桥墩基础局部冲刷抛石防护的研究进展

杨　昕　梁发云,*

(1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092; 2.同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092)



桥墩基础局部冲刷抛石防护的研究进展

杨昕1,2梁发云1,2,*

(1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092; 2.同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092)

摘要抛石作为应用最为广泛的桥墩基础局部冲刷防护措施之一,受到国内外学者的高度关注。系统总结了清水冲刷和动床冲刷条件下的抛石破坏机理,分析了影响抛石稳定性的主要因素,包括抛石粒径、抛石设置位置、抛投范围、抛石层厚度和抛石级配等,对国内外相关研究成果进行了系统评述,并对比分析了抛石稳定性的主要分析方法。针对现有抛石防护方法存在的缺陷,提出了抛石防护未来的研究发展方向和可能的改进措施。

关键词抛石防护, 破坏机理, 稳定性, 影响因素, 研究进展

Reviews on the Development of Riprap Protection to Bridge Piers from Local Scour

YANG Xin1,2LIANG Fayun1,2*

(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,

Shanghai 200092,China; 2.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

AbstractAs the most commonly used protection measures to bridge piers from local scour,the riprap protection has attracted a sustained attention from domestic and foreign scholars.The riprap’s failure mechanism under clear-water conditions and live-bed conditions are summarized systematically in this paper.Focusing on the factors which can affect riprap stability,including size,placement level,coverage,thickness and gradation of riprap,the author review the research findings from domestic and overseas researchers.Moreover,the analysis methods for riprap stability are compared.Considering the disadvantages of riprap protection,the future development direction and possible improvement measures of riprap protection are suggested furtherly.

Keywordsriprap protection, failure mechanism, stability, influence factors, review

1引言

冲刷是水流作用引起河床剥蚀的一种自然现象。统计资料表明[1],超过半数的桥梁损毁与冲刷有关,冲刷导致的桥梁桥墩失稳毁坏事故可能造成巨大的人员伤亡和经济损失。

水流对墩周河床的冲刷由前进水流漩涡、下降水流掏底和尾流漩涡冲坑三部分共同作用,在桥墩周围设置防护措施能有效地弱化冲刷作用,提高桥梁的安全性能。根据防护机理的不同,桥墩基础冲刷防护可分为主动防护和被动防护[2-3]。主动防护通过减小冲刷原动力来提高防护能力,主要包括墩前牺牲桩、护圈、环翼式挡板、护壳、桥墩开缝、下游石板等防护措施;而被动防护则从床沙和桥墩入手提高河床材料的抗冲刷性能,主要包括抛石、扩大墩基础、四面体透水框架群等防护措施[3]。

抛石防护是将经过合理配置的抛石抛投于河床上或埋置于河床内的桥墩周围,来提高桥墩周围河床抗冲刷能力,是目前使用最为普遍的防护措施之一。其工作原理主要体现在两个方面,其一是抛石对床沙有保护作用,即抛石的存在增加了床沙起动或者床沙扬起所需的流速;其二是抛石可增大桥墩面附近的糙率,能在一定程度上减小桥墩附近的流速[4]。抛石防护的优点是取材方便、工艺简单、灵活性大,但也存在整体性差,运营过程工作量大、维护费用高的缺点[5]。

本文简要回顾了近年来国内外学者对抛石防护破坏机理的主要研究成果,对比分析了抛石稳定性的分析方法,并结合实际案例,分析抛石防护的工程实施效果。

2抛石防护破坏机理

Chiew[6]基于试验研究总结了清水冲刷条件下抛石防护的破坏机理(图1):①剪切破坏,即抛石无法抵抗较大流速的下降水流和马蹄形涡流而产生破坏;②沉陷破坏,即河床材料被水流通过抛石间缝隙带走而导致抛石整体或局部破坏;③边缘破坏,即破坏从抛石层边缘开始向内发展,产生冲刷坑,导致抛石层陷落坑内而破坏。

图1　抛石破坏机理Fig.1　Failure mechanism of riprap

Lim和Chiew[7]改变河床条件为动床状态研究抛石稳定性,发现上述三种破坏形式在动床条件下同样存在,既可能单独发生,也可能与其他破坏形式共同作用。发现了动床条件下的破坏机理,即分解破坏和埋置破坏。分解破坏是指在来流流速较大时抛石层被水流冲击分散;埋置破坏是抛石层被埋在河床材料内所致,在动床冲刷的破坏中比较常见,而影响埋置破坏的两个因素是河床材料特性及其迁移特征。

Lauchlan和Melville[8],Lim和Chiew[9]总结了上述几种抛石破坏机理,得出如下结论:

(1) 剪切破坏、沉陷破坏、边缘破坏在清水冲刷和动床冲刷中均可发生,分解破坏和埋置破坏只在动床条件下发生;

(2) 当来流流速增大到床沙的临界起动流速时,由清水冲刷发展为动床冲刷;

(3) 发生抛石剪切破坏的条件是来流流速与抛石失稳流速的比值大于0.35。

3抛石稳定性的主要影响因素

影响抛石稳定性的因素主要有抛石粒径、抛石设置位置、抛石层厚度、抛投范围(图2)、抛石级配[9]等。此外,桥墩形式和河床因素对抛石稳定性也有一定影响。

图2　抛石防护示意图Fig.2　Riprap protection schemes

3.1　抛石粒径

抛石粒径是影响抛石稳定性最重要的因素之一,抛石粒径的选择不当容易发生剪切破坏。对抛石粒径的估算主要考虑水流因素和桥墩因素的影响。

代表性的方法有奥野公在1960年提出了一种估算抛石粒径的简易计算公式[10]:

d=k1v2

(1)

式中,k1为经验系数,取0.04~0.05;v为水流流速(m/s)。

式(1)主要考虑了水流流速,再用经验系数修正,经验性较强,考虑因素较为单一。

1970年代以来,Chiew[6]、Richaidson等[11]以及Lauchlan[12]分别提出了抛石粒径的计算公式,考虑的影响因素更加全面。在各种计算公式中,由Richardson等[11]推荐的FHWA(美国联邦高速公路管理局)抛石粒径公式较为经典,该公式较为全面地反映了影响抛石防护效果的桥墩、泥沙、水流等综合因素,具体表达如式(2)。

(2)

在实际工程中,Richardson等[11]建议采用更为简化的计算公式,根据水流流速和桥墩形式计算抛石颗粒粒径,该方法计算结果较为保守。

(3)

式中,ρ为泥沙密度(kg/m3);K为墩形影响系数,圆形墩取1.5,矩形墩取1.7。

Parola[13]在清水冲刷试验研究中发现,墩前水流旋涡大小与桥墩直径有关,当抛石粒径接近桥墩直径时,较大的抛石可起到消散漩涡的作用,从而提高其防护稳定性。Lauchlan和Melville[8]记录了在特定流速和不同抛石粒径状态下的局部冲刷深度,指出当dr/dsmax>20%dr/dsmax>20%时(dr为抛石防护后的冲深,m;dsmax为未防护时的最大冲深,m),可认为抛石层防护失效。

3.2　抛石设置位置

Parker[14]指出虽然抛石设置位置是影响抛石稳定性的重要因素之一,但目前为止依旧没有被统一接受的设置标准,不同地区有不同的常用做法。

抛石设置的位置有三种:①抛石置于河床表面,如图3(a)所示,即抛石底面与河床顶面相平,河床表面的抛石层阻碍了垂直水流,使下降水流和漩涡系统的掏底能力弱化而被广泛使用,欧洲国家有关部门建议在抛石层底面布置土工织物来防止沉陷破坏,Lim[15]建议清水冲刷条件下按此种方式布置;②抛石嵌于河床表面,如图3(b)所示,即抛石顶面与河床顶面相平,FHWA(美国联邦高速公路管理局)推荐此种布置形式[13];③抛石埋在河床里面,如图3(c)所示,即抛石埋置于河床顶面之下,Lauchlan[12]指出此种布置能有效减少河床冲刷深度。Lim[15]的系列试验结果表明,在动床条件下,当平均行进流速为抛石失稳流速的2.5倍左右时,放置高度的影响可忽略不计。

图3　抛石设置位置Fig.3　Placement level of riprap

第一种方式,施工简便、成本低、易检查,可在桥墩建造或桥梁运营时施工,防护过程易发生剪切破坏和边缘破坏。第二种方式,与桥墩同步施工更易实现,防护过程易发生沉陷破坏。在研究清水冲刷条件下的抛石破坏时,大部分抛石按前两种方式设置。Laursen等[16]的研究结果表明,第二种方式的防护效果比第一种的好。第三种方式,抛石被埋在床沙里面,施工较复杂,其上覆床沙未得到保护,易被冲刷,在工程上较少使用。

在设置抛石位置时,应根据水流情况而定,清水冲刷条件下,建议按图3(a)布置,并在抛石层下设置过滤层,如土工织物;而在动床冲刷条件下,建议按图3(b)布置。

3.3　抛投范围

抛石防护的抛投范围也是一个关键因素,通常是将抛石层的抛投范围延伸到所预测的或现有的冲刷坑的外边缘,一般设置成从墩周开始往外1~7倍桩径范围。Richardson[11]建议将抛投范围设定为自桥墩表面向外的两倍桥墩直径,Lim[15]的试验结果表明,抛石层的防护能力随着布设范围的增大而呈线性增加,很多学者建议将覆盖面设计成矩形、马蹄形等[5]。

抛石颗粒在水中沉落的过程中,会在水流方向上产生一定的落距。如果施工过程中不考虑落距的影响,抛石就很难准确地落在指定位置,导致抛石防护效率低下。结合钱塘江河口闻家堰河段的工程实际,韩海骞等[17]对单颗粒抛石在动水中的运动,包括漂移、分选、护底抗冲等进行了受力分析,推导出动水中单颗粒抛石落距的计算公式。齐梅兰等[18]采用量纲分析法得到了抛石落距计算公式,认为抛石落距与抛石颗粒和水的相对密度差(ρs-ρ)/ρ及颗粒粒径dr成反比,与水流佛罗德数Fr和水深y成正比,如式(4)。

(4)

式中,xr,n为落距(m);ρs为颗粒密度(kg/m3);ρ 为水流密度(kg/m3)。

为安全起见,抛石的抛投范围不宜过小,设计时应考虑落距的影响,在必要情况下,应适当加大抛投范围。

3.4　抛石层厚度

抛石层厚度对抛石的稳定性也产生重要作用,抛石层设置得太薄容易发生沉陷破坏而使床沙被掏空,Lim和Chiew[7]发现厚的抛石层能在破坏情况下进行自我修复,在动床条件下不会陷入河床中。Lim[15]的试验研究发现,抛石层越厚,整体性越好,抛石稳定性就越好。Parker[14]发现当抛石层厚度在2~3倍的抛石中值粒径变化时,其防护效果随抛石厚度增加而不断增强。

Melville和Coleman[19]的试验结果表明,当抛石层厚度从1倍抛石中值粒径增加到3倍时,桥墩周围的冲刷减少可达70%之多。涂向阳等[20]在骝岗涌特大桥工程的抛石防护中发现抛石层厚度设置成两倍抛石中值粒径时,能有效控制桥墩附近的局部冲刷。

3.5　抛石级配

级配良好的抛石层能有效抵抗河床材料被高速水流所掏刷,但很少有研究针对抛石级配对抛石稳定及防护效果进行量化研究。河床材料容易从级配较差的抛石中间冲走,在实际工程中常用粒径分布曲线较光滑的抛石组群,条件允许时可通过在抛石层与床面之间布设反滤层的方法来提高其防护效果,而这种情况只限于抛石按图3(a)设置,即将抛石放于河床表面,按其他方式布置时则无须布设反滤层[7,21]。

设计时,可先根据水流和桥墩参数计算抛石中值粒径,然后根据抛石中值粒径配置一定的抛石组群。施工时,粒径小的颗粒应设置在底层,粒径大的颗粒设置在顶层。

4抛石稳定性分析方法对比

抛石稳定性分析方法主要有离散单元法、水槽试验法、理论分析法。

在对散粒体的研究中,以离散单元法较为适合。离散单元法通过建立固体颗粒体系的参数化模型进行颗粒行为模拟和分析,自1971年由Cundull提出[22]后,在国外得到迅速发展,王泳嘉等[23]将其引进国内,并在岩土界得到广泛关注。在离散元分析中,颗粒被模拟成圆球,这与实际颗粒的形状产生偏差[24]。虽然武汉大学金磊等[25]基于CT扫描的不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上提出了一种不规则块石几何模型随机生成技术,但未见该技术在抛石稳定性分析中的应用。张翠兵等[26]针对振动荷载作用下抛石散体单元的挤密效应,引入了圆盘模型离散单元法对其进行研究,模拟结果令人满意。针对抛石防波堤在波浪作用下的失稳过程,李增志等[27]首次运用二维刚性体离散单元法对其局部失稳和从局部失稳到整体失稳的变化过程进行研究。

水槽试验法是抛石稳定性研究最有效的分析方法,通过一定的模型比尺将现实中的抛石模拟成水槽中的细小颗粒研究抛石防护特性。在许多水槽试验中,流速的调节由控制水泵电机的转速来实现,产生的问题是流速不能及时、准确地调节,且造流能力往往有限。如果是波流混合条件,还难以任意调节流向和浪向间的夹角[28]。另外,试验中的水流只有单向或双向流,而实际海洋里的桥墩所受水流或是波浪作用往往是来自多个方向,试验无法完全模拟实际情况。即便如此,该方法也被普遍使用。Chiew[29]利用室内模型试验,对无防护和抛石稳定性进行了对比研究;Chiew[6]通过室内水槽试验研究了抛石稳定性,得出当水流行进流速小于临界起动流速的0.3倍时抛石稳定的结论;Unger同样利用水槽试验对抛石稳定性进行了研究[30]。

理论分析法,即对水中抛石进行受力分析,从理论上研究抛石起动。作用在水下颗粒的力有重力、压差力、附加质量力、Basset力、Magnus力、Saffman力、拖曳力、上举力、碰撞力、宾汉体水流的切应力、粘结力和薄膜力,在研究抛石防护稳定性时,假设抛石颗粒为球形颗粒,同时,忽略了Saffman力、上举力、碰撞力、粘结力和薄膜力的影响[31-32]。江胜华等[33]采用赫兹接触理论分析石块的运动,提出了冲刷防护石块起动的简化公式;齐梅兰等[18]对水下抛石颗粒进行受力分析后研究墩周绕流对抛石落距的影响。

上述方法各有优缺点,离散单元法基于一定的假设,比基于连续理论的分析更为合理,但也有其自身局限性,比如用圆球模型模拟抛石颗粒会与实际形状产生一定偏差;水槽试验法能较真实地模拟工程实际,也能直接地观察抛石破坏过程,简单实用,但也会存在比尺效应,比尺太大或太小都会对试验结果产生一定的影响;理论分析法能从机理上分析抛石的稳定性,但同样是基于一定的假设。

5抛石防护方法的新发展

用抛石作为防护措施,取材方便,工艺简单,能适应河床形态变化,但其散体结构导致整体性差,当来流流速较大时易失去防护效果,为尽量规避抛石缺陷产生的隐患,从传统抛石演变出了许多诸如人造抛石、部分灌浆抛石等的新型防护措施。

人造抛石,是指预制的混凝土块体,可单独放置,也可几个混凝土块相互联结使用,在缺少抛石材料或其他条件限制时能取代抛石,其防护机理与抛石一致。常见的人造抛石形状有四面体型(图4)、菱形块型、扭王字型、三字块体型。相比于传统抛石,人造抛石稳定性较好,防护效果也更好,但其造价较高,施工较为复杂[1,3]。

图4　四面体型混凝土块Fig.4　Tetrahedral concrete block

部分灌浆抛石(图5),是指对放置于桥墩周围的抛石散粒体进行部分灌浆,要求灌注的孔隙比例低于50%。与整体灌浆抛石相比,部分灌浆抛石的渗透性较好;与传统抛石体相比,部分灌浆抛石的整体性较好。该种防护措施规避了整体灌浆抛石和传统抛石体的缺点,提高了防护稳定性[34]。

图5　部分灌浆抛石Fig.5　Partially grouted riprap

在水下桥墩一定深度处设置护圈能有效削弱墩前下降水流和马蹄形漩涡对河床的掏刷作用,Zarrati[35]试验研究了抛石防护与护圈防护的结合使用效果,提出了计算两种防护措施联合使用时的抛石粒径和抛投范围的经验公式,同时,发现当桥墩直径小于7.5倍的抛石粒径时,与护圈联合使用能大大减小抛石粒径和抛投范围,如图6所示。

图6　护圈与抛石联合防护Fig.6　Collar and riprap

四面体透水框架群(图7)能保护床沙、抑制冲刷,同时,还可降低墩前行近流速的40%~60%,达到减速防冲效果,通过试验比较四面体透水框架群和抛石的防护效果,得出两者防护效果较为接近,最大冲深均为无防护情况下的50%~60%,四面体透水框架群因其自身稳定性而流失较少,降低了维护费用[4]。

图7　四面体透水框架群Fig.7　Tetrahedron permeable frame

6典型工程实例分析

苏通长江大桥位于江苏省东南部,连接苏州和南通,全长约8.2 km,主跨跨径达1 088 m,是世界上第二大跨径的斜拉桥,墩基由131根钻孔灌注桩组成,承台尺寸为114 m×48 m,布桩密度大,主墩局部冲刷深度大、范围广,必须设置防护措施[36]。

冲刷防护方案采用抛石、砂袋等作为护底抗冲材料,防护结构由反滤层和护面层组成。以南主墩为例,根据防护重要性,将平面防护区域分为核心区、永久防护区和护坦区(图8)。核心区为承台以外约20 m的重点防护区域,在未防护情况下,其冲刷现象最为严重,该区采用袋装砂进行预防护,再用袋装级配石反滤,用块石护面;永久防护区以1 m厚的袋装砂作为反滤层,上面为级配石和3层块石护面;护坦区外侧5层块石护面,内侧3层块石护面[36]。监测结果表明,防护工程有效地确保了桥墩基础的安全[37]。

图8　抛石防护平面分区Fig.8　Partition of riprap protection in horizonal

7结论

如上所述,用抛石作为桥墩局部冲刷的防护措施历史悠久,研究成果较为丰富,在抛石防护研究过程中还有一些问题需进一步研究:

(1) 抛石稳定性理论分析方法中,假设抛石颗粒为球形对其进行研究,与实际情况产生偏差,后续可进一步研究不规则抛石的水流作用力以及抛石运动过程中不同阶段所受相邻抛石的作用力;另一方面,分析中往往研究单个抛石的运动,可在此基础上研究不同抛石组合情况下的稳定性。

(2) 抛石防护施工过程中,流态、抛石形状、抛投方式在水流中会影响落距,动水中的涡流作用使其落距具有不确定性,不能保证抛石能准确定位着床,影响桥墩防护效果。

(3) 水流对墩周不同位置的冲刷作用是不相同的,导致在墩周不同位置会产生不同的冲刷深度,而在进行抛石层设计时,一般根据最大冲深和最远冲刷距离来设置抛石层厚度和抛投范围,针对性不够明确,会造成一定的浪费,应对墩周位置进行分区设计。

(4) 由于抛石颗粒的散粒状,床沙容易被水流从抛石颗粒缝隙间带走,导致抛石层在动床条件下发生埋置破坏,可采取分层设计,抛石灌浆,或者用网兜包住抛石组群的规避措施,为避免抛石层所受水压过大,组群不宜过大,以保证抛石层适当的透水性。

(5) 近年来出现了许多新型的冲刷防护措施,如四面体透水框架群和环翼式挡板防护等,相关研究人员可考虑两种甚至几种防护措施的联合使用,可以有效地起到扬长避短的效果。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(41172246),中央高校基本科研业务费专项资金资助(2013CB036304)

收稿日期：2015-05-29

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