裝配式防沖刷裝置參數對橋墩沖刷深度影響研究

摘要 在橋墩局部沖刷機理的基礎上，結合主動防護與被動防護措施，提出一種新型裝配式防沖刷裝置，即在柱狀橋墩前加設V字型擋板。采用正交試驗設計原則，通過物理試驗分析擋板距橋墩中心距離、擋板高度、擋板角度3個參數變量，分析得出擋板最佳組合參數。結果表明，在擋板角度60°、擋板距離2.5倍橋墩直徑、擋板高度3/4水深時，防護效果最佳。

關鍵詞 防沖刷裝置； 局部沖刷； 沖刷試驗； 擋板參數

中圖分類號 U443.86 文獻標志碼 A

0引言

橋墩作為橋梁中間支承結構，對橋梁結構有著至關重要的作用，現實中橋梁面臨著復雜多變的水環境，水流經過橋梁時，由于橋墩的修建，墩臺迎水部分會改變水流流向，橋墩前部水流位置升高，后部水流下涌沖擊河床，橋墩兩側水流繞墩而過形成漩渦，帶走墩臺周圍泥沙。長期水流沖刷會造成橋墩墩臺受損，甚至有可能造成橋梁基礎掏空，導致橋梁下部結構承載力下降，從而影響橋梁整體結構的穩定性［1-2］。橋墩防護能有效減小水流能量，減弱對河床的侵蝕，因此有必要對橋墩防護措施進行研究。

橋墩防沖刷問題一直都備受關注，楊媛媛、陳述等［5-6］認為通過在河床上鋪設防護材料增加橋墩周圍基礎的抗沖刷能力，同時可以減小水流沖刷河床，采用失效風險方法結合兩者提出橋墩防護的復合型體系，提高防護區穩定性。蔣志剛［7］分析了橋墩沖刷特性及其原因，總結沖刷深度計算方法，根據實際工程提出岸坡防護方案，采用拋石護腳的主動防護取決于材料強度。王炎、楊蝶麗等［8-9］提出一種鑲嵌半球形擋板防護裝置，通過墩前防護使水流兩側分流，降低水流對橋墩的沖力從而減輕水流對橋墩的沖蝕。目前實際工程大多采用單一的防護形式，存在局限性，結合對橋墩局部沖刷的研究，考慮橋墩水毀的危害性，本文提出一種防沖刷裝置，并進行室內物理試驗驗證其可行性，為未來橋墩防護措施設計方案提供新的思路。

1橋墩裝配式防沖刷裝置

結合局部沖刷機理中的主動防護和被動防護措施，提出裝配式防沖刷裝置，通過在現有橋墩一定距離前設置擋板，改變水流方向以減輕對橋墩沖蝕。如圖1所示，裝置包括橋墩主體、固定樁和防沖刷擋板。擋板由兩塊剛性板焊接成V字型，鋼板后后部用若干根鋼管樁固定，形成一個整體。擋板下部嵌入河床中，并用混凝土灌裝固定裝置。

2模型試驗概況

2.1試驗裝置

試驗裝置設計為長3.0 m、高0.5 m、寬0.8 m矩形半封閉式透明玻璃水槽，裝置水平安置在試驗臺上。裝置兩端設置供水口和泄水口，供水口和泄水口通過一套完整的水循環系統外部連接，水循環系統配有專門電機、水泵和水管。如圖2所示，裝置內部分為前部穩流段、中部試驗段、后部泄水段。穩流段主要作用是使水流均勻勻速流出，為留有一定的進水空間，穩流裝置設置在供水口0.2 m處;試驗段鋪設長1.2 m、厚0.15 m砂層模擬河床，為貼近實際工況，取用中值粒徑0.6 mm沙粒，因試驗不考慮橋墩受損情況，所以橋墩采用直徑40 mm的聚氯乙烯塑料管固定在試驗段中部。為避免虹吸式排水對中部試驗段水流流速影響，后部設置0.5 m的泄水段，并設置一道尾門，調節泄水口水深使水平穩流出。為了方便試驗過程中觀測沖刷深度和采集數據，試驗水深控制在8～12 cm，裝置模擬和現場裝置如圖2、圖3所示。

2.2試驗設計

本試驗研究在一定水流流速下，擋板離橋墩中心距離、夾角角度、擋板高度3個參數自由排列組合后的最佳組合參數，沖刷結果往往可以用墩周沖刷坑深度來觀測。為測得墩臺周圍最大沖刷深度，本試驗設計3個測點，測點布置在橋墩中心線上，試驗段開始設置第一個測點，往后隔50 mm分別設置第二第三測點，當測得測點處流速與設定流速相近，即可開始試驗。過程中重復性記錄沖刷坑的發展過程，開始每隔5 min測量沖刷坑的深度以及沖刷范圍，后續延長觀測間隔時間，直至沖刷坑不再發生變化基本達到沖刷平衡，停止水流，測量最終沖刷坑深度和范圍，得出墩周的最大沖坑深度和墩周沖刷范圍變化。

為得出最佳參數組合，在試驗工況下，3種不同參數的組合與無擋板防護單圓柱橋墩沖坑深度對比，根據正交試驗設計原則共設計49種情況，參數設置見表1（其中h為水深，D為橋墩直徑）。

3試驗結果

橋墩的主要沖刷集中在墩前和墩臺兩側位置，墩后由于水流受阻往往發生泥沙堆積，所以試驗主要觀測墩前、左側墩和右側墩位置的沖坑深度，通過對比取沖刷深度最大值。具體數據如表2所示。

3.1有無擋板對沖刷影響

由表2試驗結果分析可知，對比有無擋板防護的墩周最大沖刷深度，不難發現在有擋板防護下，每種參數組合最大沖刷深度均出現不同幅度的減少，最大的減沖比例達到74.2%，最小的減沖比例能達到48.4%，即得出擋板防護對減少墩周沖刷有明顯效果，證明墩前設置防護擋板的試驗方案可行。擋板參數不同，對墩周沖刷的防護效果也不同，可根據不同參數減沖率對比，得到最佳防護裝置組合。

3.2擋板高度對沖刷的影響

為研究不同高度的擋板參數，防護擋板距墩臺中心距離分別為2.5D、3.5D、4D時和擋板角度分為30°、45°、60°、75°時沖坑深度對比分析如圖4～圖7所示。橫坐標0為無擋板情況最大沖刷深度，由圖可看出高度為3/4h時，橋墩最大沖刷深度最小，此時擋板高度參數達到最佳防護效果。

3.3擋板夾角對沖刷的影響

為研究不同夾角的V型板參數，給定一定的擋板距離和高度的工況下最大沖刷深度對比圖，如圖8～圖11所示。由圖可知擋板夾角角度變化會影響墩周沖刷深度，但較無防護情況下能明顯減小橋墩沖刷深度。在不同的測試條件下，隨著V型板開角角度逐漸增大，墩側的最大沖刷深度呈現出先減小到一定值后有一定增大的趨勢。夾角角度60°時，橋墩最大沖刷深度最小，此時夾角角度達到最佳。

3.4擋板距離對沖刷的影響

如圖12～圖14為一定擋板高度和擋板角度時，改變擋板距離墩臺中心距離，不同工況下擋板距離對沖坑深度的減少程度各有不同。隨著擋板距墩臺中心距離逐步增大，最大沖刷深度逐漸減少，在達到一定擋板距離后會隨著距離增大而出現沖刷深度增大的現象。當擋板距離設置為3.5D時，橋墩最大沖刷深度取到最小值，此時距離參數達到最佳防護效果。

3.5D時最大沖刷深度4結論

本文提出一種針對橋墩局部沖刷防護的裝置，提出防護裝置離橋墩中心距離、夾角角度、擋板高度3種不同參數對防護效果的影響參數。為驗證裝置的防護效果及3種參數的影響，得出3種影響因素最佳防護效果組合，制定了試驗方案設計，并按照試驗設計方案進行室內物理模型試驗。對照試驗數據和柱狀圖分析可得出結論：

（1）本文提出的裝配式防沖刷裝置具有可行性。通過主動防護措施與被動防護措施相結合，既改變了墩前水流方向，減少墩前局部沖刷，同時也引導水流流向，減少水流漩渦對河床的沖刷。

（2）此裝置對橋墩局部沖刷較為顯著的防護作用，對比無防護措施橋墩的最大沖刷深度有大幅減少，在擋板夾角角度60°、擋板距橋墩中心距離2.5D、擋板高度3/4h時，防護效果最佳，此時最大沖刷深度最小，減沖率達到74.2%。

參考文獻

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