橋墩局部沖刷的機(jī)理及防護(hù)措施

【摘 要】 近年來(lái)橋墩沖刷問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起橋墩基礎(chǔ)承載能力的嚴(yán)重下降。目前國(guó)內(nèi)外的計(jì)算方法和研究方法越來(lái)越多，發(fā)展也越來(lái)越快。本文將針對(duì)近年來(lái)諸多學(xué)者所做出的研究成果進(jìn)行總結(jié)，并且提出近段時(shí)間以及長(zhǎng)久發(fā)展所存在的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 橋墩沖刷 局部沖刷 沖刷機(jī)理 防護(hù)措施

在我國(guó)的大型跨江跨河橋梁建造過(guò)程當(dāng)中，多數(shù)采用群樁基礎(chǔ)。由于群樁基礎(chǔ)的存在，使得水流流動(dòng)特性發(fā)生變化，而且在循環(huán)和和沖刷的作用之下，使樁基礎(chǔ)的承載性狀發(fā)生了顯著變化[1]。群樁基礎(chǔ)的建造會(huì)造成樁前下切水流和側(cè)向繞流劇烈沖刷橋墩基礎(chǔ)周邊河床[2]。作為橋梁工程重要的減災(zāi)措施之一，橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷防護(hù)受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的關(guān)注[3]。

橋梁等跨河建筑物的水下結(jié)構(gòu)可局部阻擋過(guò)流，壓縮過(guò)流寬度，產(chǎn)生水流側(cè)向收縮，減少了斷面寬度和過(guò)水面積，使水流單寬流量增加，引起河床沖刷，即壓縮沖刷。壓縮斷面上下游的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在一定范圍內(nèi)形成回流區(qū)?；亓鲄^(qū)與斷面流速重新分布有著密切的關(guān)系[4]，而流速重分布又會(huì)對(duì)斷面沖淤產(chǎn)生影響[5]?？偟臎_刷通常包括三個(gè)部分： 一般沖刷（ General scour） 、收縮沖刷（ Contraction scour ） 和局部沖刷（ Local scour）[6]。一般沖刷是因橋孔壓縮，水流單寬通過(guò)量增加，橋孔上下游河床面上的泥沙被急速通過(guò)的水流帶走，導(dǎo)致橋位附近的床面下降的沖刷[7]，局部沖刷，是造成橋梁水毀事故發(fā)生的主要原因。由于橋梁墩、臺(tái)的存在，阻擋了水流的行進(jìn)，改變了結(jié)構(gòu)物的局部流場(chǎng)，引起結(jié)構(gòu)物周?chē)眲〉哪嗌尺\(yùn)動(dòng)，形成局部沖刷坑，使得基礎(chǔ)周?chē)羵?cè)抗力減小，基底應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致基礎(chǔ)承載性狀的變化，甚至失效[8]。局部沖刷深度通常遠(yuǎn)大于一般沖刷和收縮沖刷，大約會(huì)差一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在分析橋梁基礎(chǔ)的沖刷時(shí)，局部沖刷最為關(guān)鍵[9]。

研究方法及計(jì)算方法：

目前國(guó)內(nèi)外的研究方法和計(jì)算方法包括模型試驗(yàn)和模態(tài)分析等。模型試驗(yàn)是了解河床抗沖性能、沖刷范圍和沖刷深度、防護(hù)材料的穩(wěn)定重量等防護(hù)設(shè)計(jì)基本資料的重要手段[2]。

姚錦寶等過(guò)挖開(kāi)橋墩基礎(chǔ)周?chē)采w層土體的不同厚度模擬基礎(chǔ)受沖刷程度， 運(yùn)用沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法進(jìn)行橋墩自振特性測(cè)試， 分析橋梁基礎(chǔ)受沖刷對(duì)橋墩自振特性的影響。國(guó)內(nèi)外關(guān)于橋墩局部沖刷深度的計(jì)算方法主要有： 非勃性土河床的橋墩局部沖刷公式， 豁性土河床橋墩局部沖刷公式以及適用于黃河的沖刷計(jì)算公式。在確定沖刷深度后， 進(jìn)一步分析了橋墩基底埋置深度[11]。計(jì)算結(jié)果表明，不同公式計(jì)算的結(jié)果相差較大，各沖刷參數(shù)對(duì)局部沖刷影響明顯.說(shuō)明在計(jì)算橋墩的局部沖刷時(shí)，須根據(jù)橋梁所在的河段情況，選擇適合的計(jì)算公式和參數(shù)，才能確保局部沖刷深度計(jì)算的準(zhǔn)確性。對(duì)非粘性土河槽，國(guó)內(nèi)主要使用的局部沖刷公式有： 65-1修正式、65-2式及65-2修正式[12]。影響局部沖刷深度的因素主要有橋墩型式和尺寸、泥沙粒徑、水流流速及一般沖刷后的水深[13]。

防護(hù)設(shè)計(jì)：

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)河床進(jìn)行沖刷防護(hù)一般有消能減沖和護(hù)底抗沖兩種方案。前者尚處于理論研究階段， 工程實(shí)踐運(yùn)用不多， 蘇通大橋主塔墩基礎(chǔ)沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)采用護(hù)底抗沖方案。橋墩的局部沖刷防護(hù)原理包括：①提高橋墩附近河床的防沖刷能力。通常是在橋墩附近鋪設(shè)粗顆粒材料的河床防護(hù)層或在墩基處拋石， 以提高橋墩的抗沖能力[14]。②減小水流對(duì)橋墩的沖刷能量， 即減弱水流沖刷過(guò)程中的下沖流和馬蹄形漩渦流。通常通過(guò)擴(kuò)大橋墩的基礎(chǔ)平面或設(shè)護(hù)腳等措施以減小水流的沖刷能量[14]。防護(hù)措施包括主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)。

主動(dòng)防護(hù)指在實(shí)際工程中，可以在河床高程附近增設(shè)底板或者護(hù)圈等，通過(guò)減小沖刷水流的原動(dòng)力來(lái)提高抗沖刷性能，這種“減沖”的防護(hù)方式即主動(dòng)防護(hù)。

被動(dòng)防護(hù)指從被沖刷對(duì)象著手，在橋墩周?chē)暮哟蹭佋O(shè)諸如碎石等的保護(hù)層，該類(lèi)方法屬于被動(dòng)防護(hù)范疇，旨在增強(qiáng)墩周土體的抗沖刷能力，比較典型的方法有拋石、部分拋石灌漿、擴(kuò)大墩基礎(chǔ)，四面體透水框架群等[3]。

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作者簡(jiǎn)介：張帥（1992-），男，漢族，山東省濟(jì)南市人，碩士研究生，單位：重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 研究方向：水利工程