劉海

【摘 要】 橋墩沖刷是橋墩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其對(duì)橋渡的破壞多突發(fā)性和偶然性。本文通過對(duì)橋墩局部沖刷特征和局部沖刷機(jī)理的研究，討論了局部沖刷的影響因素，基于防護(hù)機(jī)理歸納總結(jié)了拋石防護(hù)等傳統(tǒng)防護(hù)和環(huán)翼式防護(hù)等新型防護(hù)措施，以保證橋墩的使用安全性。

【關(guān)鍵詞】 橋墩 局部沖刷 沖刷機(jī)理 防護(hù)措施

引 言

目前，橋墩的局部沖刷防護(hù)仍處于探索階段，大多基于局部沖刷公式以及數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算分析[1-4]。Brice 等[5]把橋墩局部沖刷防護(hù)工程措施定義為同橋墩自身設(shè)計(jì)相結(jié)合或被獨(dú)立布設(shè)于橋墩周圍的 、用于控制或防止橋墩周圍床面沖刷的一類工程措施 。Chiew [6]按防護(hù)機(jī)理把傳統(tǒng)的橋墩局部沖刷防護(hù)工程措施分為兩類 ， 即實(shí)體抗沖防護(hù)和減速不沖防護(hù)。房世龍等[7]針對(duì)橋墩局部沖刷防護(hù)的工程特性進(jìn)行了一系列的研究 ， 提出了在橋墩周圍加大四面體透水框架群拋投密度的防護(hù)設(shè)計(jì)方法 。孫東坡等 [8]建立了淺基橋梁局部沖刷簡(jiǎn)明實(shí)用計(jì)算公式。

1 橋墩的局部沖刷特征及影響因素

1.1橋墩局部沖刷概念及特征

墩周圍水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度很大的漩渦體系。漩渦體系是一種綜合水流結(jié)構(gòu)。其中包括在墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形漩渦、橋墩兩側(cè)水流分離引起的尾流漩渦。漩渦體系在墩后及兩側(cè)還不斷地由床面附近釋放出小漩渦，向水面發(fā)展。

1.2 局部沖刷影響因素

影響橋墩附近局部沖刷的因素很多，包括水深、流速、流向、河床泥沙類型、干容重、粒徑、級(jí)配等，還涉及橋墩的尺寸、形狀等。影響橋墩局部沖刷深度的因素包括下列幾方面：橋墩特征因素、流體特征因素、河床質(zhì)特征因素和流動(dòng)特征因素。

2 橋墩局部沖刷防護(hù)

2.1 防護(hù)機(jī)理

對(duì)橋墩的局部沖刷進(jìn)行防護(hù)是橋梁防護(hù)的重要內(nèi)容之一 ，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[9]。

2、減小水流對(duì)橋墩的沖刷能量，即減弱水流沖刷過程中的下沖流和馬蹄形漩渦流。通常通過擴(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，起到防沖刷保護(hù)作用。

2.2 傳統(tǒng)防護(hù)措施

1、拋石防護(hù) 。橋墩防護(hù)措施中最常用的方法是拋石防護(hù) ，防止拋石下的泥沙顆粒通過拋石孔隙被淘刷，而在深水中精確設(shè)置反濾層是比較困難的 ，而且拋石防護(hù)通常是有缺陷的 [ 12] 。

2、護(hù)腳和沉箱防沖。在橋墩周圍設(shè)立護(hù)腳和沉箱， 防止下沖流和馬蹄形漩渦流直接沖擊泥沙顆粒，削弱其在水中拖運(yùn)泥沙的能力 ，從而達(dá)到?jīng)_刷防護(hù)的目的[10]， 但是對(duì)于具有泥沙搬運(yùn)特性的動(dòng)床 ，當(dāng)泥沙發(fā)生移動(dòng)時(shí)， 護(hù)腳和沉箱就失去了作用 。

2.3 新型防護(hù)措施

單向流情況下 ，圓柱形單墩周圍的水流結(jié)構(gòu)由墩前下潛水流、墩前水面涌波以及墩周圍和墩后的漩渦體系組成[10]。其中， 下潛水流是橋墩局部沖刷破壞的主要原因 。環(huán)翼式橋墩的局部沖刷防護(hù)就是通過環(huán)翼式擋板阻擋下潛水流 ，改變其大小和方向 ，迫使下潛水流向兩側(cè)分流， 從而減小水流對(duì)橋墩的1沖刷能量 ，削弱漩渦淘蝕 ，起到防護(hù)的作用。

護(hù)殼防護(hù)是一種最新提出的防護(hù)措施， 它通過在淹沒結(jié)構(gòu)物的表面設(shè)置兩種人工粗糙護(hù)殼來降低水流強(qiáng)度， 降低了二次流和馬蹄渦流的強(qiáng)度并影響尾流渦旋的強(qiáng)度。

該防護(hù)具有如下基本特征：在墩臺(tái)迎水面設(shè)計(jì)了人為的條型粗糙細(xì)紋，它以迎水面的中間垂線對(duì)稱分布，在細(xì)紋處會(huì)產(chǎn)生斜渦流，使部分下降水流產(chǎn)生分離；對(duì)剩下的表面進(jìn)行了特別設(shè)計(jì) ， 在表面處設(shè)置許多獨(dú)立的圓形結(jié)構(gòu)物，稱之為“高爾夫球”，它可以使層流邊界層產(chǎn)生擾亂分離，從而降低了尾流和尾流渦旋的強(qiáng)度。

結(jié) 論

橋梁墩臺(tái)周圍必然發(fā)生沖刷現(xiàn)象，有可能威脅到橋梁建筑物本身的安全與穩(wěn)定。本文通過研究橋墩局部沖刷特征和分析沖刷機(jī)理，得出馬蹄形漩渦系是產(chǎn)生墩周局部沖刷的直接原因。局部沖刷的主要影響因素有橋墩特征、流體特征、河床質(zhì)特征和流動(dòng)特征。歸納總結(jié)了傳統(tǒng)防護(hù)措施，重點(diǎn)介紹了環(huán)翼式防護(hù)、護(hù)殼防護(hù)和下游石板防護(hù)等三種新型防護(hù)措施，以保證橋墩的使用安全性

【參考文獻(xiàn)】

[1] 傅宗甫， 趙春潮， 安建峰.異型孔橋墩附近河道水流流動(dòng)特性[ J] .河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2011， 39（4）：402-407.

[2] 方神光， 黃勝偉.純隱格式的混合有限分析法在廣雅橋水流數(shù)值模擬中的應(yīng)用[ J] .水利水電科技進(jìn)展， 2010，30（6）：53-57.

[3] 凌建明， 林小平， 趙鴻鐸.圓柱形橋墩附近三維流場(chǎng)及河床局部沖刷分析[ J] .同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（5）：582-586.

[4] 彭凱， 張緒進(jìn)， 趙世強(qiáng).橋位附近水流及局部沖刷的數(shù)值模擬[ J] .水科學(xué)進(jìn)展， 2001， 13（2）：196-200.

[5] 房世龍， 陳紅， 王鋼.橋墩局部沖刷防護(hù)工程特性研究綜述[ J] .水利水電科技進(jìn)展， 2007， 27（4）：84-89.

[6] 孫東坡， 宋永軍， 程琳， 等.下游設(shè)有防護(hù)壩的淺基橋梁局部沖刷研究[ J] .水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2007， 26（6）：83-87.

[7] 欒正偉， 馬骕. 橋墩沖刷防護(hù)分析及措施[J]. 金田， 2013（4）.

[8] 劉文啟.橋墩的防沖刷保護(hù)[ J] .黑龍江水利科技， 1995（4）：107-112.

[9] 馬奎.橋墩局部沖刷機(jī)理分析及防護(hù)建議[ J] .中國高新技術(shù)企業(yè)， 2010（15）：16-17.

[10] 李奇， 王義剛， 謝銳才.橋墩局部沖刷公式研究進(jìn)展[ J] .水利水電科技進(jìn)展， 2009， 29（2）：85-88.