(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

一、研究背景

隨著當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展，橋梁的修建逐漸增多，其對社會(huì)經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸發(fā)展所作出的貢獻(xiàn)也越來越大，因此橋梁的安全性問題成為了一個(gè)重要的研究課題。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在所有橋梁損毀事故中，水毀的比例最高，占事故的70%以上[1]。多年來的研究和實(shí)踐證明，橋墩局部沖刷具有突發(fā)性、災(zāi)難性，可導(dǎo)致橋墩的移位、沉陷，橋面的斷裂、變形，甚至整座橋梁突然坍塌。

二、橋墩沖刷機(jī)理分析

河流中橋墩的建造使其附近的水流斷面面積減小，改變了原來的水流及泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，橋墩周圍水流速度增大，會(huì)引起對河床的沖刷。沖刷通常是由自然演變的沖刷、過水?dāng)嗝娴臏p小而引起的一般沖刷以及橋墩周圍產(chǎn)生的局部沖刷三個(gè)部分組成。其中最主要的是局部沖刷，來流水遇到橋墩阻擋時(shí)將會(huì)在橋墩前部形成水面涌波及下降水流，在橋墩周圍形成紊流區(qū)[2]。

研究者們根據(jù)局部沖刷的影響因素一些主要影響因素進(jìn)行了研究分析：

(1)橋墩的外形參數(shù)：橋墩沖刷的主要原因是修建在河道中的橋墩對河道寬度進(jìn)行了壓縮導(dǎo)致單寬流量增大而引起了沖刷。橋墩的長寬是一個(gè)影響因素。一般情況下，橋墩越長越寬，來流水受到的壓縮越大，在墩前處將會(huì)形成強(qiáng)烈的漩渦，從而產(chǎn)生的沖刷深度會(huì)越大。

(2)流水速度：來流水速度對沖刷的結(jié)果影響很大，當(dāng)流速很小時(shí)橋墩將不發(fā)生局部沖刷；當(dāng)流速增大至泥沙始沖流速時(shí)，墩前開始有沖刷坑的出現(xiàn)且發(fā)展趨勢為隨著流速的增大而增大直至達(dá)到或者超過泥沙的起動(dòng)速度[3]；在達(dá)到或超過起動(dòng)速度后，河床的泥沙開始起動(dòng)并對沖刷坑形成一定的補(bǔ)償作用，沖刷深度也會(huì)隨著速度的增大而緩慢增加直至達(dá)到平衡狀態(tài)。

(3)水流方向與墩軸夾角：夾角的影響主要體現(xiàn)在對阻水寬度及迎水形狀的改變[4]。研究表明，在有夾角存在時(shí)局部沖刷深度將比正交時(shí)更大。因?yàn)橛袏A角時(shí)，橋墩的阻水面積相應(yīng)的增大了且橋墩的迎水形狀也會(huì)因?yàn)閵A角的改變而發(fā)生改變。

三、橋墩局部沖刷防護(hù)措施

(一)實(shí)體抗沖防護(hù)工程措施研究

(1)拋石防護(hù)：拋石防護(hù)是主要的一種橋墩防護(hù)工程措施,其工作原理一是拋石對床沙起保護(hù)作用,增加床沙起動(dòng)或揚(yáng)動(dòng)所需的流速;二是拋石可以增大橋墩附近局部糙率,對于減小橋墩附近流速也起到一定的積極作用。

(2)擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)：擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)是指在施工階段先將鋼圍堰埋入河床面以下一定深度,再進(jìn)行下部樁基施工,基礎(chǔ)施工完成后在床面以上預(yù)留一定高度封頂,然后在頂面上放置橋墩的防護(hù)工程措施。該防護(hù)方法的主要工作原理是利用擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)的頂面消殺墩前下降水流的淘刷力。

(3) 四腳混凝土塊防護(hù)：四腳混凝土塊(tetrapods)起初被用于海岸防護(hù)。1993年,Bertoldi[5]對四腳混凝土塊進(jìn)行了橋墩局部沖刷防護(hù)的可行性研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),橋墩本身所特有的勾連性使得與拋石石塊尺寸和質(zhì)量相當(dāng)?shù)乃哪_混凝土塊的穩(wěn)定性更好,防護(hù)效果更佳。

(二)減速不沖防護(hù)工程措施

(1)護(hù)圈防護(hù)：護(hù)圈防護(hù)方法是典型的減速不沖防護(hù)方法,它是通過利用護(hù)圈頂面阻擋和消殺下降水流,減小馬蹄形旋渦強(qiáng)度的原理進(jìn)行防護(hù)的,護(hù)圈防護(hù)方法能起到防護(hù)橋墩周圍床面免受沖刷的作用,但是,動(dòng)床沖刷條件下,河床形態(tài)的出現(xiàn)和傳播可能使護(hù)圈下部的橋墩暴露于水流中,導(dǎo)致護(hù)圈失效,或者可能由于橋址處的一般沖刷與收縮沖刷結(jié)合作用而導(dǎo)致護(hù)圈高出河床面而造成護(hù)圈失效。針對護(hù)圈防護(hù)的不足,Odgaard 等[6]提出了用護(hù)圈結(jié)合淹沒翼墻作為橋墩局部沖刷防護(hù)的措施。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),淹沒翼墻能使墩前的行近水流向上翻轉(zhuǎn),進(jìn)而縮減了橋墩周圍的水流。

(2)橋墩開縫防護(hù)：墩前迎水面的下降水流和形成于沖刷坑前緣繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦的共同作用導(dǎo)致了橋墩周圍床面的泥沙被侵蝕,所以控制和減少?zèng)_刷的一個(gè)途徑就是削減下降水流和馬蹄形旋渦的強(qiáng)度,橋墩墩體開縫能起到削弱馬蹄形旋渦和下降水流強(qiáng)度的作用,是很好的橋墩局部沖刷防護(hù)方法之一。

(3)墩前排樁防護(hù)：墩前排樁防護(hù)是指在橋墩上游按一定規(guī)則布設(shè)一定數(shù)量的樁群,當(dāng)橋墩處于樁群的尾流區(qū)域時(shí),用于橋墩局部沖刷防護(hù)的排樁本身就會(huì)受到水流的沖刷,它能使墩前的高速水流方向產(chǎn)生偏離,并能在后部形成一個(gè)尾流區(qū)域,有效削減了橋墩周圍旋渦體系的紊動(dòng)強(qiáng)度,從而有效地遏制了橋墩周圍的局部沖刷[7]。

(4)淹沒檻防護(hù)：淹沒檻防護(hù)就是將一定幾何尺寸的底檻或角檻埋置于橋墩迎水面上游一定距離處,通過影響水流的沖刷能力來防護(hù)橋墩周圍床面的一項(xiàng)工程措施。

(三)橋墩周圍四面體透水框架群拋投防護(hù)措施

現(xiàn)有的橋墩局部沖刷防護(hù)工程措施都存在一些缺點(diǎn)和不足,在一定條件下,這些缺點(diǎn)和不足甚至?xí)l(fā)整個(gè)防護(hù)工程的潰敗,進(jìn)而影響橋墩的穩(wěn)定和橋梁的安全運(yùn)行。河海大學(xué)水環(huán)境綜合治理試驗(yàn)廳提出了橋墩周圍四面體透水框架群拋投防護(hù)方法。橋墩周圍四面體透水框架群防護(hù)方法是一種完美結(jié)合減速不沖與實(shí)體抗沖防護(hù)特性于一體的新型防護(hù)工程措施,其工作原理是利用框架群的消能減沖作用使橋墩周圍水流的紊動(dòng)強(qiáng)度減小,從而使泥沙落淤,達(dá)到防護(hù)橋墩周床面的目的[8]。

四、結(jié)語

本文系論述了橋墩局部沖刷機(jī)理、防護(hù)措施。橋墩基礎(chǔ)施工過程中,施工圍堰周圍發(fā)生沖刷,其沖刷現(xiàn)象類似橋墩附近沖刷。因此對橋墩局部沖刷防護(hù)工程防護(hù)特性的研究十分必要的。由于橋墩局部沖刷現(xiàn)象的復(fù)雜性和傳統(tǒng)防護(hù)工程措施本身固有的局限性,至今還沒有一個(gè)具有充分理論依據(jù)并被證明是完全有效的防護(hù)方法,從而對新型橋墩局部沖刷防護(hù)工程措施及其與傳統(tǒng)防護(hù)工程措施結(jié)合運(yùn)用防護(hù)效果的進(jìn)一步研究就具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。