線或其以下有困難時，防護體頂面可略高于一般沖刷線，但必須將垂裙基礎設置在一般沖刷線以下。根據(jù)試驗資料，可得到局部防護體垂裙深度Hh計算公式

式中：Hh為垂裙深度，m；v為墩前垂線平均流速，(m/s)；v＇為始沖流速，(m/s)；V0為泥沙起動流速，(m/s)，按張瑞瑾公式計算；h為墩前來流最大水深，m；h＇為墩前下降水深，m，h＇=0.62h；B為防護體寬度，m；A為由試驗資料得A=0.20。

為了減弱分離邊界處次生漩渦的強度，使墩前迎面水流更加平穩(wěn)通過，將垂裙做成以一定角度傾斜的型式，這樣可以避免在護坦前緣形成更大的沖刷；并且當護坦頂面高出一般沖刷線時，護坦頭部帶有傾角的垂裙可以起到一定的前置導流作用，分散墩前迎水面水流，減小水流直接沖擊橋墩。同時傾斜的垂裙還有一定的挑流作用，向上的水流可以抑制墩前壁面的下潛水流，進而削弱漩渦體系的強度。

3 結 語

(1)河床變形范圍在無護坦時，最大沖刷深度貼近橋墩迎水面位置，沖刷范圍較小，但沖刷深度很大；設置護坦防護以后，沖刷范圍變大，且沖刷坑邊緣向外擴展至護坦垂裙的邊緣，河床變形明顯地趨向平緩。(2)護坦防護面標高，宜設置在相應頻率洪水的一般沖刷線處或其以下1～2m位置。若一般沖刷計算精度較差，為了防止頂面高出床面帶來不利影響，則應適當降低防護頂面高程。(3)護坦寬度越大，馬蹄形漩渦護坦頂面運動距離越長能量消耗越大，次生漩渦在護坦垂裙邊緣產(chǎn)生的沖刷越小。(4)當工程條件受到限制或橋梁原有基礎埋置過淺，護坦無法埋置到床面以下，或者床面高程無法準確預測時，應增加護坦頭部向上游的延伸長度，一般取1.5～2倍的護坦防護寬度，就能使發(fā)生在墩臺周邊的沖刷遠離橋墩或橋臺，對墩臺的安全極為有利。(5)垂裙角度選為45度時，護坦頭部和橋墩兩側(cè)的沖刷坑深度分布較均勻。護坦頭部向上游延伸配合帶有傾角的圓弧形垂裙構成一個前置的導流體，從而有效的減小了橋墩周圍的沖刷深度。

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