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

朱海彬

重庆交通大学

摘要：桥墩局部冲刷及其防护的研究极为重要，是桥梁建设的前提和关键，随着交通事业的发展，桥梁的规模越来宏伟，桥墩形态和尺寸富有变化，桥墩所处环境越来越复杂。桥墩冲刷是桥墩设计的关键环节，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。文章通过对桥墩局部冲刷特征及冲刷机理的研究，分析了桥墩特征、流体特征等因素对桥墩局部冲刷的影响，并提出了有效的防冲刷保护措施。

关键词：桥墩；局部冲刷；冲刷机理；防护措施

Mechanism of Local Scouring of Bridge Piers and Protection Measures

ZHU Haibin

Abstract:With the development of transportation, the scale of the bridge is more and more magnificent, the pier form and size are rich in changes, and the environment in which the bridge pier is located is more and more complex. Bridge pier scour is the key link of bridge pier design, and its damage to the bridge crossing is more sudden and accidental. The article analyzes the impact of pier characteristics, fluid characteristics and other factors on pier local scour through the study of pier local scour characteristics and scour mechanism, and proposes effective anti-scour protection measures.

Keywords: bridge pier; local scour; scour mechanism; protective measures

桥墩是桥梁的主要组成部分，是支撑桥跨结构并将恒截和车辆活荷载传递到地基的结构。大多数桥墩建在河床基础上，部分埋置于岩土之中，部分置于流体中，因其阻碍、妨碍、扰乱、改变了原有的流体结构和状态，而变得晃动、紊动和涡旋等，并因之承受流体较为复杂和强烈的作用力，且进一步加剧流体结构和状态的变化。继而，一方面使桥墩部分墩身磨损和侵蚀及消蚀;另一方面使桥墩埋置于岩土中墩身周围的泥沙因流体运动的剧烈改变而产生“掏起”“冲刷”“搬运”“甩抛”“沉落”等，而导致所在底床原有地形发生变化的现象和过程，被人们称为桥墩的局部冲刷。

1桥墩局部冲刷机理

桥墩局部冲刷机理是桥墩局部冲刷的关键和 难点，其理论性非常强，牵涉面非常广，人们有从 理论上对它进行分析，也有从实验观测上去对它进行揭示，在更早时期人们主要通过现场长期的观察进行研究分析。桥墩局部冲刷受众多因素影响[1]，影响因素不同机理有所不同，这些因素大概可以概括为几大类别：(1)动力类因素；(2)地质类因素；(3)动力与地质之外的第三类因素。动力因素主要是指水动力因素，水动力因素又与水深、流速、流量、流态等因素密切相关，同样的桥墩形态和尺寸及布置且同样的地质条件情况下，水动力因素是决定桥墩周围底床质是否掏起输移的关键因素，而此时的几个水动力因素又存在一个耦合作用的效果，如水深相同情况下，肯定是大流速掏起底床质的机率更大；反之，相同的断面平均流速下，水深浅处，桥墩附近底床质更容易掏起，在这点上桥墩局部冲刷时泥沙的起动流速很多学者套用了明渠底床泥沙的起动公式[2]。

1.1墩前下降水流的冲击作用

桥墩对水流的阻碍，使桥墩周围水流结构发生剧烈变化，在墩头前沿形成一种“下降水流”，将底沙垂直向下冲刷，在桥墩前形成冲坑[3]。

1.2水流受桥墩的压缩作用

桥墩周围的局部冲刷是由于桥墩压缩水流，改变了桥墩周围原有的流速分布，桥墩两侧流速相对增大，使桥墩两侧首先引起冲刷，冲刷逐渐向墩前发展[4]。根据局部冲刷试验期间对水流结构的观察分析，上述三种观点并非孤立行动，而是相互影响。由此可见，桥墩对水流的挤压和阻碍，改变了桥墩周围的流场，从而造就了桥墩两侧的“集中水流”和桥墩前的“下降水流盗”。集中水流和下降水流盗是马蹄涡形成的内在原因，马蹄涡系是码头周边局部冲刷的直接原因。

2局部冲刷防护措施

2.1冲刷防护原理

桥墩局部冲刷防护有两个方面的含义，一方面是将桥墩基础打造得足够深足够坚固，桥墩所在的底床泥沙的淘刷而不至于危及桥墩基础的裸露;另一方面是采取必要的方式与措施减轻局部冲刷的程度、缩小局部冲刷的范围，减小局部冲刷最大深度。前者人们称之为被动防护，后者被称之为主动防护。被动防护采取主要是在早期，目前及今后的发展和主攻方向将是主动防护。被动防护也就是将桥墩基础打得足够深入，桥墩局部冲刷达到极限深度，也对桥墩不至于构成掏空悬移的安全危险。

2.2冲刷防护方法

桥墩冲刷几乎是不可避免的，特别是对于冲积河床。即使基础深度足够，采取一定的措施也能有效地减小冲刷坑深度，提高结构的安全性和桥梁的稳定性。随着科学的发展，人们对桥墩冲刷机理越来越认识清楚，从而变被动为主动，采用相应的措施、方法和手段，改变河床底床质，用人工草来对桥墩冲刷防护。杨淑君等综述了桥墩局部冲刷的一些新型防护措施，这些措施有护壳防护、下游石板防护、四面体防护、开缝与下游石板相结合防护、部分抛石灌浆防护等。增加桥墩周围河床的防冲刷能力。例如，在桥墩周围的河床上铺设粗粒材料或抛石保护层，可以提高桥墩的抗冲刷能力。降低水流冲刷的能量，即减弱下游冲流和马蹄涡对河床的冲刷，一般采用扩大墩基础面或设置护脚。如果沉箱或基脚放置在桥墩墩轴线以下，它们可以提供冲刷保护通过改变桥墩结构形态来达到改变水流和泥沙的运动边界条件而减缓桥墩局部冲刷，减小冲刷范围，减轻冲刷深度是当今主要的主动防护措施和方法，例如采用群桩基础式桥墩；田勇通过物理模拟实验研究发现斜交桥墩冲刷坑的几何特性与正交桥墩存在较大区别。

此外，从桥墩的平面布置上改善布置方式，以达到缓解桥墩局部冲刷达到防护的目的。串联环翼式布置方式，水流结构变化较大，从控制效果来看发现下侧桥墩上防冲板的安装位置＞串联环翼式桥墩之间的间距＞下侧桥墩上防冲板的安装数量，串联环翼式桥墩的最佳组合形式为下侧桥墩上防冲板安装位置为0.2h(h为水深)，串联环翼式桥墩之间的间距为3r(r为环翼式桥墩半径)，下侧桥墩上防冲板安装数量为2片。徐兆凯等提出在下游建拦沙坝对上游桥墩进行防护以免其冲刷过于严重，并实验研究证明该方法防护有效；郭成超等提出可采用透水四脚块体对桥墩冲刷进行防护，且实验研究了不同的抛投密度、抛投范围、杆件长宽比等防护参数确定问题，并通过工程实际应用分析了其实际防护效果。对于桥墩局部冲刷防护人们还在努力中，不断探索新的有效方式、方法和措施。

3结语

对于桥墩局部冲刷及防护研究将密切结合桥梁工程建设的实践而进行，紧紧围绕工程实践中所遇到的难题和所提出的问题开展研究。随着我国交通事业的发展，桥梁建设越来越规模宏大，所架建的桥梁将越来越处各种复杂的环境中，同时因为桥梁通车要求更进一步加大吨位，从而要求桥墩的承载能力更大，强度和刚度及韧性; 此外，由于交通运输车船吨位和规模及尺寸的增大，要求桥梁跨度越来越大，及要求桥梁净高越来越大，从而桥墩形态和尺寸将进一步改进，更为人们关注的是潮汐河口大桥、跨海大桥、沿海边大桥、河江海上立交桥的架建将给桥墩局部冲刷和防护带来新的研究难题和技术要求。

参考文献：

[1]卓长智.桥墩局部冲刷及加固措施的思考[J].科技与创新,2019(12):10-12.

    ZHUO Changzhi. Consideration of local scouring and reinforcement measures for bridge piers[J]. Technology and Innovation,2019(12):10-12.

[2]金亚昆.桥墩局部冲刷机理研究[J].黑龙江交通科技,2019,42(02):149-150.

    JIN Yakun. Study on the mechanism of local scouring of bridge piers[J]. Heilongjiang Transportation Science and Technology,2019,42(02):149-150.

[3] 王顺意.水流作用下圆柱桥墩局部冲刷特性与防护措施研究[D].西南交通大学,2020.

    WANG Shunyi. Research on local scour characteristics and protection measures of cylindrical bridge piers under the action of water flow[D]. Southwest Jiaotong University, 2020.

[4] 产华东,魏松,张英杰,龙庆,焦浩然.桥墩局部冲刷机理研究进展综述[J].安徽建筑,2020,27(07):168-169.

    YANG Huadong, WEI Song, ZHANG Yingjie, LONG Qing, JIAO Haoran. A review of the progress of research on local scour mechanism of bridge piers[J]. Anhui Architecture,2020,27(07):168-169.