桥墩局部冲刷机理及防护措施研究

桥墩局部冲刷机理及防护措施研究

王蜜

重庆交通大学 河海学院，重庆  400074

摘要：桥墩局部冲刷作为一个漫长又复杂的过程，其作用机理涉及方方面面，本文选取其中主要的三个原因进行阐述，并简述了传统防护和新型防护两种类型的防护措施。

关键词：桥墩局部冲刷；作用机理；传统防护；新型防护

1  引言

我国国土广阔，地形地貌复杂，河流众多，高山峡谷密布，为确保经济发展，加强区域联系，人们在修建公路和铁路的过程中选择架设桥梁。随着时代变迁，桥梁的形式多样，规模逐渐宏大，越来越因地制宜。但随之带来的问题逐渐凸显，其中对于建落在河（海）床之上的桥墩局部冲刷问题是桥梁维护急需解决的问题之一。

2  桥墩局部冲刷的概念

桥墩作为桥梁的主要支撑结构，承受了巨大的上部荷载，跨河桥梁建造于河床地基之上。桥墩上半部分置于流体中，在流体直接作用力下发生的磨损侵蚀；下半部分埋置于岩土中，墩身周围的泥沙因流体运动而产生掏刷冲深等，导致河床地形不断发生变化[1]。

桥墩局部冲刷是一个动态、随机且漫长的过程,其概念不断地被完善，目前桥墩局部冲刷的定义为：由于桥墩的存在改变了桥墩周围的原有的水流结构和泥沙的冲淤状况，破坏了输沙平衡，造成了桥墩周围发生河床冲刷的现象[2]。

3  桥墩局部冲刷的机理

3.1  水流作用

桥墩位于水流之中，阻碍了水流运动，使墩前的水流一部分绕墩而过，另一部分则分散成向上、向下的不同方向的水流，致使原有的流态复杂化[3]。水流在桥墩前会形成向下游传播的螺旋流，同时，在桥墩下游形成中心是中空的回流区，产生将泥沙卷往下游的有旋流动造成床面冲刷。而桥墩侧向绕流会逐渐形成马蹄形螺旋流，作为桥墩局部冲刷的主要动力之一的马蹄涡加速了侧向水流流动[4]，致使桥墩两侧地形产生冲刷;当达到泥沙的起动流速时，水流带动泥沙运动，并向下游发展，从而形成冲刷坑，但是当流速减小时，冲刷能力随之逐渐减小，甚至停止冲刷。此外，在桥墩尾流区中，湍流强度和垂向涡量相对较高，桥墩在湍流和尾涡的综合作用下造成了局部冲刷[5]。

3.2  泥沙作用

河床组成作为桥墩局部冲刷的被动因素，其抗冲能力与冲刷坑深度成反比关系。当河床的抗冲能力较弱时，桥墩局部冲刷坑较大，当其抗冲能力较强时，桥墩局部冲刷坑则会较小[6]。

除了河床的组成外，水流是否挟沙也会对桥墩的局部冲刷产生显著影响。清水冲刷时，墩前向下的水流和马蹄形旋涡淘刷河床，导致冲刷坑内的泥沙不断流失，冲刷坑深度不断增加，直至达到平衡的冲刷深度。在动床冲刷条件下，床面泥沙普遍起动，因有上游来沙的补给，冲刷坑的深度先减后增，直到水流的挟沙能力等于上游来沙量，即冲刷坑的深度发展到平衡的冲刷状态[7]。

3.3  桥墩形状作用

桥墩墩型发生改变后，桥墩附近水流结构也会发生变化。苏奕垒[8]通过冰盖下不同桥墩局部冲刷实验发现圆柱型、圆端型、尖端型和长方型四种墩型下最大冲刷深度均出现在桥墩上游迎水面位置；但长方形桥墩的最大冲刷深度和冲刷范围明显大于其他三种类型，这是由于圆柱形、圆端形和尖端形这类流线型的桥墩结构降低了桥墩迎水面的流动分离，对水流的阻碍较小，桥墩附近产生的涡旋强度也较弱，因此，钝角形结构的长方形桥墩周围的河床泥沙在水流的作用下更易产生较大的冲刷。另外桥墩形状相同，尺寸不同也会引起桥墩附近水流的变化，所以合理选择桥墩的形状和尺寸可有效减少桥墩局部冲刷。

4  桥墩局部冲刷的防护措施

桥墩局部冲刷的防护有两方面的含义：一是将桥墩的基础打造得足够深且足够坚固，可在一定程度上增强对水流的抵抗能力；二是采取外部防护措施以减轻桥墩局部冲刷、缩小冲刷范围，减小冲刷深度[1]。后者防护效果较好，而且节省财力物力，更具发展前景。对于防护措施大体分为两类：传统防护措施和新型防护措施。

4.1  传统防护措施

4.1.1  抛石防冲

桥墩局部冲刷的防护措施之一是抛石防护。抛石防护将具有一定粒径和质量要求的块石或卵石按设计要求抛投到指定区域。抛石防护可就地取材且施工简单，采用次数较多，但是抛石防冲措施需要定期维护，否则经过长时间的掏刷，块石逐渐被水流带走，床面裸露，抛石防护会渐渐失去防护作用[9]。

4.1.2  护脚和沉箱防冲

为了防止下冲流和马蹄形涡流直接冲击桥墩周围的泥沙颗粒，在桥墩周围设立护脚和沉箱，可使水流挟沙能力减弱，进而防止冲刷破坏[9]。

4.1.3  扩大桥墩基础防护

扩大桥墩基础防护是指在施工时将钢围堰埋入河床面以下一定深度之后再完成下部桩基施工，基础完成后，在距床面一定高度后封顶，然后在顶面上放置桥墩的防护措施。该方法有效的削弱了部分向下水流和马蹄形漩涡的冲刷力，但其防护稳定性受限于河底泥沙的变化。[10]。

4.2   新型防冲措施

4.2.1  护壳防护

通过在墩台迎水面增加条型粗糙细纹并在其余表面设置独立的圆形结构物，前者可降低二次流和马蹄涡流的强度，后者可降低尾流涡旋的强度。这种方法同相同水沙条件下的光滑桥墩相比，冲刷深度可有效减小。另外，护壳防护可节约投资，且整体外观不受影响[11]。

4.2.2  下游石板防护

下游石板防护就是把石板放在桥墩的下游，埋置在河床上并延伸到整个河底横截面。下游石板防护通过削弱尾流涡旋，减小水流流速的作用，减少冲刷。此外，减小下游石板和桥墩之间的距离，可提高防护效果[11]。

4.2.3  四面体防护

四面体防护是由钢筋混凝土或在混凝土中加入藤条制成。四面体防护会减小水流流速、紊动强度和涡旋强度，减少局部冲刷。这种防护措施因自身不会被水流和泥沙的运动所影响，其防护作用也更灵活[11]。

5  结语

本文从桥墩周围的水流、泥沙条件以及桥墩形状分析了桥墩局部冲刷的作用机理，并举了传统和新型两类防护措施，简述了各措施的优缺点。随着我国桥梁工程的迅速发展，对桥梁的防护要求越来越高，对于桥梁防护的研究必须结合实际情况，提出具有针对性且生态效益更高的防护措施。

参考文献：

[1]邓绍云.我国桥墩局部冲刷与防护研究及发展方向[J].北部湾大学学报,2019,34(10):52-62.

[2]孟庆峰．桥墩局部冲刷深度预测方法研究[D].长沙: 长沙理工大学，2008．

[3]张新燕,吕宏兴,沈波.圆柱桥墩局部冲刷机理试验研究[J].水利水运工程学报,2012(02):34-41.

[4]B. Dargahi. The turbulent flow field around a circular cylinder[J]. Experiments in Fluids, 1989, 8(1-2):1-12.

[5]赵威,呼和敖德.圆柱绕流局部冲刷机制的实验研究[J].力学学报,2006(05):577-585.

[6]何小兰,李强.浅析跨河桥梁桥墩局部冲刷[J].中国水运(下半月),2013,13(01):198-200.

[7]房世龙,杨国巍.桥墩局部冲刷研究[J].黑龙江科技信息,2010(31):287-288.

[8]苏奕垒. 不同墩径和墩型对冰期桥墩局部冲刷影响的试验研究[D].合肥工业大学,2020.

[9]栾正伟,马骕.桥墩冲刷防护分析及措施[J].金田,2013(04):334.

[10]房世龙,陈红,王岗.桥墩局部冲刷防护工程特性研究综述[J].水利水电科技进展,2007(04):84-89.

[11]杨淑君,刘永军.桥墩局部冲刷的新型防护措施综述[J].河南水利与南水北调,2012(06):10-12.