桥墩局部冲刷的机理及防护措施现状综述

桥墩局部冲刷的机理及防护措施现状综述

洪伟

重庆交通大学河海学院  重庆  400074

摘要：桥墩局部冲刷及防护措施是关注度很高的课题，属于航道建设中的重要环节。多年来，国内外众多学者对桥墩局部冲刷机理及防护措施的研究取得了很大的进展。本文采取综述的方法客观地列举了近几年国内外学者在桥墩冲刷和防护问题上采取的研究方法、研究内容和研究成果。

关键词：桥墩；局部冲刷；防护；文献综述

引言：

桥墩是支撑桥跨结构并将恒载和车辆活载传至地基的亚建筑、桥台设在桥梁两侧。其多数建造于地基之上，部分结构埋在岩土中，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.桥墩局部冲刷研究历史

我国桥梁建设历史悠久，早在一千四百多年前就建造有如赵州桥等一定规模的桥梁，对于桥梁的建设早具丰富经验，但对于桥墩局部冲刷问题的研究始于河流动力学和泥沙理论得到创建后的年代。在此之前一般只是套用苏联或美国的科研成果;我国早期对于桥墩局部冲刷的研究只是在于单纯的现场观测，1959年国家交通部组织各省对已建桥渡的桥墩所在底床进行了局部冲刷观测研究，并形成一定的数据表以供交通管理部门和设计部门决策参考。20世纪五六十年代和十年“文革”期间因为政治原因，一些科研工作者被错误打倒或下放到农村或基层改造，从而在河流动力学和泥沙理论等方面的研究一度被停滞和徘徊不前，只是20世纪70年代末期这些科学家们得到重用后，才得到大力推动和发展。桥墩的局部冲刷的研究也是如此，20世纪80年代，开始有了对桥墩局部冲刷研究的模型试验。其后，桥墩局部冲刷研究因改革开放时代要求，开始大量借鉴国外研究成果和资料，也有在对国内外观测资料整理分析和归纳及总结，如朱炳祥所为。当时的桥墩局部冲刷大致现场实测资料的分析和简单模型试验资料的汇总和分析，力图从理论上建立相关计算公式。即在20世纪80年代对于桥墩局部冲刷的研究基本在于现场观测和实测资料的整理和分析，进入20世纪90年代后，开始从桥墩局部冲刷的机理分析入手进行研究，这就需要在水力学和河流动力学及泥沙理论得到发展和应用，也只有在此基础上才能开展顺利，并取得较好成果。20世纪90年代末，物理模拟试验研究开始被广泛应用于桥墩局部冲刷问题的探究上，南京水利科学研究院在该方面研究取得较好进展，在大量优秀人才和良好的物理模拟大厅的条件下，取得一些成果。进入21世纪后，我国桥梁建设迈入新的时代，国力的强盛，有足够的钱投入交通基础建设上，工程建设规划的需要，让很多桥墩的局部冲刷物理模拟试验得到实施并取得相应的研究。21世纪初，随着计算科学水平的发展，数值模拟计算在桥墩局部冲刷的研究中得到应用和发展，数值模拟研究先是从桥墩所在流场的模拟，到桥墩所在底床质的冲刷模拟，广大科研工作者前赴后继，为探究桥墩局部冲刷的奥秘而努力奋斗。

2.桥墩局部冲刷研究内容及成果

桥墩局部冲刷的研究内容主要有:(1)局部冲刷概念的界定和内涵赋予;(2)桥墩附近水流流场结构;(3)桥墩局部冲刷种类;(4)桥墩局部冲刷机理;(5)桥墩局部冲刷坑形成过程;(6)桥墩局部冲刷坑深度;(7)桥墩局部冲刷防护;等等。

3.防护措施

3.1.传统防护措施

3.1.1提升始冲流速法

（１）抛石防护抛石防护是最常用的一种桥墩冲刷防护措施。一方面对床沙起保护作用，增加泥沙起动所需的水流作用力，另一方面增大桥墩附近的局部糙率，一定程度上减小了桥墩附近的流速，达到保护河床的目的。

（２）扩大基础防护扩大桥墩基础防护主要利用扩大桥墩基础的顶面阻止墩前下降水流直接冲刷床面，并能减弱马蹄形漩涡的冲沙携沙能力。护坦防护是一种典型的扩大桥墩基础防护型式，主要由护坦顶板和垂裙构成。周玉利等通过试验研究确定了护坦的最优防护模式：护坦埋置深度应为床面以下１～２ｍ，且布设宽度不小于１ｍ；垂裙深度应与计算冲深ｈＳＨ相配合。

3.1.2削弱下冲流速法

护圈防护护圈防护方法的原理是利用护圈的环状刚性顶面阻挡和消杀下降水流，减小墩周马蹄形旋涡和墩后尾流漩涡的冲刷作用，实现对桥墩局部冲刷的有效防护。田茂宽[1] 通过试验及数值模拟研究发现：护圈离床面越近，对冲刷的抑制作用越强，护圈紧贴床面且布设宽度越大时，对冲刷坑出现时间的滞后作用越强。高徐昌[2] 等进一步研究确定：水平护圈顶面与原始床面平齐，且布设宽度大于3.0倍桥墩直径时，防护效果最佳。

3.2新型防护措施

四面体透水框架群防护、透水三杆架体防护和环翼式桥墩是近年来出现的新型桥墩冲刷防护措施。其中四面体透水框架群防护和透水三杆架体防护可利用自身扰流消能和实体抗冲

的双重特性有效削减墩前下降水流、马蹄形旋涡和墩后尾流漩涡的能量，而环翼式桥墩主要是通过翼状挡板削减墩前下降水流的能量。

成兰艳等[3] 设计了一种新型环翼式桥墩，并进行了模型试验研究，所得结论为：挡板与河床的距离约为水深的1/3时，其减冲效果最好。白佳乐[4] 以成兰艳的试验模型为基础，通过数值模拟得到了桥墩的最佳防冲刷模式：挡板形状为半圆形，其安装位置为桥墩前方水深的1/3处，挡板延伸长度和桥墩的半径相等。

除此之外，另有学者提出新式的桥墩冲刷防护措施和防护装置。俞艳[3] 以现有的桥墩冲刷防护技术为基础，提出了一种新的防护方法：微型钢管桩＋钢制框架复合桥墩冲刷防护。蒲黔辉等[6] 提出了一种新式耗能结构与自主研发耗能材料组成的桥墩防护装置。该防护装置由若干单元块组成，单元块内部由耗能材料组成，外壳采用一种高耐磨属性的耐磨材料，可实现高效梯级式的耗能效果，以防止桥墩受到车辆、落石等的冲撞和流水的冲刷。

4.结语

随着桥墩建设以及桥墩冲刷防护技术的发展，仍然存在以下的不足：

１）室内模型试验及数值模拟具有一定的局限性，多数研究都无法考虑工程实际中的复杂因素的综合影响，只能采取简化方式以寻找主导因素的影响规律，应进一步完善改进模型试验及数值模拟方法，减少其局限性。

２）国内外的桥墩冲深计算公式间尚缺乏统一标准，地区性较强，计算结果之间的差异较大，应在进一步研究桥墩冲刷机理的基础上对计算公式进行优化，增加计算公式的适应性，建立国内外公式间的联系。

３）多数研究只考虑了典型圆柱形直立桥墩墩型，以及均匀无黏性床沙条件，未来可对群桩、组合桥墩以及黏性泥沙等条件下的桥墩冲刷问题进行研究。

４）桥墩防护技术均存在功能单一、可持续性相对较差等问题，应寻找各防护功能间的契合点，发展生态和可持续的防护技术，以适应绿色交通发展需求。

参考文献

[1] 田茂宽．桥墩冲刷防护［Ｊ］．铁道知识，1996（6）：38－39．

[2] 高徐昌．潮流作用下桥墩周边水流特性及局部冲刷研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，2018．

[3] 成兰艳,牟献友,文恒等.环翼式桥墩局部冲刷防护试验[J].水利水电科技进展,2012,32(03):14-18+61.

[4] 白佳乐. 环翼式桥墩局部冲刷防护数值模拟研究[D].内蒙古农业大学,2013.

[5] 俞艳，何思明．河流桥墩冲刷分析［Ｊ］．中国水运（下半月），2014，1410）：227－229．

[6] 洪彧,杨仕力,刘雨等.桥梁模型试验与新型测试技术2019年度研究进展[J].土木与环境工程学报(中英文),2020,42(05):1-13.

页1