桥墩局部冲刷的机理及防护措施

【摘 要】 近年来桥墩冲刷问题变得越来越严重，严重时会引起桥墩基础承載能力的严重下降。目前国内外的计算方法和研究方法越来越多，发展也越来越快。本文将针对近年来诸多学者所做出的研究成果进行总结，并且提出近段时间以及长久发展所存在的问题。

【关键词】 桥墩冲刷 局部冲刷 冲刷机理 防护措施

在我国的大型跨江跨河桥梁建造过程当中，多数采用群桩基础。由于群桩基础的存在，使得水流流动特性发生变化，而且在循环和和冲刷的作用之下，使桩基础的承载性状发生了显著变化[1]。群桩基础的建造会造成桩前下切水流和侧向绕流剧烈冲刷桥墩基础周边河床[2]。作为桥梁工程重要的减灾措施之一，桥墩基础的局部冲刷防护受到国内外越来越多的关注[3]。

桥梁等跨河建筑物的水下结构可局部阻挡过流，压缩过流宽度，产生水流侧向收缩，减少了断面宽度和过水面积，使水流单宽流量增加，引起河床冲刷，即压缩冲刷。压缩断面上下游的水流结构发生变化，在一定范围内形成回流区。回流区与断面流速重新分布有着密切的关系[4]，而流速重分布又会对断面冲淤产生影响[5]。总的冲刷通常包括三个部分： 一般冲刷（ General scour） 、收缩冲刷（ Contraction scour ） 和局部冲刷（ Local scour）[6]。一般冲刷是因桥孔压缩，水流单宽通过量增加，桥孔上下游河床面上的泥沙被急速通过的水流带走，导致桥位附近的床面下降的冲刷[7]，局部冲刷，是造成桥梁水毁事故发生的主要原因。由于桥梁墩、台的存在，阻挡了水流的行进，改变了结构物的局部流场，引起结构物周围急剧的泥沙运动，形成局部冲刷坑，使得基础周围土侧抗力减小，基底应力重新分布，导致基础承载性状的变化，甚至失效[8]。局部冲刷深度通常远大于一般冲刷和收缩冲刷，大约会差一个数量级。因此，在分析桥梁基础的冲刷时，局部冲刷最为关键[9]。

研究方法及计算方法：

目前国内外的研究方法和计算方法包括模型试验和模态分析等。模型试验是了解河床抗冲性能、冲刷范围和冲刷深度、防护材料的稳定重量等防护设计基本资料的重要手段[2]。

姚锦宝等过挖开桥墩基础周围覆盖层土体的不同厚度模拟基础受冲刷程度， 运用冲击振动试验法进行桥墩自振特性测试， 分析桥梁基础受冲刷对桥墩自振特性的影响。国内外关于桥墩局部冲刷深度的计算方法主要有： 非勃性土河床的桥墩局部冲刷公式， 豁性土河床桥墩局部冲刷公式以及适用于黄河的冲刷计算公式。在确定冲刷深度后， 进一步分析了桥墩基底埋置深度[11]。计算结果表明，不同公式计算的结果相差较大，各冲刷参数对局部冲刷影响明显.说明在计算桥墩的局部冲刷时，须根据桥梁所在的河段情况，选择适合的计算公式和参数，才能确保局部冲刷深度计算的准确性。对非粘性土河槽，国内主要使用的局部冲刷公式有： 65-1修正式、65-2式及65-2修正式[12]。影响局部冲刷深度的因素主要有桥墩型式和尺寸、泥沙粒径、水流流速及一般冲刷后的水深[13]。

防护设计：

目前国内外对河床进行冲刷防护一般有消能减冲和护底抗冲两种方案。前者尚处于理论研究阶段， 工程实践运用不多， 苏通大桥主塔墩基础冲刷防护设计采用护底抗冲方案。桥墩的局部冲刷防护原理包括：①提高桥墩附近河床的防冲刷能力。通常是在桥墩附近铺设粗颗粒材料的河床防护层或在墩基处抛石， 以提高桥墩的抗冲能力[14]。②减小水流对桥墩的冲刷能量， 即减弱水流冲刷过程中的下冲流和马蹄形漩涡流。通常通过扩大桥墩的基础平面或设护脚等措施以减小水流的冲刷能量[14]。防护措施包括主动防护和被动防护。

主动防护指在实际工程中，可以在河床高程附近增设底板或者护圈等，通过减小冲刷水流的原动力来提高抗冲刷性能，这种“减冲”的防护方式即主动防护。

被动防护指从被冲刷对象着手，在桥墩周围的河床铺设诸如碎石等的保护层，该类方法属于被动防护范畴，旨在增强墩周土体的抗冲刷能力，比较典型的方法有抛石、部分抛石灌浆、扩大墩基础，四面体透水框架群等[3]。

【参考文献】

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[3] 梁发云，王琛.桥墩基础局部冲刷防护技术的对比分析[J].上海：同济大学，2014[4]张瑞瑾.河流泥沙动力学[M].2版.北京：中国水利水电出版社，1998.

[5] 郭辉，齐梅兰.跨河桥梁压缩冲刷数值模拟研究[J].北京：北京交通大学，2011

[6] 中华人民共和国行业标准. 公路工程水文勘测设计规范（ JTG C30—2002） [S]. 中华人民共和国交通部，2002

[7] 孟庆峰.桥渡局部冲深度预测方法研究[D]. 长沙： 长沙理工大学，2008.

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[10] Sheng Huoo Ni，Yan Hong Huang，Kuo Feng Lo. Numerical investigation of the scouring effect on the lateral response of piles in sand[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities，2012， 26： 320-325.

[11] 焦爱萍， 张耀先.桥墩局部冲刷分析及防护对策[J].开封.黄河水利职业技术学院2003.

[12] 吴雪茹，陈光强，莫崇勋.桥墩局部冲刷计算探讨.南宁.广西大学2008[13]张佰战，李付军.桥墩局部冲刷计算研究[ J].中国铁道科学， 2004， 25（ 2）： 48-51.

[14] 刘文启.桥墩的防冲刷保护[ J] .黑龙江水利科技， 1995（4）：107 112.

作者简介：张帅（1992-），男，汉族，山东省济南市人，硕士研究生，单位：重庆交通大学河海学院 研究方向：水利工程