桥墩局部冲刷的机理及防护措施

桥墩局部冲刷的机理及防护措施

刘港庆1

(1. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400041)

摘要：桥墩属桥梁基础部分，其整体稳定性与可靠性直接影响着桥梁质量。但是桥梁在实际使用过程中，桥墩必然会受到水流的冲刷，从而使其功能与性能受到影响，甚至会出现结构受损的情况。本文阐述桥墩局部冲刷的研究现状、机理，总结了局部冲刷的研究方法内容和相关防护措施，为今后对于桥墩局部冲刷的研究提供参考。

关键词：桥墩局部冲刷；机理；防护措施

桥墩在桥梁建筑物中起着一个支承桥跨结构的作用。但桥墩的涉水部分必然会导致泥沙与水流产生相互作用，进而影响桥梁建筑物本身的安全与稳定。对桥梁桥墩局部冲刷的机理研究和防护措施的采取是保证桥梁安全运行的必要手段。我们必须足够重视桥墩局部冲刷的机理以及防护措施。

1、研究现状

由于桥墩的阻碍作用，水流会在桥墩周围产生涡流而引起冲刷现象。按照冲刷的水流现象，一般将冲刷分为：单向流冲刷；潮汐往复流冲刷；潮汐河口混合水流冲刷。但我们普遍研究单向流作用下引起的桥墩局部冲刷。经过一个世纪的国内外学者的研究，对于单向流作用下的桥墩局部冲刷问题已经取得相对成熟的研究结果[1]。从以前的基于小缩尺比的水槽实验到现在的流体动力学模拟，方法在不断的发展。中国学者刘振卿在CFD计算软件Fluent中使用标准K-ε湍流模型对圆柱形墩的周围三维复杂场做了数值模拟方法[2]；Jain等人提出了桥墩局部冲刷的计算公式；高冬光等学者也提出了较为代表性的与桥墩局部冲刷相关的公式[3]。张胡等人建立FLOW-3D洪流共同作用下的三维桥墩冲刷及防护数学模型[4]；卢中一等人采用正态冲刷模型的研究成果应用于桥墩的冲刷和防护[5]；梁森栋等人运用HEC-18公式研究复合桥墩的冲刷[6]。

2、桥墩局部冲刷研究方法

对于桥墩局部冲刷的研究，方法主要有以下几种，或单独应用，或混合使用，各方法各有优缺点，各有其适应的条件和环境。

2、1理论分析法

该方法主要是基于流体力学、河流动力学、泥沙动力学等相关学科、专业和课程的基本知识和基本方法，对桥墩附近水流的流速分布、流场分布等水力要素的变化进行分析、预测等得出相应结论的研究方法。桥墩局部冲刷理论分析研究的典型成果就是: 桥墩周围的水流结构的描述。

2、2现场观测法

该方法是最为原始也最为有效的科研方法，是对桥墩局部冲刷的水流运动、流场变化、泥沙运动和底床地形变化的长期观测，最终得出合符实际的研究结论。其一般应用于科研工作的早期，对某一问题研究的初始阶段、开拓阶段，当缺乏必需的资料和数据时，就只得通过现场观测收集和积累桥墩早期或新桥建设不长时间的相关研究资料和数 据。

2、3数值模拟分析

这种方法是在数学理论知识非常完善和数值计算方法非常完善和计算机科学技术水平较高的情况下，对水流运动数学方程即N－S方程式和泥沙运动方程进行离散计算求数值解，并通过一定的方法将计算结果加以表达出来。桥墩局部冲刷数值模拟根据模拟的对象可分水流流场的模拟，即对建有桥墩之后水流结构特性变化的模拟研究，又可分为二维和三维模拟。一般三维模拟也是在沿水深的不同层面的二维模拟的结果汇总。桥墩局部冲刷最为关键的目标是能准确模拟水沙变化，预测墩前壅水、墩后回流以及极限平衡冲刷深度，分析河床演变，在工程规划设计、环境影响评价及河流健康情况等方面都有着重要的应用价值。数值模拟分析具有:省钱、省时和可重复性好，这是物理模拟实验研究所不具备的，但较物理模拟实验研究来说，其缺点是准确性差，可数值模拟的状态经过大量的概化和假设，从而导致失真结果。

3、防护措施

应提升桥墩周围河床的防冲能力，如在桥墩周围铺设粗颗粒材料防护层或抛石，从而提高桥墩的防冲刷能力；减小水流冲刷的能量，通常采用扩大桥墩基础平面或设护脚的方法，如在桥墩墩轴线下面设沉箱或基脚，可以起到防止冲刷的作用；桥墩设计时采用流线型桥墩，能有效降低墩周的大压力场，从而防止三维边界层分离而形成马蹄形涡流， 也可起到防止冲刷、保护桥墩的作用。

根据防护机理的不同，可将防护方式分为主动防护和被动防护。被动防护旨在增强河床材料的抗冲刷能力，而主动防护旨在减小冲刷产生的原动力。

3、1主动防护

主动防护大多分为护圈防护和牺牲桩防护。护圈保护结构物对于桥墩四周的局部冲刷有较好的抑制作用，可有效保护桥墩四周的泥沙不被三维的紊动水流侵蚀。当护圈保护结构物与泥沙床面齐平的时候，护圈保护结构物直径越大，保护效果越好；护圈结构物与泥沙面齐平的时候保护效果最好。牺牲装防护是指在桥墩上游布置一系列小直径的群桩以起到保护其免受冲刷的一种防护方式。来流会首先遇到这些桩，并与之发生作用，其方向被扰动且流速减小，从而使得桥墩最终受到的作用大大降低，起到防护作用。牺牲桩可以有效地减小桥墩周围的局部冲刷，它的存在使得群桩达到冲刷平衡状态时所需的时间也被大大缩短；牺牲桩通过对水流的影响而导致对后方群桩的冲刷特性产生影响。

3、2被动防护

抛石是目前被动桥墩防护措施中运用最广泛的一类，其优势在于可以随处取材，操作相对简单。通过抛石运作能卷起河床内部的泥沙，对河流冲击造成巨大阻力，同时凹凸不平的石块也会造成水流速度的变化，最终起到防护作用，分为传统抛石和抛石替代法防护。传统抛石防护，其防护范围必须大于2倍桥墩宽度。虽然抛石方法操作便捷，但是却需要大量石材或者石头颗粒，并且能够满足实际需求的石材有限，因此需要替代抛石防护的方法。目前普遍采用混凝土铰链防护，混凝土硬壳单元体防护和混凝土石笼防护代替抛石法，它们的防护机理都是阻挡下降水流带来的冲刷以及降低前进水流携走泥沙的能力。

3、3主动防护与被动防护相结合

区别于主动的方法，被动防护措施大多从被防护的对象入手，例如铺设碎石等，以求达到防护河水冲击的目的。但现在更多的是采用主动与被动相结合的共同防御措施。如：四脚混凝土块防护，在桥墩局部冲刷中采用四脚混凝土块防护效果好，稳定性强；混凝土铰链排于混凝土模袋防护。

4、结论

桥梁在使用过程中，桥墩受到河水冲刷是十分常见的。但由于冲刷机理复杂，影响冲刷的因素较多，对已发生结构损坏、需要加固防护的桥梁，结合实际情况合理选择防护方法和对策，这样才能最大限度地提升防护作用，确保桥墩的稳定性与整体性能。

参考文献(References)：

[1]祝志文,喻鹏.中美规范桥墩局部冲刷深度计算的比较研究[J].中国公路学报,2016,29(01):36-43.

[2]祝志文,刘震卿.圆柱形桥墩周围局部冲刷的三维数值模拟[J].中国公路学报,2011,24(02):42-48.

[3]高冬光,田伟平,张义青,王亚玲.桥台的冲刷机理和冲刷深度[J].中国公路学报,1998(01):56-64.

[4]张胡,闫杰超,陈凯华.典型桥墩局部冲刷及防护特性数值模拟研究[J].水利水电快报,2018,39(04):45-47+52.

[5]卢中一,高正荣,吴丽华,袁文志.南京长江三桥桥墩基础的局部冲刷[J]. 人民长江,2005(10):48-50+60.

[6]梁森栋,张永良.大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析[J].水利学报,2011,42(11):1334-1340.