现代水文学浅析桥墩局部冲刷

现代水文学浅析桥墩局部冲刷

崔程

重庆交通大学河海学院重庆市400074

摘要:本文通过对现有的桥墩冲刷防护方法和防护桥墩周围冲刷的方案和辅助措施分析，查阅了关于桥墩局部冲刷特征及冲刷机理的研究方法，分析了桥墩特征、流体特征等因素对桥墩局部冲刷的影响，最后总结出了有效的防冲刷保护措施。

关键词:桥墩冲刷冲刷机理保护措施

引言：

桥墩冲刷是一种普遍存在的现象，由于桥墩冲刷影响因素众多，对于冲刷研究也是最近几年的热门课题。一些偶然性的水文现象和水流的不稳定问题对于桥墩破坏都具有决定性影响。桥墩局部冲刷一直是冲积性河流中桥墩失稳和桥梁水毁的主要原因。多年来的研究和实践证明，桥墩局部冲刷具有突发性、灾难性，可导致桥墩的移位、沉陷，桥面的断裂、变形，甚至整座桥梁突然坍塌。一直以来，很多学者都致力于桥墩局部冲刷机理的研究，取得了显著的成果。因此，结合已有成果对桥墩周围的水流结构、冲刷的发展过程、以及冲刷坑深度的影响因素的研究现状进行了详尽的介绍，并对未来的研究方向进行了展望。

处理桥墩局部冲刷的传统方法目前尚不完善这些方法包括在桥墩基础周围采用铺填块石或柔性沉排。有些情况下可采用在桥墩固定刚性护圈的方法以减少冲刷的可能。本文旨在回顾现有方法的有效程度,同时评价冲刷防护的新方法。

1.桥墩局部冲刷的特征

桥墩周围水流结构主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度很大的漩涡体系。漩涡体系是一种综合水流结构，其中包括在墩前冲刷坑边缘形成的绕桥墩两侧流向下游的马蹄形漩涡、桥墩两侧水流分离引起的尾流漩涡。漩涡体系在墩后及两侧还不断地由床面附近释放出小漩涡，向水面发展[2]。绕桥墩周围扩散的马蹄形漩涡的两翼，在尾流漩涡释放时，任何一侧每释放一个尾流漩涡，就出现一个低压中心，牵动马蹄形漩涡区内的流体做横向摆动。当尾流漩涡发展到下游时，马蹄形漩涡体系则向后退入冲刷坑内。这样，随着尾流漩涡的释放，马蹄形漩涡不断地进行着横向、竖向和前后摆动。

2.桥墩局部冲刷的机理

由于水流通过圆柱体时加速,造成平头墩的侧翼形成较高的流速。在水流接近桥墩处形成一静止面,而在沿墩的静止面形成垂直压力梯度。此压力梯度导致墩前沿产生下向水流,此乃桥墩冲刷的主要原因。它的作用如同冲蚀河床质中的垂直射流一样。

桥墩周围的局部冲刷是由于桥墩压缩了水流，改变了墩周原来的流速分布，在墩的两侧流速相对增大，从而使墩两侧首先引起冲刷，冲刷逐步发展到墩的正面。根据对局部冲刷试验过程中的水流结构观测分析，上述三种观点不是孤立作用的，而是相互联系相互影响的，由此可以看出，桥墩对水流的压缩和阻碍作用，使墩周流场发生变化，从而产生桥墩两侧的“集中水流”和桥墩前的“下降水流”，“集中水流”和“下降水流”是形成马蹄形漩涡的内在原因，而马蹄形漩涡系则是产生墩周局部冲刷的直接原因。

3.桥墩局部冲刷的影响因素

为了更好的理解冲刷发展过程并准确地估计冲刷坑的深度，有必要对桥墩周围的水流结构进行研究并量化它们对桥墩周围床面的影响。许多研究者通过大量的室内实验[4]对桥墩周围引起冲刷的高强度的紊流场和旋涡体系进行了深入的研究。研究结果表明，水流的三维边界层分离和多重旋涡体系使得桥墩周围的剪切流流场变的很复杂，再加上冲刷坑形成过程中桥墩周围的动床边界与水流之间的相互作用，这种复杂性被进一步加强了。桥墩周围的的流场触发并控制着局部冲刷模式，反之，局部冲刷的发展也影响着桥墩周围的水流结构。影响桥墩附近局部冲刷的因素很多，包括水深、流速、流向、河床泥沙类型、干容重、粒径、级配等，还涉及桥墩的尺寸、形状等。影响桥墩局部冲刷深度的因素包括下列几方面：桥墩特征因素、流体特征因素、河床质特征因素和流动特征因素。

引起桥墩冲刷的最主要的原因[3]就是桥墩的存在压缩了河槽水流引起单宽流量的增大，从而导致局部冲刷。因此桥墩长度L（或桥墩直径）或长宽比L/B是影响冲刷的一个因素。一般说来，桥墩越长、桥墩越宽，在墩头处产生的局部冲刷会越深，因为B、L（或桥墩直径R）反映了构造物对水流的压缩程度，压缩越大，构造物直接阻挡水流引起水流结构的改变越大，在墩头周围形成强烈的涡流与河槽泥沙发生的作用越大，因而引起的冲刷深度越大。

4.桥墩局部冲刷防护措施

冲积河床中,桥墩周围局部冲刷的形成几乎是不可避免的。工程师们必须在设计中采取预防措施,通常桥墩基础防护有两种基本方法:

a.提高河床推移质的抗冲刷能力,一般采用在桥墩底部铺设粗颗粒料或抛石，防护层。

b.减少冲刷介质的能力作用,亦即减少下向水流和马蹄形旋涡对推移质的冲刷,采用在河床中铺设延伸底板或护圈的方法。不少文献表明,在墩的周围设置护圈(薄板)或沉箱可以减小冲刷深度。护圈有防护因下向水流引起的冲刷泥砂颗粒的作用。图1所示为有关护圈的尺寸和位置对平衡冲刷深度影响的试验资料。该图曲线表明,护圈能大大地减小冲刷深度。总之,采用护圈看来是有效的,尤其是当不扰动流速足够小以致水流通过桥墩时不会有普遍的泥砂输移或河槽迁移。然而,当发生普遍的泥砂输移时,迁移河床形成的河槽会使护圈下方的墩暴露。在这种条件下,护圈就会失去其效力。基脚或沉箱在减小冲刷中的作用与护圈相同。沉箱用于阻止下向水流和马蹄形旋涡直接冲击泥砂颗粒。然而,在发生普遍泥砂输移处,其在水流中的效果也会减小。1984年曾在动床条件下用45mm直径的墩进行了冲刷试验,采用直径为90mm的圆柱体(充当沉箱)并与墩床相连。沉箱表面埋入河床平均高程以下6mm。因为沙丘位移过桥墩,因而在沙丘凹槽中河床高程降低,致使沉箱周期性地暴露于水流中。当发生这种情况时,因大直径沉箱引起较强的涡流和下向水流,故冲刷深度大大增加。就两组不扰动行近流速情况,计算了100分钟期间内的瞬时平均冲刷深度。结果表明,平头桥墩和有沉箱的桥墩二者平衡冲刷深度基本相同[5]。

图1护圆对圆柱形桥墩周围冲刷深度的影响

5.结论和展望

桥梁墩台周围必然发生冲刷现象，有可能威胁到桥梁建筑物本身的安全与稳定。本文通过研究桥墩局部冲刷特征和分析冲刷机理[6]，认为桥墩阻碍水流行进而出现的“集中水流”和“下降水流”是形成马蹄形漩涡的内在原因，而马蹄形漩涡系则是产生墩周局部冲刷的直接原因。局部冲刷的主要影响因素有桥墩特征、流体特征、河床质特征和流动特征。最后提出了底部铺设粗颗粒料或抛石防护层的冲刷防护措施，以保证桥墩的使用安全性。

一直以来，许多水利工作者都致力于桥墩局部冲刷机理的研究，取得了一些研究成果。即是结合这些成果对桥墩周围的水流结构、局部冲刷的发展过程、以及冲刷坑深度的影响因素的研究现状进行了详尽的介绍。但是，这些研究成果中还没有关于相对流速、相对水深以及冲刷过程中冲刷坑的形成和发展对桥墩周围流场水力特性影响的研究。

参考文献:

[1]薛小华．桥墩冲刷的试验研究[D]．武汉：武汉大学，2005．

[2]曹圣华．苏通大桥巨型群桩基础冲刷防护研究[D]．南京：河海大学，2007．