橋墩清水局部沖刷減速不沖防護(hù)技術(shù)試驗(yàn)研究

房世龍，陳 紅，施小飛

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，江蘇 南通 226010；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

橋墩清水局部沖刷減速不沖防護(hù)技術(shù)試驗(yàn)研究

房世龍1，陳 紅2，施小飛1

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，江蘇 南通 226010；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

減速不沖防護(hù)技術(shù)能夠通過改變橋墩周圍水流動(dòng)力條件來有效遏制床面泥沙沖刷，具有較好的防護(hù)效果和工程應(yīng)用價(jià)值，但目前還沒有關(guān)于其沖刷防護(hù)效果及特性的系統(tǒng)研究。通過室內(nèi)變坡水槽試驗(yàn)對(duì)水平護(hù)圈、墩體開縫、基礎(chǔ)沉箱、墩前排樁、埋置式攔沙檻、埋置式導(dǎo)流屏等典型減速不沖防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。分析了各典型減速不沖防護(hù)技術(shù)幾何布設(shè)參數(shù)對(duì)橋墩周圍沖刷深度削減率的影響規(guī)律，并從機(jī)理上探究了減速不沖防護(hù)技術(shù)對(duì)橋墩清水局部沖刷的防護(hù)效果和防護(hù)特性。研究成果可為橋墩局部沖刷防護(hù)技術(shù)的選取及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

清水沖刷；減速不沖防護(hù)技術(shù)；防護(hù)效果；防護(hù)特性

0 引 言

沖積性河流中橋墩阻水引起的復(fù)雜旋渦體系和高強(qiáng)度水體紊動(dòng)會(huì)造成橋墩周圍床面的局部沖刷[1-2]。局部沖刷不僅會(huì)導(dǎo)致橋墩的變形移位，甚至?xí)l(fā)整座橋梁的失穩(wěn)水毀。

為避免局部沖刷對(duì)橋梁安全運(yùn)營(yíng)的威脅，可以采用一些防護(hù)橋墩免受沖刷的工程措施[3-4]。Y．M．CHIEW[5]將橋墩局部沖刷防護(hù)技術(shù)分成實(shí)體抗沖和減速不沖兩類。實(shí)體抗沖防護(hù)技術(shù)主要是利用實(shí)體材料自身具有的抗沖能力來保護(hù)橋墩周圍床面泥沙不被沖刷，主要有拋石、石籠沉排、混凝土模袋等。實(shí)體抗沖防護(hù)技術(shù)雖然具有取材方便、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但防護(hù)工程的整體性較差，工程后維護(hù)費(fèi)用較大，在清水和動(dòng)床沖刷條件下存在剪切破壞、卷揚(yáng)破壞、邊緣破壞、床面形態(tài)引起的破壞和河床下切引起的破壞等多種破壞形式，在一定條件下這些破壞形式會(huì)引發(fā)整個(gè)沖刷防護(hù)工程的潰敗[6]。減速不沖防護(hù)技術(shù)主要是通過改變橋墩周圍水流動(dòng)力結(jié)構(gòu)和削弱旋渦體系沖刷力來實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩局部沖刷的有效防護(hù)。目前典型的減速不沖防護(hù)技術(shù)主要水平護(hù)圈、墩體開縫、墩前排樁、基礎(chǔ)沉箱、埋置式攔沙檻、埋置式導(dǎo)流屏等幾種形式。多年的理論研究和工程應(yīng)用表明，減速不沖防護(hù)技術(shù)較以往的防護(hù)技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)、有效，并具有更好的推廣應(yīng)用前景[7-8]。

截至目前，已有關(guān)于個(gè)別減速不沖防護(hù)技術(shù)防護(hù)橋墩局部沖刷機(jī)理、影響橋墩周圍流場(chǎng)特性和工程實(shí)際應(yīng)用效果的初步研究成果，但還沒有對(duì)其沖刷防護(hù)效果及特性進(jìn)行過系統(tǒng)深入的研究[9-12]。因此，筆者通過室內(nèi)變坡水槽試驗(yàn)對(duì)水平護(hù)圈、墩體開縫、基礎(chǔ)沉箱、墩前排樁、埋置式攔沙檻、埋置式導(dǎo)流屏等典型減速不沖防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，分析了減速不沖防護(hù)技術(shù)幾何布設(shè)參數(shù)對(duì)橋墩周圍沖刷深度削減率的影響規(guī)律，并從機(jī)理上探究了減速不沖防護(hù)技術(shù)對(duì)橋墩清水局部沖刷的防護(hù)效果和防護(hù)特性。研究成果可為橋墩局部沖刷防護(hù)技術(shù)的選取及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 清水沖刷試驗(yàn)

橋墩清水局部沖刷減速不沖防護(hù)技術(shù)防護(hù)效果研究在矩形斷面自循環(huán)變坡水槽上進(jìn)行。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)1 600 cm，寬80 cm，深90 cm，水槽兩側(cè)邊壁和試驗(yàn)段底部均為玻璃壁面，便于清水局部沖刷發(fā)展過程中各種試驗(yàn)現(xiàn)象的跟蹤觀測(cè)。水槽下游端的鉛直升降可使水槽底坡在0～17/1 000之間變化，能滿足建立研究所需均勻流試驗(yàn)條件的要求。

水槽運(yùn)行過程中，變頻水泵從地下水庫中抽取水流，水流流經(jīng)流量控制閥門后通過輸水管道進(jìn)入試驗(yàn)水槽內(nèi)部，并最終在水槽下游端尾門處回流至地下水庫。水槽進(jìn)口處設(shè)置了蜂窩狀的平水格柵，平水格柵不僅能夠校直水流方向，還能夠抑制因回水產(chǎn)生的渦流，有利于水槽有效試驗(yàn)段內(nèi)均勻流的產(chǎn)生。水槽進(jìn)口流量由閥門控制，并通過多普勒超聲波流量計(jì)量測(cè)。槽內(nèi)水位由下游端的尾門控制，流速由超聲波多普勒流速儀量測(cè)，槽內(nèi)水深和防護(hù)前后橋墩周圍的最大沖刷深度由水位測(cè)針讀取。

為了研究橋墩清水局部沖刷減速不沖防護(hù)技術(shù)的防護(hù)效果，在距離試驗(yàn)水槽入口800 cm處布置了一個(gè)作為有效試驗(yàn)段的沙坑，沙坑順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)度為200 cm，橫向?qū)挾葹?0 cm，深為20 cm。為了減少試驗(yàn)過程中模型沙的使用量，沙坑下游端至尾門、沙坑上游端至水槽入口均安裝了20 cm厚的灰塑板制成的假底，假底上鋪設(shè)了厚度為5 cm的模型沙，沙坑也用模型沙填充至與假底上床沙面平齊。

試驗(yàn)選用的模型沙為天然無黏性均勻沙，模型沙密度為2.65×103kg/m3，中值粒徑d50=0.53 mm，不均勻系數(shù)σg=1.2，沙粒形狀系數(shù)接近1.0。試驗(yàn)采用橫截面為圓形的有機(jī)玻璃管模擬橋墩，模型橋墩直徑D=10 cm，固定于距離水槽入口900 cm沙坑平面形心所在位置處的水槽底面上。所有組次的試驗(yàn)均是在清水沖刷條件下展開的，試驗(yàn)采用墩前行近流速U=33.4 cm/s，行近水深H=30.0 cm，來流剪切流速u*,∞=1.66 cm/s，為避免水流條件對(duì)減速不沖防護(hù)技術(shù)防護(hù)效果的影響，試驗(yàn)開展過程中始終保持相對(duì)流速U/Uc=1.0，相對(duì)水深H/D=3.0。減速不沖防護(hù)技術(shù)的防護(hù)效果均通過沖刷深度削減率ξ=(1-hs/hs0)×100%來衡量，其中hs0和hs分別為采用防護(hù)措施前后沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)橋墩周圍的最大沖刷深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水平護(hù)圈幾何布設(shè)參數(shù)對(duì)沖刷防護(hù)效果影響

水平護(hù)圈防護(hù)技術(shù)能夠利用環(huán)狀剛性頂面將橋墩周圍易受侵蝕河床面進(jìn)行有效隔離，使之免受墩前向下水流、墩周馬蹄形旋渦和墩后尾流漩渦的沖刷作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩清水局部沖刷的有效防護(hù)，水平護(hù)圈的結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式如圖1。水平護(hù)圈防護(hù)技術(shù)的防護(hù)效果與布設(shè)寬度和布設(shè)高度等幾何布設(shè)參數(shù)有關(guān)，其中布設(shè)寬度Wco為環(huán)狀水平護(hù)圈外圓對(duì)應(yīng)的直徑，布設(shè)高度Yco為護(hù)圈頂面到原始床面的距離，護(hù)圈位于原始床面以上時(shí)布設(shè)高度取值為正，反之為負(fù)。

圖1 水平護(hù)圈的結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式Fig.1 Structure and layout form of horizontal collar

圖2為清水沖刷條件下沖刷深度削減率隨水平護(hù)圈相對(duì)布設(shè)寬度的變化規(guī)律。

圖2 沖刷深度削減率隨護(hù)圈相對(duì)布設(shè)寬度的變化Fig.2 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout width of collar

相對(duì)布設(shè)高度保持不變時(shí)，增加水平護(hù)圈的相對(duì)布設(shè)寬度。橋墩周圍旋渦體系與易受侵蝕河床的接觸面積逐漸減小，護(hù)圈的隔離作用使得沖刷深度削減率增大，護(hù)圈的沖刷防護(hù)作用增強(qiáng)。相對(duì)布設(shè)寬度大于3.0以后，橋墩周圍漩渦體系已被限制在護(hù)圈剛性頂面的覆蓋區(qū)域內(nèi)，并與易受侵蝕河床面完全隔離，導(dǎo)致沖刷深度削減率的變化并不明顯，護(hù)圈的防護(hù)效果也已不受布設(shè)寬度的影響，所以水平護(hù)圈的最優(yōu)布設(shè)寬度應(yīng)不小于3.0倍橋墩直徑。

相對(duì)布設(shè)寬度保持不變時(shí)，沖刷深度削減率隨水平護(hù)圈相對(duì)布設(shè)高度的變化可分為兩個(gè)特征區(qū)域：其一是水平護(hù)圈位于原始床面以上時(shí)，增加相對(duì)布設(shè)高度，護(hù)圈與原始床面之間的距離增加，沖刷深度削減率減小，護(hù)圈的防護(hù)作用減弱，這表明護(hù)圈只能有效隔離其環(huán)狀剛性頂面以上區(qū)域內(nèi)旋渦體系的沖刷作用，而不能對(duì)形成于其頂面以下區(qū)域內(nèi)的旋渦體系的沖刷力造成影響，所以距離床面越遠(yuǎn)，水平護(hù)圈的防護(hù)效果就越差；其二是水平護(hù)圈位于原始床面以下時(shí)，隨著相對(duì)布設(shè)高度的減小，護(hù)圈在河床內(nèi)的埋置深度增大，沖刷深度削減率減小，護(hù)圈的沖刷防護(hù)作用減弱。這主要是因?yàn)樗阶o(hù)圈被埋置于原始床面以下時(shí)，只有橋墩周圍沖刷深度發(fā)展到其埋置位置并使其環(huán)狀頂面暴露于水中以后，水平護(hù)圈才能發(fā)揮隔離旋渦體系和易受侵蝕河床的作用。所以埋置式布設(shè)方式不僅極大削弱了水平護(hù)圈對(duì)橋墩清水沖刷的防護(hù)作用，也增加了實(shí)施難度和工程造價(jià)。對(duì)比不同布設(shè)高度時(shí)的防護(hù)效果發(fā)現(xiàn)，水平護(hù)圈頂面與原始床面平齊時(shí)的防護(hù)效果最好，特別是布設(shè)寬度大于3.0倍橋墩直徑后，沖刷深度削減率最大可達(dá)93.8 %。

因此，護(hù)圈防護(hù)技術(shù)對(duì)橋墩周圍床面沖刷具有較為顯著的防護(hù)效果，特別是在清水沖刷條件下，橋址河段一般沖刷和收縮沖刷完成后，布設(shè)于河床床面附近的護(hù)圈防護(hù)效果最好。

2.2 墩體開縫幾何布設(shè)參數(shù)對(duì)沖刷防護(hù)效果影響

墩體開縫防護(hù)技術(shù)主要是利用墩縫過流減小墩前行近水深和迎水面處駐點(diǎn)壓力，削減向下水流和馬蹄形旋渦的沖刷力，改變墩后尾流漩渦的沖刷作用方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩清水局部沖刷的有效防護(hù)。墩體開縫的結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式如圖3。

圖3 墩體開縫的結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式Fig.3 Structure and layout form of piers slot

影響墩體開縫防護(hù)技術(shù)防護(hù)效果的幾何布設(shè)參數(shù)為墩縫的布設(shè)長(zhǎng)度Ls和布設(shè)寬度Ws。圖4為清水沖刷條件下沖刷深度削減率隨墩縫相對(duì)布設(shè)長(zhǎng)度的變化規(guī)律。

由圖4可知，墩體開縫后橋墩周圍最大沖刷深度均較無防護(hù)措施時(shí)有不同程度的減小。墩縫相對(duì)布設(shè)寬度保持不變，增加墩縫的相對(duì)布設(shè)長(zhǎng)度，沖刷深度削減率迅速增大，墩體開縫的防護(hù)作用顯著增強(qiáng)。墩縫布設(shè)長(zhǎng)度的增加不僅導(dǎo)致了墩前有效水深的減小，也使得阻擋行近水流形成駐點(diǎn)壓力的有效橋墩迎水面積減小，所以駐點(diǎn)壓力驅(qū)動(dòng)下的向下水流強(qiáng)度變?nèi)?，馬蹄形旋渦和尾流漩渦的沖刷力也同時(shí)被削弱，故而防護(hù)效果增強(qiáng)。墩縫布設(shè)長(zhǎng)度增大至墩前行近水深與無防護(hù)措施橋墩周圍最大沖刷深度之和時(shí)，墩體開縫防護(hù)技術(shù)的防護(hù)效果最好。墩縫相對(duì)布設(shè)長(zhǎng)度相同時(shí)，隨著墩縫相對(duì)布設(shè)寬度的增加，墩體本身的透水性能逐漸增強(qiáng)，而阻水作用逐漸減弱，向下水流和馬蹄形旋渦的沖刷作用強(qiáng)度隨之變?nèi)?，墩體透水造成的流速重新分布也削弱了墩后尾流漩渦的強(qiáng)度，所以沖刷深度削減率增大，墩體開縫的沖刷防護(hù)作用增強(qiáng)。墩縫布設(shè)長(zhǎng)度為墩前行近水深與無防護(hù)措施橋墩周圍最大沖刷深度之和、墩縫布設(shè)寬度為0.6倍橋墩直徑時(shí)，沖刷深度削減率最大可達(dá)39.5 %，防護(hù)效果最好。

雖然墩縫長(zhǎng)度和寬度越大，沖刷防護(hù)效果就越好，但墩縫幾何尺度過大會(huì)對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)整體性造成損害。因此，在清水沖刷條件下墩前行近水流方向變化不大、墩體開縫對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)整體性損害不大的情況下，可以采用墩體開縫防護(hù)技術(shù)。

2.3 基礎(chǔ)沉箱幾何布設(shè)參數(shù)對(duì)沖刷防護(hù)效果影響

基礎(chǔ)沉箱防護(hù)技術(shù)能夠利用沉箱頂面改變水流結(jié)構(gòu)作用方式來保護(hù)橋墩周圍床面免受沖刷，其結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式如圖5。影響基礎(chǔ)沉箱防護(hù)技術(shù)防護(hù)效果的幾何布設(shè)參數(shù)為沉箱布設(shè)高度Yca、沉箱直徑Dc和橋墩直徑Dp，其中布設(shè)高度為沉箱頂面到原始河床面的距離，沉箱頂面位于原始床面以上時(shí)布設(shè)高度取值為正，反之為負(fù)。

圖5 基礎(chǔ)沉箱的結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式Fig.5 Structure and layout form of footing caisson

圖6為清水沖刷條件下沖刷深度削減率隨沉箱相對(duì)布設(shè)高度的變化規(guī)律。

圖6 沖刷深度削減率隨沉箱布設(shè)高度的變化Fig.6 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout height of footing caisson

由圖6可知，沖刷深度削減率隨沉箱相對(duì)布設(shè)高度的變化可分為兩個(gè)特征區(qū)域。在第一個(gè)特征區(qū)域內(nèi)(-0.33≤Yca/Dp≤H/Dp)，沖刷深度削減率均為負(fù)值。說明沉箱的出現(xiàn)不僅沒有對(duì)清水局部沖刷起到應(yīng)有的防護(hù)作用，還使得橋墩周圍沖刷深度均較無防護(hù)措施時(shí)有不同程度的增加。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是，相對(duì)布設(shè)高度大于-0.33后，隨著相對(duì)布設(shè)高度的增加，部分沉箱逐漸開始直接暴露于水體中，沉箱的出露增加了橋墩的有效墩徑，而且沉箱的相對(duì)直徑越大、出露的部分越多，橋墩的有效墩徑就越大，橋墩周圍旋渦體系的沖刷作用顯著增強(qiáng)，局部沖刷深度較無防護(hù)措施時(shí)增加地也就越多。所以采用基礎(chǔ)沉箱防護(hù)技術(shù)防護(hù)橋墩清水局部沖刷時(shí)，應(yīng)避免將沉箱布設(shè)在-0.33倍橋墩直徑至自由水面的高度范圍內(nèi)。在第二個(gè)特征區(qū)域內(nèi) (-hs0/D≤Yca/D≤-0.33)，沉箱的相對(duì)布設(shè)高度保持不變時(shí)，隨著沉箱相對(duì)直徑的增加，沉箱外緣至橋墩表面的長(zhǎng)度也增加，沉箱頂面與橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)相互作用的區(qū)域范圍變大，向下水流、馬蹄形旋渦和尾流漩渦對(duì)床面泥沙的沖刷作用程度變小，所以沖刷深度削減率逐漸增大。沉箱的相對(duì)直徑保持不變時(shí)，減小沉箱的相對(duì)布設(shè)高度，沖刷深度削減率先增加而后又逐漸減小，直至沉箱頂面位于無防護(hù)措施時(shí)橋墩周圍最大沖刷深度以下位置處時(shí)，沉箱已不能對(duì)水流結(jié)構(gòu)的沖刷力造成影響，因而失去了對(duì)橋墩局部沖刷的防護(hù)作用。而沉箱相對(duì)布設(shè)高度在-0.9≤Yca/D≤-0.7范圍內(nèi)時(shí)，沖刷深度削減率均具有極大值，最大沖刷深度削減率可達(dá)67.9%，可作為沉箱防護(hù)的最優(yōu)布設(shè)高度取值區(qū)間范圍。

由此可見，頂面布設(shè)于河床面以下、相對(duì)直徑越大的基礎(chǔ)沉箱的防護(hù)效果越好，但該技術(shù)只適用于清水沖刷條件下河道無橫向擺動(dòng)，且橋址處一般沖刷、收縮沖刷完成后的橋墩防護(hù)。

2.4 墩前排樁幾何布設(shè)參數(shù)對(duì)沖刷防護(hù)效果影響

墩前排樁能夠通過樁群自身的減速消能作用促使來流挾帶的泥沙在其尾流區(qū)內(nèi)落淤，也能利用樁群尾流影響橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)，削弱墩周旋渦體系的強(qiáng)度和沖刷力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩清水局部沖刷的有效遏制，其結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式如圖7。

圖7 墩前排樁的結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式Fig.7 Structure and layout form of sacrificial piles

墩前排樁防護(hù)技術(shù)的防護(hù)效果取決于單樁直徑Dsp、單樁數(shù)量Nsp、布設(shè)形狀、布設(shè)距離Lsp和單樁間距Ssp等幾何布設(shè)參數(shù)。B.W.MELVILLE，等[13]的研究認(rèn)為，單樁相對(duì)直徑Dsp/D=0.167、單樁數(shù)量Nsp=5、布設(shè)形狀為頂角α=30°的等腰三角形時(shí)墩前排樁的防護(hù)效果顯著。筆者在采用上述最佳布設(shè)形式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究了沖刷深度削減率隨墩前排樁布設(shè)距離和單樁間距的變化規(guī)律，如圖8。

圖8 沖刷深度削減率隨墩前排樁布設(shè)距離的變化Fig.8 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout distance of sacrificial piles

由圖8可知，清水沖刷條件下墩前排樁的出現(xiàn)使得橋墩周圍最大沖刷深度均較無防護(hù)措施時(shí)有不同程度的減小。相對(duì)布設(shè)距離不變時(shí)，隨著相對(duì)單樁間距的減小，樁群的阻水作用增強(qiáng)，而透水性能減弱，樁群尾流對(duì)橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)的影響程度加大，旋渦體系的沖刷力減弱，所以沖刷深度削減率逐漸增加，墩前排樁的防護(hù)作用也逐漸增強(qiáng)。相對(duì)單樁間距保持不變時(shí)，隨著排樁相對(duì)布設(shè)距離的增加，橋墩逐漸遠(yuǎn)離樁群的尾流區(qū)域，排樁對(duì)橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)的影響減弱，墩周旋渦體系的沖刷力增強(qiáng)，所以沖刷深度削減率逐漸減小，墩前排樁的沖刷防護(hù)作用減弱。由此可見，采用墩前排樁防護(hù)時(shí)，為取得最優(yōu)清水局部沖刷防護(hù)效果，應(yīng)盡可能的減小排樁的單樁間距和布設(shè)距離，但由于河道橫向擺動(dòng)等因素引起的墩前行近水流方向變化較大時(shí)，墩前排樁將失去防護(hù)作用。

2.5 埋置式攔沙檻幾何布設(shè)參數(shù)對(duì)沖刷防護(hù)效果影響

埋置式攔沙檻是將一定幾何尺寸的矩形薄板狀底檻沿整個(gè)河寬垂直埋置于橋墩下游某一位置處的河床內(nèi)，并保持底檻頂面與原始河床面平齊的一種減速不沖防護(hù)技術(shù)。埋置式攔沙檻會(huì)在沖刷發(fā)展過程中隨著沖刷坑的形成而逐漸暴露于水中，然后通過自身擾流消能作用削減墩后尾流旋渦的沖刷力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋墩清水局部沖刷的有效防護(hù)，其結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式如圖9。

圖9 埋置式攔沙檻的結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式Fig.9 Structure and layout form of embedded sill

影響埋置式攔沙檻防護(hù)技術(shù)防護(hù)效果的幾何布設(shè)參數(shù)為攔沙檻厚度t和布設(shè)間距Lsi。圖10為清水沖刷條件下沖刷深度削減率隨攔沙檻相對(duì)布設(shè)間距的變化規(guī)律。由圖10可知，采用埋置式攔沙檻防護(hù)后橋墩周圍最大沖刷深度均較無防護(hù)措施時(shí)有不同程度的減小。相對(duì)布設(shè)間距保持不變時(shí)，隨著相對(duì)厚度的增加，攔沙檻的擾流消能作用逐漸增強(qiáng)，尾流旋渦卷揚(yáng)泥沙致其順?biāo)魇У哪芰p弱，所以沖刷深度削減率逐漸增大，攔沙檻的防護(hù)作用增強(qiáng)。相對(duì)厚度保持不變時(shí)，減小相對(duì)布設(shè)間距，沖刷深度削減率增大，攔沙檻的防護(hù)作用增強(qiáng)，相對(duì)布設(shè)間距為0時(shí)，攔沙檻上游面到橋墩尾水面的距離最小，防護(hù)效果也最好，沖刷深度削減率最大可達(dá)31.6 %。

圖10 沖刷深度削減率隨攔沙檻相對(duì)布設(shè)間距的變化Fig.10 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout interval of embedded sill

由此可見，越是靠近橋墩尾水面，攔沙檻對(duì)墩后水流的調(diào)整作用越明顯，尾流旋渦沖刷力的削減幅度也就越大，與橋墩尾水面的距離越小，攔沙檻增加局部流場(chǎng)水流阻力的影響范圍越大。這也有效削減了向下水流和馬蹄形旋渦的沖刷力，從而使攔沙檻的防護(hù)作用增強(qiáng)。但是，埋置式攔沙檻防護(hù)技術(shù)只適用于清水沖刷條件下河道無橫向擺動(dòng)、墩前行近水流方向變化不大、且橋址處一般沖刷、收縮沖刷完成后的橋墩防護(hù)。

2.6 埋置式導(dǎo)流屏幾何布置參數(shù)對(duì)沖刷防護(hù)效果影響

埋置式導(dǎo)流屏是被垂直埋置于橋墩上游迎水面處河床內(nèi)，自身與水流方向成一定角度，頂面與原始河床面保持平齊，下游端依附于橋墩外表面矩形薄板狀結(jié)構(gòu)物，其結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式如圖11。

圖11 埋置式導(dǎo)流屏的結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)方式Fig.11 Structure and layout form of embedded vanes

埋置式導(dǎo)流屏能夠增大所在區(qū)域內(nèi)局部流場(chǎng)的水流阻力，促使來流挾帶的泥沙在橋墩附近落淤，也能夠通過激發(fā)次生環(huán)流有效削弱墩前向下水流和墩周馬蹄形旋渦的強(qiáng)度，保護(hù)橋墩周圍床面泥沙免受沖刷。影響埋置式導(dǎo)流屏防護(hù)技術(shù)防護(hù)效果的幾何布設(shè)參數(shù)為布設(shè)長(zhǎng)度Lv、布設(shè)距離Bv、導(dǎo)流屏與水流方向夾角β。已有的研究成果表明[14]，導(dǎo)流屏夾角β=18.5°時(shí)防護(hù)效果顯著，所以筆者在采用上述最優(yōu)導(dǎo)流屏夾角的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究了沖刷深度削減率隨導(dǎo)流屏布設(shè)距離的變化規(guī)律，如圖12。

圖12 沖刷深度削減率隨導(dǎo)流屏相對(duì)布設(shè)距離的變化Fig.12 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout distance of embedded vanes

由圖12可知，采用埋置式導(dǎo)流屏防護(hù)后橋墩周圍最大沖刷深度均較無防護(hù)措施時(shí)有不同程度的減小。相對(duì)布設(shè)距離保持不變時(shí)，隨著相對(duì)布設(shè)長(zhǎng)度的增加，導(dǎo)流屏對(duì)向下水流和馬蹄形旋渦沖刷力的削減作用增強(qiáng)，沖刷深度削減率增大。布設(shè)長(zhǎng)度約為1.0倍橋墩直徑時(shí)的防護(hù)效果最好。此后相對(duì)布設(shè)長(zhǎng)度增加，導(dǎo)流屏的防護(hù)效果反而變差。相對(duì)布設(shè)長(zhǎng)度保持不變時(shí)，隨著相對(duì)布設(shè)距離的減小，導(dǎo)流屏對(duì)墩前流場(chǎng)的影響范圍增大，墩前水流能量的耗散量增多，向下水流和馬蹄形旋渦的沖刷力減弱，所以沖刷深度削減率也幾乎線性增加。Bv/D=0.42時(shí)沖刷深度削減率到達(dá)極大值，導(dǎo)流屏的防護(hù)效果最好。此后，隨著相對(duì)布置距離的繼續(xù)減小，導(dǎo)流屏逐漸遠(yuǎn)離橋墩迎水面，對(duì)墩前向下水流和馬蹄形旋渦等水流結(jié)構(gòu)的影響變?nèi)?，所以沖刷深度削減率也逐漸減小。

選取上述最優(yōu)布置參數(shù)后，埋置式導(dǎo)流屏防護(hù)技術(shù)在清水沖刷條件下墩前行近水流方向變化不大的情況下防護(hù)效果最好。

3 結(jié) 論

筆者通過室內(nèi)變坡水槽試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了橋墩清水局部沖刷減速不沖防護(hù)技術(shù)的防護(hù)效果，得出以下結(jié)論：

1)減速不沖防護(hù)技術(shù)對(duì)橋墩清水局部沖刷均有不同程度的防護(hù)作用，而不同防護(hù)技術(shù)的防護(hù)效果和防護(hù)特性也不相同。

2)水平護(hù)圈頂面與河床面平齊且布設(shè)寬度大于3.0倍橋墩直徑時(shí)的防護(hù)效果最好，沖刷深度削減率可達(dá)93.8 %。增加墩縫長(zhǎng)度和寬度，墩體開縫防護(hù)技術(shù)的防護(hù)作用增強(qiáng)，沖刷深度最大削減率可達(dá)39.5 %以上。

3)基礎(chǔ)沉箱相對(duì)直徑越大防護(hù)效果越好，沉箱頂面位于原始床面以下0.7～0.9倍橋墩直徑處、相對(duì)直徑大于10.0倍橋墩直徑后，沖刷深度削減率最大可達(dá)67.9 %。墩前排樁的布設(shè)距離和單樁間距越小防護(hù)作用越強(qiáng)，布設(shè)距離和單樁間距分別小于2.0和0.67倍橋墩直徑后，沖刷深度削減率可達(dá)39.3 %。

4)埋置式攔沙檻的厚度越大、布設(shè)間距越小防護(hù)效果越好，沖刷深度削減率可達(dá)31.6 %以上。埋置式導(dǎo)流屏布設(shè)長(zhǎng)度和布設(shè)距離分別為1.0和0.42倍橋墩直徑時(shí)的防護(hù)效果最好，沖刷深度削減率最大可達(dá)37.3 %。

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Experimental Study on Protection Effect of Flow-Altering Countermeasuresagainst Clear Water Scour at Bridge Piers

FANG Shilong1, CHEN Hong2, SHI Xiaofei1

(1. Department of Transportation Engineering, Nantong Shipping College, Nantong 226010, Jiangsu, P.R.China; 2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China)

The flow-altering countermeasures can effectively curb the bed sediment erosion by changing the hydrodynamic conditions around the piers, which has a good protective effect and application value. However, there has not been systematic study on its scour protection effects and characteristics yet. Therefore, the classic flow-altering countermeasures such as the horizontal collar, bridge piers slot, footing caisson, sacrificial piles, embedded sill and embedded vanes were systematically studied by means of the indoor variable slope flume test. The influence rule of geometric layout parameters of the flow-altering countermeasures on the reduction efficiency of the equilibrium maximum scour depth was also studied. The protection effect and protection characteristics of these classical flow-altering countermeasures against the clear water scour were deeply analyzed from the mechanism. The research results can offer some references for the choice and optimal design of the flow-altering countermeasures.

clear water scour; flow-altering countermeasures; protection effect; protection characteristics

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.16

2015-03-25；

2015-05-13

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013329284210)；江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013Y27-04,2014C03-07)；南通市社會(huì)事業(yè)科技創(chuàng)新與示范計(jì)劃(HS2014017)

房世龍(1978—),男，黑龍江樺南人，副教授，博士，主要從事港口航道及海岸工程、河流泥沙工程方面的研究。E-mail:fangsl3000@163.com。

U442.3+2

A

1674-0696(2016)03-071-07