橋墩局部沖刷的機(jī)理及防護(hù)措施

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院 重慶 400074)

一、引言

橋梁是道路跨越河流、峽谷和海域等天然屏障的重要手段，也是線路中斷時(shí)跨越障礙的重要承載結(jié)構(gòu)[1]。但是，橋梁的興建，由于橋梁墩臺(tái)的存在，縮短了河流的過水面積，這就必然導(dǎo)致橋址附近的水流結(jié)構(gòu)和泥沙狀況發(fā)生變化，促使河床也發(fā)生相應(yīng)的變化，同時(shí)橋梁墩臺(tái)處也必然發(fā)生局部沖刷現(xiàn)象，直接威脅到橋梁建筑物本身的安全與穩(wěn)定。

橋墩沖刷是橋梁水毀的主要原因之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，橋梁水毀的數(shù)量是超載破壞的6倍，是地震破壞的20倍[2]。近年來，由于沖刷導(dǎo)致橋梁垮臺(tái)的事故時(shí)有發(fā)生，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。2000年8月27日，由于受到臺(tái)風(fēng)碧利斯以及其后之降雨影響，高屏大橋的P22/P23橋墩被溪水沖毀，使大橋橋面塌陷100米，造成行駛其上的17輛汽機(jī)車墜落，22人輕重傷，高屏兩地交通旋即中斷，造成高雄市與屏東市都會(huì)區(qū)間聯(lián)系的不便[3]；2001年8月2日，由于橋渡沖刷導(dǎo)致藍(lán)煙線外夾河橋以及東萊線東泉河橋分別倒塌，因措施采取得當(dāng)，即使攔停了線路上的火車，所幸未造成重大人員財(cái)產(chǎn)損失；2002年6月9號(hào)，由于西安霸州爆發(fā)洪水，隴海線灞河橋的1～5號(hào)橋墩被沖垮，1～6孔梁墜落，導(dǎo)致隴海線行車中斷14小時(shí)30分鐘[4]。

因此，橋梁沖刷是橋墩設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到橋梁的安危，研究橋梁的沖刷對(duì)橋梁設(shè)計(jì)、施工、防洪以及通航論證均具有十分重要的意義[5]。然而，由于橋墩沖刷的影響因素眾多，因素之間又相互影響，難以準(zhǔn)確定量預(yù)測，加之水文現(xiàn)象的變化，橋墩沖刷破壞多具有突發(fā)特性。所以對(duì)橋墩沖刷的研究仍具有重大意義。

二、橋墩局部沖刷機(jī)理分析

(一)橋墩沖刷的概念。橋墩沖刷的機(jī)理十分復(fù)雜，為了便于分析和計(jì)算，通常把橋墩的沖刷分成三個(gè)部分：(1)河床的自然演變：雖然河床自然演變的原因非常復(fù)雜，演變的現(xiàn)象也多種多樣，而水沙輸送不平衡是導(dǎo)致河床發(fā)生變化的根本原因，在水流的作用下，這種不平衡向著平衡的方向發(fā)展但這種平衡只是暫時(shí)的，將來水文條件一旦發(fā)生變化，必然引起水沙平衡的破壞，因此河床處于不斷變形的過程之中；(2)橋墩一般沖刷：受橋孔壓縮的影響，水流自上游較大過水?dāng)嗝嫫鸺眲纳嫌渭皟蓚?cè)流入橋孔，在橋址處形成收縮斷面，然后再逐漸擴(kuò)散，恢復(fù)到天然河道的狀態(tài)，在收縮斷面處，過水面積最小，而流速最大，是一般沖刷最嚴(yán)重的地方；(3)橋墩局部沖刷：由于橋墩阻擋水流，會(huì)產(chǎn)生水流沖擊和渦流作用，使得橋墩四周出現(xiàn)三維邊界層，從而產(chǎn)生具有高流速特性和高紊動(dòng)特性的水流，這種水流在向下游傳播的過程中，會(huì)產(chǎn)生很大床面下切力，進(jìn)而在橋墩四周出現(xiàn)局部的河床變形。

(二)橋墩局部沖刷的特性。橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)主要包括：墩前向下水流、墩前雍水以及尺度很大的漩渦體系，如圖1所示。其中，漩渦體系包括在墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄渦系以及橋墩兩側(cè)水流分離引起的尾流渦系。漩渦體系形成以后，還不斷的向兩側(cè)及墩后釋放出小的漩渦，向四周發(fā)展[6]。

圖1 橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)

馬蹄渦系每釋放一個(gè)尾流漩渦，就會(huì)在漩渦的中心出現(xiàn)一個(gè)低壓中心，從而增大馬蹄渦系內(nèi)水流的橫向流速。而當(dāng)尾流漩渦發(fā)展到下游時(shí)，馬蹄渦系則會(huì)后退進(jìn)入到?jīng)_刷坑內(nèi)。結(jié)果就是，隨著尾流漩渦的釋放和發(fā)展，馬蹄渦系內(nèi)不斷水流不斷進(jìn)行著橫向、豎向和前后擺動(dòng)，對(duì)橋墩局部位置形成繞流沖刷的特征。

(三)橋墩局部沖刷機(jī)理。在天然河床上修筑橋梁之后，橋梁橋墩周圍的水流會(huì)因?yàn)闃蚨盏淖韪糇饔枚l(fā)生劇烈的變化。以直立圓柱體橋墩為例，在圓柱體周圍沖刷坑的三維流場內(nèi)，水流受到圓柱體橋墩阻擋之后會(huì)產(chǎn)生垂直向下和側(cè)向的流速分量，以及局部的渦旋流，分別稱之為“下降水流”、“集中水流”、“馬蹄渦系”和“尾流漩渦”。

當(dāng)水流行進(jìn)至橋墩時(shí)，由于橋墩的阻隔，一部分水流繞墩側(cè)而過，另一部分水流則直接沖擊橋墩，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能。墩前“下降水流”在能量轉(zhuǎn)化的同時(shí)，水面雍高，并與上層水平方向行進(jìn)水流構(gòu)成表面漩渦，其下層水流轉(zhuǎn)而向下，與下層水平方向行進(jìn)水流構(gòu)成底部的向下漩渦，其中底部的向下漩渦是產(chǎn)生局部沖刷的主要?jiǎng)恿ΑＲ虼?，引起橋墩局部沖刷的主要原因有三：一是橋墩阻水在墩前形成局部雍水，產(chǎn)生“下降水流”，垂直向下沖擊河床泥沙，在墩前形成沖刷坑；二是流動(dòng)分離的側(cè)向繞流產(chǎn)生的兩側(cè)的“馬蹄渦系”和“尾流漩渦”淘刷兩側(cè)和后部河床；三是由于橋墩占據(jù)了原河床一定的過水面積，縮窄了過水?dāng)嗝?，在橋墩兩?cè)形成流水相對(duì)較大的“集中水流”，從而使橋墩兩側(cè)河床首先引起沖刷，并逐步發(fā)展至橋墩正面。

墩前水流受到橋墩的阻隔和干擾，其上層水面基本上仍然與原水面保持平行，但是由于橋墩的阻水作用的影響以及下層水流的托抬作用而向上彎曲，抬升到一定高度之后，又由于重力作用而沿橋墩向下流動(dòng)或者向墩側(cè)繞流，向下流動(dòng)的水流帶動(dòng)下層受橋墩阻水影響的水流一同傾斜向下流動(dòng)，遇到河床床面的阻擋之后，與墩側(cè)的繞流匯合之后在床面形成橫軸環(huán)狀的馬蹄渦系；繞墩的水流在橋墩和正常水流挾持下載橋墩的前后端部以及左右側(cè)形成立軸狀的馬蹄渦系；水流通過橋墩后，被擠壓的水流向墩后擴(kuò)散，在墩后的局部區(qū)域形成尾流渦系。由于水流在墩身周圍的以上變化，引起了橋墩周圍河床的局部沖淤變形。墩前及墩側(cè)的馬蹄渦系將泥沙帶起，由墩側(cè)集中水流帶走，在通過墩側(cè)立軸狀的馬蹄渦系至墩后時(shí)，泥沙先被通過沖刷坑面上抬的水流上舉，而后斜落在墩后。這一過程同樣會(huì)在橋墩的前部和側(cè)面形成沖淤變形。當(dāng)橋墩周圍出現(xiàn)沖刷坑之后，橋墩所阻水流的水流結(jié)構(gòu)又會(huì)發(fā)生變化，挾沙能力也隨著沖刷坑的加深而減小，當(dāng)被阻水流對(duì)河床床面泥沙的作用于床面泥沙對(duì)水流的抗沖作用達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)，沖刷坑的深度也就不再增加，達(dá)到?jīng)_刷平衡。

(四)橋墩局部沖刷影響因素。影響橋墩局部沖刷深度的因素具體包括下列幾個(gè)方面[7]：(1)流體特征因素：流體容重γ、流體運(yùn)動(dòng)粘度ν、重力加速度g；(2)河床質(zhì)特征因素：泥沙容重γs、泥沙粒徑d、粒徑級(jí)配結(jié)構(gòu)、土粘性；(3)流動(dòng)特征因素：行近水流深度H0、行近流速V0、傅汝德數(shù)Fr；(4)橋墩特征因素：橋墩形狀系數(shù)kξ、橋墩寬度B、橋墩長度L(或橋墩直徑R)、水流方向與墩軸的夾角α。

根據(jù)已有的研究成果對(duì)以上一些主要因素對(duì)橋墩局部沖刷的影響簡單的進(jìn)行定性的分析：

1.水流方向與墩軸的夾角α對(duì)局部沖刷深度的影響。水流方向與墩軸的夾角α越大，則局部沖刷深度越大，一是因?yàn)闃蚨盏淖杷畬挾仍龃罅?；二是因?yàn)樵跇蚨招螤钜欢ǖ那闆r下，水流方向與墩軸的夾角α的改變，整個(gè)橋墩的迎水面的形狀也會(huì)發(fā)生改變，迎水角會(huì)加大局部沖刷的深度，在無法回避偏角的情況下，應(yīng)盡量減小墩基與作用力較強(qiáng)的水流的夾角。

2.上游行近水流深度H0對(duì)局部沖刷深度的影響。上游行近水深變化對(duì)局部沖刷深度的影響很大，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。然而，僅定性方面的結(jié)論差異就很大，爭議頗多。一般認(rèn)為，行近水深較小時(shí)，局部最大沖深隨水深的增加而增加，當(dāng)水深進(jìn)一步增加時(shí)，局部最大沖深和水深幾乎無關(guān)。

3.橋墩寬度B、橋墩長度L(或橋墩直徑R)對(duì)局部沖刷深度的影響。引起橋墩沖刷最根本的原因是橋墩的存在壓縮了河槽水流引起單寬流量的增大，從而導(dǎo)致局部沖刷。一般來說，橋墩越長、橋墩越寬，在墩頭處引發(fā)的局部沖刷就會(huì)越深，因?yàn)闃蚨諏挾?、橋墩長度或橋墩直徑直接反映了橋梁對(duì)水流的壓縮程度，壓縮越大，橋梁阻水引起的水流結(jié)構(gòu)的改變越大，產(chǎn)生的沖刷作用越大，因而沖刷深度也就越大。

三、橋墩局部沖刷防護(hù)措施

橋墩沖刷幾乎是不可避免的，對(duì)于沖積河床更是如此。因此，橋梁設(shè)計(jì)工作者在進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮采取一定的防護(hù)工程對(duì)橋墩周圍的河床進(jìn)行防護(hù)，以保證橋墩的安全與穩(wěn)定。

(一)傳統(tǒng)防護(hù)措施。橋墩局部沖刷傳統(tǒng)的防護(hù)措施主要包括拋石防護(hù)、擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)、護(hù)圈防護(hù)以及開縫防護(hù)等。

拋石防護(hù)主要是在橋墩的四周鋪設(shè)拋石，讓其承受水流的沖擊，從而減小水流對(duì)河床的沖蝕力；擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)和護(hù)圈防護(hù)都是通過減弱下降水流和馬蹄渦系的強(qiáng)度起到防護(hù)作用；開縫防護(hù)是使下降水流轉(zhuǎn)向離開河床或減小下降水流對(duì)河床的沖擊，從而達(dá)到?jīng)_刷防護(hù)的作用。以上防護(hù)辦法結(jié)合使用的時(shí)候，可以進(jìn)一步減小沖刷深度。

(二)新型防護(hù)措施

1.護(hù)殼防護(hù)。護(hù)殼防護(hù)是一種最新提出的橋墩局部沖刷防護(hù)措施，它通過在橋墩的表面設(shè)置兩種人工粗糙護(hù)殼來降低水流的強(qiáng)度，直接降低了下降水流和馬蹄渦系的強(qiáng)度并影響尾流漩渦的強(qiáng)度，如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明，這種防護(hù)措施在相同水流條件和泥沙條件下與光滑橋墩相比，沖刷深度降低大概25%左右。

這種防護(hù)措施的優(yōu)點(diǎn)：一是只在橋墩的表面進(jìn)行處理，不需要考慮其它附屬設(shè)施工程，節(jié)省造價(jià)；二是這種護(hù)殼相對(duì)于橋墩而言是完全獨(dú)立的，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體外觀。

圖2 護(hù)殼防護(hù)圖

圖3 下游石板防護(hù)圖

2.下游石板防護(hù)。所謂下游石板防護(hù)就是把預(yù)制的石板放置在橋墩的下游位置，坐落于河床基巖之上并延伸至整個(gè)河床的橫截面，如圖3所示。

下游石板防護(hù)減小了整個(gè)過水?dāng)嗝嫔系乃髁魉?，同時(shí)削弱了尾流漩渦對(duì)局部沖刷的影響。

四、結(jié)論

1)本文以橋墩局部沖刷為研究對(duì)象，橋梁墩臺(tái)處的局部沖刷是橋梁水毀的主要原因之一，直接威脅橋梁本身的安全與穩(wěn)定。

2)通過介紹橋墩局部沖刷的概念和特性，分析橋墩局部沖刷的機(jī)理，橋墩阻水之后產(chǎn)生的“下降水流”、“集中水流”、“馬蹄渦系”和“尾流漩渦”是造成橋墩局部沖刷的主要原因。

3)影響橋墩局部沖刷的因素主要包括：流體特征、河床質(zhì)特征、流動(dòng)特征和橋墩特征等四個(gè)方面。

4)在介紹拋石防護(hù)、擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)、護(hù)圈防護(hù)以及開縫防護(hù)等傳統(tǒng)防護(hù)措施的基礎(chǔ)上，介紹了兩個(gè)新型防護(hù)措施，即護(hù)殼防護(hù)和下游石板防護(hù)，以保證橋墩的安全使用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王建平,邢方亮,穆守勝等.潮流作用下橋墩局部沖刷研究[J].人民珠江,2014(3):25-29.

[2]李夢龍.潮流作用下橋墩局部沖刷研究[D].天津大學(xué),2012.

[3]薛小華.橋墩沖刷的試驗(yàn)研究[D].武漢大學(xué),2005.