桥墩清水局部冲刷减速不冲防护技术试验研究

房世龙，陈 红，施小飞

(1.南通航运职业技术学院 交通工程系，江苏 南通 226010；2.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

桥墩清水局部冲刷减速不冲防护技术试验研究

房世龙1，陈 红2，施小飞1

(1.南通航运职业技术学院 交通工程系，江苏 南通 226010；2.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

减速不冲防护技术能够通过改变桥墩周围水流动力条件来有效遏制床面泥沙冲刷，具有较好的防护效果和工程应用价值，但目前还没有关于其冲刷防护效果及特性的系统研究。通过室内变坡水槽试验对水平护圈、墩体开缝、基础沉箱、墩前排桩、埋置式拦沙槛、埋置式导流屏等典型减速不冲防护技术进行了系统的研究。分析了各典型减速不冲防护技术几何布设参数对桥墩周围冲刷深度削减率的影响规律，并从机理上探究了减速不冲防护技术对桥墩清水局部冲刷的防护效果和防护特性。研究成果可为桥墩局部冲刷防护技术的选取及优化设计提供参考依据。

清水冲刷；减速不冲防护技术；防护效果；防护特性

0 引 言

冲积性河流中桥墩阻水引起的复杂旋涡体系和高强度水体紊动会造成桥墩周围床面的局部冲刷[1-2]。局部冲刷不仅会导致桥墩的变形移位，甚至会引发整座桥梁的失稳水毁。

为避免局部冲刷对桥梁安全运营的威胁，可以采用一些防护桥墩免受冲刷的工程措施[3-4]。Y．M．CHIEW[5]将桥墩局部冲刷防护技术分成实体抗冲和减速不冲两类。实体抗冲防护技术主要是利用实体材料自身具有的抗冲能力来保护桥墩周围床面泥沙不被冲刷，主要有抛石、石笼沉排、混凝土模袋等。实体抗冲防护技术虽然具有取材方便、施工简单等优点，但防护工程的整体性较差，工程后维护费用较大，在清水和动床冲刷条件下存在剪切破坏、卷扬破坏、边缘破坏、床面形态引起的破坏和河床下切引起的破坏等多种破坏形式，在一定条件下这些破坏形式会引发整个冲刷防护工程的溃败[6]。减速不冲防护技术主要是通过改变桥墩周围水流动力结构和削弱旋涡体系冲刷力来实现对桥墩局部冲刷的有效防护。目前典型的减速不冲防护技术主要水平护圈、墩体开缝、墩前排桩、基础沉箱、埋置式拦沙槛、埋置式导流屏等几种形式。多年的理论研究和工程应用表明，减速不冲防护技术较以往的防护技术更为经济、有效，并具有更好的推广应用前景[7-8]。

截至目前，已有关于个别减速不冲防护技术防护桥墩局部冲刷机理、影响桥墩周围流场特性和工程实际应用效果的初步研究成果，但还没有对其冲刷防护效果及特性进行过系统深入的研究[9-12]。因此，笔者通过室内变坡水槽试验对水平护圈、墩体开缝、基础沉箱、墩前排桩、埋置式拦沙槛、埋置式导流屏等典型减速不冲防护技术进行了系统的研究，分析了减速不冲防护技术几何布设参数对桥墩周围冲刷深度削减率的影响规律，并从机理上探究了减速不冲防护技术对桥墩清水局部冲刷的防护效果和防护特性。研究成果可为桥墩局部冲刷防护技术的选取及优化设计提供参考依据。

1 清水冲刷试验

桥墩清水局部冲刷减速不冲防护技术防护效果研究在矩形断面自循环变坡水槽上进行。试验水槽长1 600 cm，宽80 cm，深90 cm，水槽两侧边壁和试验段底部均为玻璃壁面，便于清水局部冲刷发展过程中各种试验现象的跟踪观测。水槽下游端的铅直升降可使水槽底坡在0～17/1 000之间变化，能满足建立研究所需均匀流试验条件的要求。

水槽运行过程中，变频水泵从地下水库中抽取水流，水流流经流量控制阀门后通过输水管道进入试验水槽内部，并最终在水槽下游端尾门处回流至地下水库。水槽进口处设置了蜂窝状的平水格栅，平水格栅不仅能够校直水流方向，还能够抑制因回水产生的涡流，有利于水槽有效试验段内均匀流的产生。水槽进口流量由阀门控制，并通过多普勒超声波流量计量测。槽内水位由下游端的尾门控制，流速由超声波多普勒流速仪量测，槽内水深和防护前后桥墩周围的最大冲刷深度由水位测针读取。

为了研究桥墩清水局部冲刷减速不冲防护技术的防护效果，在距离试验水槽入口800 cm处布置了一个作为有效试验段的沙坑，沙坑顺水流方向的长度为200 cm，横向宽度为80 cm，深为20 cm。为了减少试验过程中模型沙的使用量，沙坑下游端至尾门、沙坑上游端至水槽入口均安装了20 cm厚的灰塑板制成的假底，假底上铺设了厚度为5 cm的模型沙，沙坑也用模型沙填充至与假底上床沙面平齐。

试验选用的模型沙为天然无黏性均匀沙，模型沙密度为2.65×103kg/m3，中值粒径d50=0.53 mm，不均匀系数σg=1.2，沙粒形状系数接近1.0。试验采用横截面为圆形的有机玻璃管模拟桥墩，模型桥墩直径D=10 cm，固定于距离水槽入口900 cm沙坑平面形心所在位置处的水槽底面上。所有组次的试验均是在清水冲刷条件下展开的，试验采用墩前行近流速U=33.4 cm/s，行近水深H=30.0 cm，来流剪切流速u*,∞=1.66 cm/s，为避免水流条件对减速不冲防护技术防护效果的影响，试验开展过程中始终保持相对流速U/Uc=1.0，相对水深H/D=3.0。减速不冲防护技术的防护效果均通过冲刷深度削减率ξ=(1-hs/hs0)×100%来衡量，其中hs0和hs分别为采用防护措施前后冲刷达到平衡状态时桥墩周围的最大冲刷深度。

2 试验结果分析

2.1 水平护圈几何布设参数对冲刷防护效果影响

水平护圈防护技术能够利用环状刚性顶面将桥墩周围易受侵蚀河床面进行有效隔离，使之免受墩前向下水流、墩周马蹄形旋涡和墩后尾流漩涡的冲刷作用，进而实现对桥墩清水局部冲刷的有效防护，水平护圈的结构形式及布设方式如图1。水平护圈防护技术的防护效果与布设宽度和布设高度等几何布设参数有关，其中布设宽度Wco为环状水平护圈外圆对应的直径，布设高度Yco为护圈顶面到原始床面的距离，护圈位于原始床面以上时布设高度取值为正，反之为负。

图1 水平护圈的结构形式及布设方式Fig.1 Structure and layout form of horizontal collar

图2为清水冲刷条件下冲刷深度削减率随水平护圈相对布设宽度的变化规律。

图2 冲刷深度削减率随护圈相对布设宽度的变化Fig.2 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout width of collar

相对布设高度保持不变时，增加水平护圈的相对布设宽度。桥墩周围旋涡体系与易受侵蚀河床的接触面积逐渐减小，护圈的隔离作用使得冲刷深度削减率增大，护圈的冲刷防护作用增强。相对布设宽度大于3.0以后，桥墩周围漩涡体系已被限制在护圈刚性顶面的覆盖区域内，并与易受侵蚀河床面完全隔离，导致冲刷深度削减率的变化并不明显，护圈的防护效果也已不受布设宽度的影响，所以水平护圈的最优布设宽度应不小于3.0倍桥墩直径。

相对布设宽度保持不变时，冲刷深度削减率随水平护圈相对布设高度的变化可分为两个特征区域：其一是水平护圈位于原始床面以上时，增加相对布设高度，护圈与原始床面之间的距离增加，冲刷深度削减率减小，护圈的防护作用减弱，这表明护圈只能有效隔离其环状刚性顶面以上区域内旋涡体系的冲刷作用，而不能对形成于其顶面以下区域内的旋涡体系的冲刷力造成影响，所以距离床面越远，水平护圈的防护效果就越差；其二是水平护圈位于原始床面以下时，随着相对布设高度的减小，护圈在河床内的埋置深度增大，冲刷深度削减率减小，护圈的冲刷防护作用减弱。这主要是因为水平护圈被埋置于原始床面以下时，只有桥墩周围冲刷深度发展到其埋置位置并使其环状顶面暴露于水中以后，水平护圈才能发挥隔离旋涡体系和易受侵蚀河床的作用。所以埋置式布设方式不仅极大削弱了水平护圈对桥墩清水冲刷的防护作用，也增加了实施难度和工程造价。对比不同布设高度时的防护效果发现，水平护圈顶面与原始床面平齐时的防护效果最好，特别是布设宽度大于3.0倍桥墩直径后，冲刷深度削减率最大可达93.8 %。

因此，护圈防护技术对桥墩周围床面冲刷具有较为显著的防护效果，特别是在清水冲刷条件下，桥址河段一般冲刷和收缩冲刷完成后，布设于河床床面附近的护圈防护效果最好。

2.2 墩体开缝几何布设参数对冲刷防护效果影响

墩体开缝防护技术主要是利用墩缝过流减小墩前行近水深和迎水面处驻点压力，削减向下水流和马蹄形旋涡的冲刷力，改变墩后尾流漩涡的冲刷作用方式，从而实现对桥墩清水局部冲刷的有效防护。墩体开缝的结构形式及布设方式如图3。

图3 墩体开缝的结构形式及布设方式Fig.3 Structure and layout form of piers slot

影响墩体开缝防护技术防护效果的几何布设参数为墩缝的布设长度Ls和布设宽度Ws。图4为清水冲刷条件下冲刷深度削减率随墩缝相对布设长度的变化规律。

由图4可知，墩体开缝后桥墩周围最大冲刷深度均较无防护措施时有不同程度的减小。墩缝相对布设宽度保持不变，增加墩缝的相对布设长度，冲刷深度削减率迅速增大，墩体开缝的防护作用显著增强。墩缝布设长度的增加不仅导致了墩前有效水深的减小，也使得阻挡行近水流形成驻点压力的有效桥墩迎水面积减小，所以驻点压力驱动下的向下水流强度变弱，马蹄形旋涡和尾流漩涡的冲刷力也同时被削弱，故而防护效果增强。墩缝布设长度增大至墩前行近水深与无防护措施桥墩周围最大冲刷深度之和时，墩体开缝防护技术的防护效果最好。墩缝相对布设长度相同时，随着墩缝相对布设宽度的增加，墩体本身的透水性能逐渐增强，而阻水作用逐渐减弱，向下水流和马蹄形旋涡的冲刷作用强度随之变弱，墩体透水造成的流速重新分布也削弱了墩后尾流漩涡的强度，所以冲刷深度削减率增大，墩体开缝的冲刷防护作用增强。墩缝布设长度为墩前行近水深与无防护措施桥墩周围最大冲刷深度之和、墩缝布设宽度为0.6倍桥墩直径时，冲刷深度削减率最大可达39.5 %，防护效果最好。

虽然墩缝长度和宽度越大，冲刷防护效果就越好，但墩缝几何尺度过大会对桥墩结构整体性造成损害。因此，在清水冲刷条件下墩前行近水流方向变化不大、墩体开缝对桥墩结构整体性损害不大的情况下，可以采用墩体开缝防护技术。

2.3 基础沉箱几何布设参数对冲刷防护效果影响

基础沉箱防护技术能够利用沉箱顶面改变水流结构作用方式来保护桥墩周围床面免受冲刷，其结构形式及布设方式如图5。影响基础沉箱防护技术防护效果的几何布设参数为沉箱布设高度Yca、沉箱直径Dc和桥墩直径Dp，其中布设高度为沉箱顶面到原始河床面的距离，沉箱顶面位于原始床面以上时布设高度取值为正，反之为负。

图5 基础沉箱的结构形式及布设方式Fig.5 Structure and layout form of footing caisson

图6为清水冲刷条件下冲刷深度削减率随沉箱相对布设高度的变化规律。

图6 冲刷深度削减率随沉箱布设高度的变化Fig.6 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout height of footing caisson

由图6可知，冲刷深度削减率随沉箱相对布设高度的变化可分为两个特征区域。在第一个特征区域内(-0.33≤Yca/Dp≤H/Dp)，冲刷深度削减率均为负值。说明沉箱的出现不仅没有对清水局部冲刷起到应有的防护作用，还使得桥墩周围冲刷深度均较无防护措施时有不同程度的增加。产生此现象的主要原因是，相对布设高度大于-0.33后，随着相对布设高度的增加，部分沉箱逐渐开始直接暴露于水体中，沉箱的出露增加了桥墩的有效墩径，而且沉箱的相对直径越大、出露的部分越多，桥墩的有效墩径就越大，桥墩周围旋涡体系的冲刷作用显著增强，局部冲刷深度较无防护措施时增加地也就越多。所以采用基础沉箱防护技术防护桥墩清水局部冲刷时，应避免将沉箱布设在-0.33倍桥墩直径至自由水面的高度范围内。在第二个特征区域内 (-hs0/D≤Yca/D≤-0.33)，沉箱的相对布设高度保持不变时，随着沉箱相对直径的增加，沉箱外缘至桥墩表面的长度也增加，沉箱顶面与桥墩周围水流结构相互作用的区域范围变大，向下水流、马蹄形旋涡和尾流漩涡对床面泥沙的冲刷作用程度变小，所以冲刷深度削减率逐渐增大。沉箱的相对直径保持不变时，减小沉箱的相对布设高度，冲刷深度削减率先增加而后又逐渐减小，直至沉箱顶面位于无防护措施时桥墩周围最大冲刷深度以下位置处时，沉箱已不能对水流结构的冲刷力造成影响，因而失去了对桥墩局部冲刷的防护作用。而沉箱相对布设高度在-0.9≤Yca/D≤-0.7范围内时，冲刷深度削减率均具有极大值，最大冲刷深度削减率可达67.9%，可作为沉箱防护的最优布设高度取值区间范围。

由此可见，顶面布设于河床面以下、相对直径越大的基础沉箱的防护效果越好，但该技术只适用于清水冲刷条件下河道无横向摆动，且桥址处一般冲刷、收缩冲刷完成后的桥墩防护。

2.4 墩前排桩几何布设参数对冲刷防护效果影响

墩前排桩能够通过桩群自身的减速消能作用促使来流挟带的泥沙在其尾流区内落淤，也能利用桩群尾流影响桥墩周围水流结构，削弱墩周旋涡体系的强度和冲刷力，从而实现对桥墩清水局部冲刷的有效遏制，其结构形式及布设方式如图7。

图7 墩前排桩的结构形式及布设方式Fig.7 Structure and layout form of sacrificial piles

墩前排桩防护技术的防护效果取决于单桩直径Dsp、单桩数量Nsp、布设形状、布设距离Lsp和单桩间距Ssp等几何布设参数。B.W.MELVILLE，等[13]的研究认为，单桩相对直径Dsp/D=0.167、单桩数量Nsp=5、布设形状为顶角α=30°的等腰三角形时墩前排桩的防护效果显著。笔者在采用上述最佳布设形式的基础上，进一步深入研究了冲刷深度削减率随墩前排桩布设距离和单桩间距的变化规律，如图8。

图8 冲刷深度削减率随墩前排桩布设距离的变化Fig.8 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout distance of sacrificial piles

由图8可知，清水冲刷条件下墩前排桩的出现使得桥墩周围最大冲刷深度均较无防护措施时有不同程度的减小。相对布设距离不变时，随着相对单桩间距的减小，桩群的阻水作用增强，而透水性能减弱，桩群尾流对桥墩周围水流结构的影响程度加大，旋涡体系的冲刷力减弱，所以冲刷深度削减率逐渐增加，墩前排桩的防护作用也逐渐增强。相对单桩间距保持不变时，随着排桩相对布设距离的增加，桥墩逐渐远离桩群的尾流区域，排桩对桥墩周围水流结构的影响减弱，墩周旋涡体系的冲刷力增强，所以冲刷深度削减率逐渐减小，墩前排桩的冲刷防护作用减弱。由此可见，采用墩前排桩防护时，为取得最优清水局部冲刷防护效果，应尽可能的减小排桩的单桩间距和布设距离，但由于河道横向摆动等因素引起的墩前行近水流方向变化较大时，墩前排桩将失去防护作用。

2.5 埋置式拦沙槛几何布设参数对冲刷防护效果影响

埋置式拦沙槛是将一定几何尺寸的矩形薄板状底槛沿整个河宽垂直埋置于桥墩下游某一位置处的河床内，并保持底槛顶面与原始河床面平齐的一种减速不冲防护技术。埋置式拦沙槛会在冲刷发展过程中随着冲刷坑的形成而逐渐暴露于水中，然后通过自身扰流消能作用削减墩后尾流旋涡的冲刷力，进而实现对桥墩清水局部冲刷的有效防护，其结构形式及布设方式如图9。

图9 埋置式拦沙槛的结构形式及布设方式Fig.9 Structure and layout form of embedded sill

影响埋置式拦沙槛防护技术防护效果的几何布设参数为拦沙槛厚度t和布设间距Lsi。图10为清水冲刷条件下冲刷深度削减率随拦沙槛相对布设间距的变化规律。由图10可知，采用埋置式拦沙槛防护后桥墩周围最大冲刷深度均较无防护措施时有不同程度的减小。相对布设间距保持不变时，随着相对厚度的增加，拦沙槛的扰流消能作用逐渐增强，尾流旋涡卷扬泥沙致其顺水流失的能力减弱，所以冲刷深度削减率逐渐增大，拦沙槛的防护作用增强。相对厚度保持不变时，减小相对布设间距，冲刷深度削减率增大，拦沙槛的防护作用增强，相对布设间距为0时，拦沙槛上游面到桥墩尾水面的距离最小，防护效果也最好，冲刷深度削减率最大可达31.6 %。

图10 冲刷深度削减率随拦沙槛相对布设间距的变化Fig.10 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout interval of embedded sill

由此可见，越是靠近桥墩尾水面，拦沙槛对墩后水流的调整作用越明显，尾流旋涡冲刷力的削减幅度也就越大，与桥墩尾水面的距离越小，拦沙槛增加局部流场水流阻力的影响范围越大。这也有效削减了向下水流和马蹄形旋涡的冲刷力，从而使拦沙槛的防护作用增强。但是，埋置式拦沙槛防护技术只适用于清水冲刷条件下河道无横向摆动、墩前行近水流方向变化不大、且桥址处一般冲刷、收缩冲刷完成后的桥墩防护。

2.6 埋置式导流屏几何布置参数对冲刷防护效果影响

埋置式导流屏是被垂直埋置于桥墩上游迎水面处河床内，自身与水流方向成一定角度，顶面与原始河床面保持平齐，下游端依附于桥墩外表面矩形薄板状结构物，其结构形式及布设方式如图11。

图11 埋置式导流屏的结构形式及布设方式Fig.11 Structure and layout form of embedded vanes

埋置式导流屏能够增大所在区域内局部流场的水流阻力，促使来流挟带的泥沙在桥墩附近落淤，也能够通过激发次生环流有效削弱墩前向下水流和墩周马蹄形旋涡的强度，保护桥墩周围床面泥沙免受冲刷。影响埋置式导流屏防护技术防护效果的几何布设参数为布设长度Lv、布设距离Bv、导流屏与水流方向夹角β。已有的研究成果表明[14]，导流屏夹角β=18.5°时防护效果显著，所以笔者在采用上述最优导流屏夹角的基础上，进一步深入研究了冲刷深度削减率随导流屏布设距离的变化规律，如图12。

图12 冲刷深度削减率随导流屏相对布设距离的变化Fig.12 Reduction efficiency of scour depth changing with the layout distance of embedded vanes

由图12可知，采用埋置式导流屏防护后桥墩周围最大冲刷深度均较无防护措施时有不同程度的减小。相对布设距离保持不变时，随着相对布设长度的增加，导流屏对向下水流和马蹄形旋涡冲刷力的削减作用增强，冲刷深度削减率增大。布设长度约为1.0倍桥墩直径时的防护效果最好。此后相对布设长度增加，导流屏的防护效果反而变差。相对布设长度保持不变时，随着相对布设距离的减小，导流屏对墩前流场的影响范围增大，墩前水流能量的耗散量增多，向下水流和马蹄形旋涡的冲刷力减弱，所以冲刷深度削减率也几乎线性增加。Bv/D=0.42时冲刷深度削减率到达极大值，导流屏的防护效果最好。此后，随着相对布置距离的继续减小，导流屏逐渐远离桥墩迎水面，对墩前向下水流和马蹄形旋涡等水流结构的影响变弱，所以冲刷深度削减率也逐渐减小。

选取上述最优布置参数后，埋置式导流屏防护技术在清水冲刷条件下墩前行近水流方向变化不大的情况下防护效果最好。

3 结 论

笔者通过室内变坡水槽试验，系统地研究了桥墩清水局部冲刷减速不冲防护技术的防护效果，得出以下结论：

1)减速不冲防护技术对桥墩清水局部冲刷均有不同程度的防护作用，而不同防护技术的防护效果和防护特性也不相同。

2)水平护圈顶面与河床面平齐且布设宽度大于3.0倍桥墩直径时的防护效果最好，冲刷深度削减率可达93.8 %。增加墩缝长度和宽度，墩体开缝防护技术的防护作用增强，冲刷深度最大削减率可达39.5 %以上。

3)基础沉箱相对直径越大防护效果越好，沉箱顶面位于原始床面以下0.7～0.9倍桥墩直径处、相对直径大于10.0倍桥墩直径后，冲刷深度削减率最大可达67.9 %。墩前排桩的布设距离和单桩间距越小防护作用越强，布设距离和单桩间距分别小于2.0和0.67倍桥墩直径后，冲刷深度削减率可达39.3 %。

4)埋置式拦沙槛的厚度越大、布设间距越小防护效果越好，冲刷深度削减率可达31.6 %以上。埋置式导流屏布设长度和布设距离分别为1.0和0.42倍桥墩直径时的防护效果最好，冲刷深度削减率最大可达37.3 %。

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Experimental Study on Protection Effect of Flow-Altering Countermeasuresagainst Clear Water Scour at Bridge Piers

FANG Shilong1, CHEN Hong2, SHI Xiaofei1

(1. Department of Transportation Engineering, Nantong Shipping College, Nantong 226010, Jiangsu, P.R.China; 2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China)

The flow-altering countermeasures can effectively curb the bed sediment erosion by changing the hydrodynamic conditions around the piers, which has a good protective effect and application value. However, there has not been systematic study on its scour protection effects and characteristics yet. Therefore, the classic flow-altering countermeasures such as the horizontal collar, bridge piers slot, footing caisson, sacrificial piles, embedded sill and embedded vanes were systematically studied by means of the indoor variable slope flume test. The influence rule of geometric layout parameters of the flow-altering countermeasures on the reduction efficiency of the equilibrium maximum scour depth was also studied. The protection effect and protection characteristics of these classical flow-altering countermeasures against the clear water scour were deeply analyzed from the mechanism. The research results can offer some references for the choice and optimal design of the flow-altering countermeasures.

clear water scour; flow-altering countermeasures; protection effect; protection characteristics

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.16

2015-03-25；

2015-05-13

交通运输部应用基础研究项目(2013329284210)；江苏省交通科学研究计划项目(2013Y27-04,2014C03-07)；南通市社会事业科技创新与示范计划(HS2014017)

房世龙(1978—),男，黑龙江桦南人，副教授，博士，主要从事港口航道及海岸工程、河流泥沙工程方面的研究。E-mail:fangsl3000@163.com。

U442.3+2

A

1674-0696(2016)03-071-07