橋墩局部沖刷的機理及防護措施

【摘 要】 近年來橋墩沖刷問題變得越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重時會引起橋墩基礎(chǔ)承載能力的嚴(yán)重下降。目前國內(nèi)外的計算方法和研究方法越來越多，發(fā)展也越來越快。本文將針對近年來諸多學(xué)者所做出的研究成果進(jìn)行總結(jié)，并且提出近段時間以及長久發(fā)展所存在的問題。

【關(guān)鍵詞】 橋墩沖刷 局部沖刷 沖刷機理 防護措施

在我國的大型跨江跨河橋梁建造過程當(dāng)中，多數(shù)采用群樁基礎(chǔ)。由于群樁基礎(chǔ)的存在，使得水流流動特性發(fā)生變化，而且在循環(huán)和和沖刷的作用之下，使樁基礎(chǔ)的承載性狀發(fā)生了顯著變化[1]。群樁基礎(chǔ)的建造會造成樁前下切水流和側(cè)向繞流劇烈沖刷橋墩基礎(chǔ)周邊河床[2]。作為橋梁工程重要的減災(zāi)措施之一，橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷防護受到國內(nèi)外越來越多的關(guān)注[3]。

橋梁等跨河建筑物的水下結(jié)構(gòu)可局部阻擋過流，壓縮過流寬度，產(chǎn)生水流側(cè)向收縮，減少了斷面寬度和過水面積，使水流單寬流量增加，引起河床沖刷，即壓縮沖刷。壓縮斷面上下游的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在一定范圍內(nèi)形成回流區(qū)。回流區(qū)與斷面流速重新分布有著密切的關(guān)系[4]，而流速重分布又會對斷面沖淤產(chǎn)生影響[5]。總的沖刷通常包括三個部分： 一般沖刷（ General scour） 、收縮沖刷（ Contraction scour ） 和局部沖刷（ Local scour）[6]。一般沖刷是因橋孔壓縮，水流單寬通過量增加，橋孔上下游河床面上的泥沙被急速通過的水流帶走，導(dǎo)致橋位附近的床面下降的沖刷[7]，局部沖刷，是造成橋梁水毀事故發(fā)生的主要原因。由于橋梁墩、臺的存在，阻擋了水流的行進(jìn)，改變了結(jié)構(gòu)物的局部流場，引起結(jié)構(gòu)物周圍急劇的泥沙運動，形成局部沖刷坑，使得基礎(chǔ)周圍土側(cè)抗力減小，基底應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致基礎(chǔ)承載性狀的變化，甚至失效[8]。局部沖刷深度通常遠(yuǎn)大于一般沖刷和收縮沖刷，大約會差一個數(shù)量級。因此，在分析橋梁基礎(chǔ)的沖刷時，局部沖刷最為關(guān)鍵[9]。

研究方法及計算方法：

目前國內(nèi)外的研究方法和計算方法包括模型試驗和模態(tài)分析等。模型試驗是了解河床抗沖性能、沖刷范圍和沖刷深度、防護材料的穩(wěn)定重量等防護設(shè)計基本資料的重要手段[2]。

姚錦寶等過挖開橋墩基礎(chǔ)周圍覆蓋層土體的不同厚度模擬基礎(chǔ)受沖刷程度， 運用沖擊振動試驗法進(jìn)行橋墩自振特性測試， 分析橋梁基礎(chǔ)受沖刷對橋墩自振特性的影響。國內(nèi)外關(guān)于橋墩局部沖刷深度的計算方法主要有： 非勃性土河床的橋墩局部沖刷公式， 豁性土河床橋墩局部沖刷公式以及適用于黃河的沖刷計算公式。在確定沖刷深度后， 進(jìn)一步分析了橋墩基底埋置深度[11]。計算結(jié)果表明，不同公式計算的結(jié)果相差較大，各沖刷參數(shù)對局部沖刷影響明顯.說明在計算橋墩的局部沖刷時，須根據(jù)橋梁所在的河段情況，選擇適合的計算公式和參數(shù)，才能確保局部沖刷深度計算的準(zhǔn)確性。對非粘性土河槽，國內(nèi)主要使用的局部沖刷公式有： 65-1修正式、65-2式及65-2修正式[12]。影響局部沖刷深度的因素主要有橋墩型式和尺寸、泥沙粒徑、水流流速及一般沖刷后的水深[13]。

防護設(shè)計：

目前國內(nèi)外對河床進(jìn)行沖刷防護一般有消能減沖和護底抗沖兩種方案。前者尚處于理論研究階段， 工程實踐運用不多， 蘇通大橋主塔墩基礎(chǔ)沖刷防護設(shè)計采用護底抗沖方案。橋墩的局部沖刷防護原理包括：①提高橋墩附近河床的防沖刷能力。通常是在橋墩附近鋪設(shè)粗顆粒材料的河床防護層或在墩基處拋石， 以提高橋墩的抗沖能力[14]。②減小水流對橋墩的沖刷能量， 即減弱水流沖刷過程中的下沖流和馬蹄形漩渦流。通常通過擴大橋墩的基礎(chǔ)平面或設(shè)護腳等措施以減小水流的沖刷能量[14]。防護措施包括主動防護和被動防護。

主動防護指在實際工程中，可以在河床高程附近增設(shè)底板或者護圈等，通過減小沖刷水流的原動力來提高抗沖刷性能，這種“減沖”的防護方式即主動防護。

被動防護指從被沖刷對象著手，在橋墩周圍的河床鋪設(shè)諸如碎石等的保護層，該類方法屬于被動防護范疇，旨在增強墩周土體的抗沖刷能力，比較典型的方法有拋石、部分拋石灌漿、擴大墩基礎(chǔ)，四面體透水框架群等[3]。

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作者簡介：張帥（1992-），男，漢族，山東省濟南市人，碩士研究生，單位：重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 研究方向：水利工程