桥墩局部冲刷机理及防护措施

桥墩局部冲刷机理及防护措施

罗媛媛

（重庆交通大学 河海学院，重庆 400074）

摘要：桥墩的局部冲刷造成墩周泥沙被侵蚀掏空，桥墩埋深降低，是导致桥梁水毁的主要因素之一。从而，桥墩局部冲刷及其防护的研究极为重要和必要。文章通过对桥墩局部冲刷特征及冲刷机理进行了探讨，并提出了有效的防冲刷保护措施。 

关键词：局部冲刷；防护措施；冲刷机理；影响因素

0引言

桥墩作为桥梁的主要组成部分，是支承桥跨结构并将恒截和车辆活载传至地基的构筑物，其建造于地基上，部分埋置于岩土(包括泥沙和淤泥等) 之中，部分置于流体中，因其阻碍、妨碍、扰乱、改变了原有的流体结构和状态，而变得晃动、紊动和涡旋等，并因之承受流体较为复杂和强烈的作用力，且进一步加剧流体结构和状态的变化。继而，一方面使桥墩部分墩身磨损和侵蚀及消蚀(这一过程极为缓慢和不易观测显现) ; 另一方面，使桥墩埋置于岩土中墩身的泥沙( 广义岩土的一部分) 因流体(主要指水流) 运动的剧烈改变而产生“掏起”“冲刷”“搬运”“甩抛”“沉落”等，而导致所在底床原有地形发生变化的现象和过程，被人们称为桥墩的局部冲刷。局部有两方面的含义: 其一，将范围局限于桥墩底部周围附近，不考虑在空间上无限地延展扩散，其原因在于床底质在流体的动力作用下必将发生冲淤变化，该冲淤变化的空间范围是较宽广的，无法全面进行分析研究，也没有必要; 其二，局部将时间的范围限定在一定的时期内，指剧烈冲刷变化到相对平静缓和之一时段范围内。桥墩的局部冲刷将减少桥墩埋置河(海)床底质深度，危及桥墩基础的安全，有损桥梁的安全使用寿命。进而对桥墩的防护措施研究至关重要。

1桥墩冲刷机理

1.1桥墩周围水流结构研究

目前国内外学者们对于墩周水流结构的研究普遍认为桥墩水流结构主要包括墩前下降水流、墩周马蹄形漩涡、墩侧边界分离层和墩后尾涡4个部分。Dargahi[1]在试验中采用氢气泡流动显示技术和热膜测量的方法对圆柱体周围的流场进行了测量，发现在圆柱上游的水流特征主要是三维边界层的分离，在柱体两侧分离区域内形成准周期性脱落的马蹄形漩涡，且涡的数量与雷诺数相关。严建科[2]在室内水槽试验中测量了墩周各测点流速，试验结果表明桥墩挤压水流形成绕流，边界层分离从而在墩两侧产生两个反向旋转的对称漩涡，接着涡旋拉长并逐渐脱离桥墩从而被主流带向下游。而凌建明[3]和王庆珍[4]应用流场分析软FLUENT 和 VOF 模型对局部冲刷时单圆柱桥墩附近流场进行模拟，结果表明上游来流一部分遇桥墩阻碍流速减到最小，另一部分绕流在墩两侧流速达到最大后出现边界层分离，之后在墩后方形成尾流漩涡，模拟结果与试验结果较为吻合。

1.2 引起桥墩局部冲刷的原因

众多研究成果表明只要为以下三种：①墩前下降水流的冲击；②桥墩漩涡体系的作用；③桥墩对桥下水流的压缩作用。Kwan[5]研究认为桥墩局部冲刷是由墩前下降水流和马蹄形漩涡共同作用导致的；Dargahi[1]通过试验研究冲刷坑的发展过程发现马蹄形漩涡、墩两侧的集中加速水流和下游的尾流漩涡是引起局部冲 刷的主要原因；张显辉[6]则认为是由于桥墩对水流的压缩作用使得墩前下降水流和墩侧水流加速区的形成，而此两者的共同作用导致了马蹄形漩涡的形成，三者之间相互作用共同影响。

1.3桥墩局部冲刷种类

桥墩局部冲刷的种类应该较多，根据分类的标准对象不同可以有多种分类方法，但人们习惯于按照水流中的泥沙含量多少来分类。1956 年 Chabert 和 Engeldinger 基于来流的输沙模式，将局部冲刷分为“清水冲刷”和“动床冲刷”两大类型。

清水冲刷是指上游没有来沙的情况下的冲刷，进行清水冲刷研究可以较为清楚地研究一定的水力条件下被冲刷局部地区地形的变化情况，动床冲刷是指上游有来沙的情况下的冲刷，大自然中桥墩局部冲刷应该都是动床冲刷。桥墩局部动床冲刷过程中，因为存在有上游来沙在桥墩所在的底床范围内的落淤问题，从而桥墩局部冲刷能够达到一个动态平衡，这个动态平衡状态与底床地质条件和物理化学等环境以及上游来沙状态及水力条件等有密切的关系。

2局部冲刷影响因素

2.1水流因素

针对行近流速对桥墩局部冲刷的影响，学者们开展了众多的试验研究。“在清水冲刷条件下，局部冲刷的深度随行近流速的增大呈直线增长”的趋势的观点是目前国内外学者普遍认同的，而在动床冲刷条件下，研究者们却持有不同的观点。Dongol认为在动床冲刷阶段，由于有上游来沙的补给，冲深随行近流速的增大反而减小，在减小至最小值时会会再次增大至另一个峰值；王顺意[7]通过模型试验研究动床条件下不同行近流速对冲刷坑深度和范围的影响，结果表明随着流速的增大，冲刷坑最大深度和范围也相应增大。

2.2泥沙因素

关于泥沙粒径与桥墩局部冲刷的关系，目前还未有统一定论。Santos[8]等部分学者认为泥沙粒径大小对桥墩局部冲 刷最大深度没有影响，而 Gill

[9]等学者则认为桥墩最大冲深与粒径大小存在相关性。Laursen[10]研究认为：床沙粒径在清水冲刷下对桥墩最大平衡冲深有影响，而在动床冲刷下对最大冲深无影响，这是由于在动床条件下冲刷处于平衡状态时，上游来沙补给量与冲刷坑内被冲走 泥沙量相等，而粒径大小对冲刷平衡无影响。赵凯[12]采用 3 种不同粒径的床沙进行试验，结果表明粒径越小，泥沙越易起动，冲刷坑深度也越大，但当粒径小到一定程度时，由于泥沙间的粘性开始发挥作用，使得冲刷坑深度反而较小。

2.3桥墩因素

研究表明，桥墩因素如墩长、墩宽（或直径）是研究桥墩局部冲刷的一个重要影响因素。韩敏[13]在冲刷试验中改变 圆柱桥墩直径，结果表明在流量一定的情况下，直径越大其冲刷坑范围也就越大。在清水冲刷条件下，最大冲刷坑深度 随桥墩直径的增大呈先增大后减小的趋势，而在动床冲刷条件下冲刷坑最大深度随直径的增大而增大。

3局部冲刷防护措施

桥墩冲刷防护方法根据防冲时期可分为施工期防冲刷和永久防冲刷，根据防冲部位可分为浅基础防冲刷和深基础防冲刷；根据防冲方法可分为抛石防冲等方法，以下对冲刷保护方法作简单的介绍：

1．抛石防冲：抛石防冲是桥墩防冲刷保护经常采用的方法。采用抛石防护主要强调反滤层，设反滤层的目的是防止抛石下的泥沙颗粒通过抛石孔隙被淘刷。

2．护脚和沉箱防冲：在桥墩周围设立护脚和沉箱，防止下冲流和马蹄形涡流直接冲击泥沙颗粒，使其在水中拖运泥沙的能力被削弱，从而达到防冲刷保护的目的。

3．开缝防冲：开缝防冲刷保护是使下冲水流转向离开河床或减小下冲流对河床的冲击，开缝的宽度、长度和位置是其非常重要的参数。例如开缝的位置有靠近河床和靠近水面两种情况，这两种位置的开缝造成水流特性就有所不同。当开缝与护脚一起使用时，可以进一步减小冲刷深度。

参考文献（references）:

[1] Dargahi B. Controlling mechanism of local scouring [J].Journal of Hydraulic

Engineering,1990,116(10):1197-1224.

[2] 严建科,焦臣,龙涛,等.单圆柱桥墩绕流流场试验研究[J].西安建筑科技大学学报 (自然科学版),2012,44(6):779-785.

[3] 凌建明,林小平,赵鸿铎.圆柱形桥墩附近 三维流场及河床局部冲刷分析[J].同济 大学学报(自然科学版),2007,35 (5):582-586.

[4] 王庆珍,李田生,官盛飞.圆柱形桥墩附近 三维流场分析研究[J].公路交通技术,2008,(2):47-50.

[5] Kwan T F, Melville B W. Local scour and flow measurements at bridge abutments [J].Journal of Hydraulic Research,1994,32(5):661-672.

[6] 张显辉. 双排圆柱桥墩绕流脉动特性试 验研究[D].西北农林科技大学,2010.［39］ 房世龙．局部冲刷坑形成影响桥墩附近流场特性的试验研究［J］．水运工程，2009( 11) : 143－151．

[7] 王顺意,牟力,魏凯,等.不同水力条件下圆柱桥墩局部冲刷试验研究 [J/OL].