橋墩局部沖刷機理及防護措施

劉海

【摘 要】 橋墩沖刷是橋墩設計的關鍵環節，其對橋渡的破壞多突發性和偶然性。本文通過對橋墩局部沖刷特征和局部沖刷機理的研究，討論了局部沖刷的影響因素，基于防護機理歸納總結了拋石防護等傳統防護和環翼式防護等新型防護措施，以保證橋墩的使用安全性。

【關鍵詞】 橋墩 局部沖刷 沖刷機理 防護措施

引 言

目前，橋墩的局部沖刷防護仍處于探索階段，大多基于局部沖刷公式以及數值模擬方法進行計算分析[1-4]。Brice 等[5]把橋墩局部沖刷防護工程措施定義為同橋墩自身設計相結合或被獨立布設于橋墩周圍的 、用于控制或防止橋墩周圍床面沖刷的一類工程措施 。Chiew [6]按防護機理把傳統的橋墩局部沖刷防護工程措施分為兩類 ， 即實體抗沖防護和減速不沖防護。房世龍等[7]針對橋墩局部沖刷防護的工程特性進行了一系列的研究 ， 提出了在橋墩周圍加大四面體透水框架群拋投密度的防護設計方法 。孫東坡等 [8]建立了淺基橋梁局部沖刷簡明實用計算公式。

1 橋墩的局部沖刷特征及影響因素

1.1橋墩局部沖刷概念及特征

墩周圍水流結構主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度很大的漩渦體系。漩渦體系是一種綜合水流結構。其中包括在墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩兩側流向下游的馬蹄形漩渦、橋墩兩側水流分離引起的尾流漩渦。漩渦體系在墩后及兩側還不斷地由床面附近釋放出小漩渦，向水面發展。

1.2 局部沖刷影響因素

影響橋墩附近局部沖刷的因素很多，包括水深、流速、流向、河床泥沙類型、干容重、粒徑、級配等，還涉及橋墩的尺寸、形狀等。影響橋墩局部沖刷深度的因素包括下列幾方面：橋墩特征因素、流體特征因素、河床質特征因素和流動特征因素。

2 橋墩局部沖刷防護

2.1 防護機理

對橋墩的局部沖刷進行防護是橋梁防護的重要內容之一 ，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[9]。

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平面或設護腳等措施以減小水流的沖刷能量，起到防沖刷保護作用。

2.2 傳統防護措施

1、拋石防護 。橋墩防護措施中最常用的方法是拋石防護 ，防止拋石下的泥沙顆粒通過拋石孔隙被淘刷，而在深水中精確設置反濾層是比較困難的 ，而且拋石防護通常是有缺陷的 [ 12] 。

2、護腳和沉箱防沖。在橋墩周圍設立護腳和沉箱， 防止下沖流和馬蹄形漩渦流直接沖擊泥沙顆粒，削弱其在水中拖運泥沙的能力 ，從而達到沖刷防護的目的[10]， 但是對于具有泥沙搬運特性的動床 ，當泥沙發生移動時， 護腳和沉箱就失去了作用 。

2.3 新型防護措施

單向流情況下 ，圓柱形單墩周圍的水流結構由墩前下潛水流、墩前水面涌波以及墩周圍和墩后的漩渦體系組成[10]。其中， 下潛水流是橋墩局部沖刷破壞的主要原因 。環翼式橋墩的局部沖刷防護就是通過環翼式擋板阻擋下潛水流 ，改變其大小和方向 ，迫使下潛水流向兩側分流， 從而減小水流對橋墩的1沖刷能量 ，削弱漩渦淘蝕 ，起到防護的作用。

護殼防護是一種最新提出的防護措施， 它通過在淹沒結構物的表面設置兩種人工粗糙護殼來降低水流強度， 降低了二次流和馬蹄渦流的強度并影響尾流渦旋的強度。

該防護具有如下基本特征：在墩臺迎水面設計了人為的條型粗糙細紋，它以迎水面的中間垂線對稱分布，在細紋處會產生斜渦流，使部分下降水流產生分離；對剩下的表面進行了特別設計 ， 在表面處設置許多獨立的圓形結構物，稱之為“高爾夫球”，它可以使層流邊界層產生擾亂分離，從而降低了尾流和尾流渦旋的強度。

結 論

橋梁墩臺周圍必然發生沖刷現象，有可能威脅到橋梁建筑物本身的安全與穩定。本文通過研究橋墩局部沖刷特征和分析沖刷機理，得出馬蹄形漩渦系是產生墩周局部沖刷的直接原因。局部沖刷的主要影響因素有橋墩特征、流體特征、河床質特征和流動特征。歸納總結了傳統防護措施，重點介紹了環翼式防護、護殼防護和下游石板防護等三種新型防護措施，以保證橋墩的使用安全性

【參考文獻】

[1] 傅宗甫， 趙春潮， 安建峰.異型孔橋墩附近河道水流流動特性[ J] .河海大學學報：自然科學版， 2011， 39（4）：402-407.

[2] 方神光， 黃勝偉.純隱格式的混合有限分析法在廣雅橋水流數值模擬中的應用[ J] .水利水電科技進展， 2010，30（6）：53-57.

[3] 凌建明， 林小平， 趙鴻鐸.圓柱形橋墩附近三維流場及河床局部沖刷分析[ J] .同濟大學學報：自然科學版，2007（5）：582-586.

[4] 彭凱， 張緒進， 趙世強.橋位附近水流及局部沖刷的數值模擬[ J] .水科學進展， 2001， 13（2）：196-200.

[5] 房世龍， 陳紅， 王鋼.橋墩局部沖刷防護工程特性研究綜述[ J] .水利水電科技進展， 2007， 27（4）：84-89.

[6] 孫東坡， 宋永軍， 程琳， 等.下游設有防護壩的淺基橋梁局部沖刷研究[ J] .水力發電學報， 2007， 26（6）：83-87.

[7] 欒正偉， 馬骕. 橋墩沖刷防護分析及措施[J]. 金田， 2013（4）.

[8] 劉文啟.橋墩的防沖刷保護[ J] .黑龍江水利科技， 1995（4）：107-112.

[9] 馬奎.橋墩局部沖刷機理分析及防護建議[ J] .中國高新技術企業， 2010（15）：16-17.

[10] 李奇， 王義剛， 謝銳才.橋墩局部沖刷公式研究進展[ J] .水利水電科技進展， 2009， 29（2）：85-88.