桥墩局部冲刷的机理及防护措施

寇伟航

(重庆交通大学 重庆 400000)

桥墩局部冲刷的机理及防护措施

寇伟航

(重庆交通大学 重庆 400000)

由桥墩周围高强度的水流紊动和旋涡体系所引起的墩附近局部河床床面的下切现象，可能损伤这些桥梁的各自结构，甚至导致更为严重的事故。本文对桥墩局部冲刷机理进行了研究，重点总结了工程中各类常用冲刷防护措施的原理以及优劣，并对主、被动防护措施进行了比较。

局部冲刷；冲刷机理；防护措施

一、引言

局部冲刷是冲积河床水流冲蚀作用引起的一种自然现象，桥梁基础冲刷包括桥墩冲刷和桥桩冲刷，由此导致的桥梁破坏常有发生，在桥梁工程中桥墩周围的局部冲刷几乎是一个不可避免的问题，这种桥墩附近局部河床床面的下切现象，通常是由桥墩周围高强度的水流紊动和旋涡体系所引起的，关系到桥梁基础的稳定。因此，桥梁设计工作者在进行桥梁基础设计时，必须考虑采取一些防护工程对桥墩周围的床面进行防护，以保证桥墩的安全与稳定。

二、桥墩局部冲刷机理

由桥墩干扰水流和泥沙的运动而引起的河床冲刷，它们交织在一起同时进行，冲刷过程非常复杂。通常把桥墩的最大冲刷深度分为独立的三个部分：自然演变引起的冲刷、一般冲刷和局部冲刷，并假定它们相继发生进行。由于桥墩阻流产生的水流冲击和涡流作用，在桥墩周围分离出三维边界层，从而产生具有高紊动和高流速特性的局部水流，引起旋涡并向下游传播和发展，产生很大的床面切力，在桥墩周围形成的局部河床变形称为桥墩局部冲刷。

桥墩局部冲刷深度影响因素众多，与桥墩形状、桥墩附近的水流强度以及河床组成密切相关，局部冲刷机理十分复杂，概括起来，主要有以下三种观点：

(一)墩周流场的旋涡体系。将桥墩放入三维不扰动的流速场中，墩前缘水流遇阻后由于近河底流速小，上部流速大，在河底处形成顺时针旋转的横轴漩涡，并沿床面移向桥墩两侧与绕流形成马蹄形漩涡系。墩周局部冲刷是由马蹄形漩涡系产生很高的河床剪力而形成的。

(二)墩前下降水流的冲击作用。桥墩对水流的阻碍，引起桥墩周围水流结构的剧烈变化，在墩头前缘形成一种“下降水流”，垂直向下冲刷床面泥沙，在墩前形成冲刷坑。

(三)水流受桥墩的压缩作用。桥墩周围的局部冲刷是由于桥墩压缩了水流，改变了墩周原来的流速分布，在墩的两侧流速相对增大，从而使墩两侧首先引起冲刷，冲刷逐步发展到墩的正面。上述三种原理不是孤立作用的，而是相互联系相互影响的，由此可以看出，桥墩对水流的压缩和阻碍作用，使墩周流场发生变化，从而产生桥墩两侧的“集中水流”和桥墩前的“下降水流”，“集中水流”和“下降水流”是形成马蹄形漩涡的内在原因，而马蹄形漩涡系则是产生墩周局部冲刷的直接原因。

三、主动防护措施

在实际工程中，可以在河床高程附近增设底板或者护圈等，通过减小冲刷水流的原动力来提高抗冲刷性能，这种“减冲”的防护方式即主动防护。比较典型的方法有墩前牺牲桩、护圈、环翼式桥墩、护壳、下游石板等防护措施。

(一)墩前牺牲桩。在桥墩基础的上游布置一系列小直径的群桩。当上游水流冲来时，先遇到这些桩，使来流的速度减小，冲刷能量相应地降低，冲刷方向被扰动，使其与桥墩基础的作用减弱，从而达到防护的目的。在实际工程中，该防护措施存在明显的缺陷，如水流方向改变或河流变化都会使得原先设计的牺牲桩防护效果大大减小。

(二)护圈。在桥墩一定高度处设置各种形式的护圈。护圈的存在使得桥墩周围的下降水流和马蹄形漩涡得到较好的削弱，也使得前进水流经过桥墩时的能量被削弱，从而起到防护的作用。

(三)环翼式桥墩。环翼式桥墩是在桥墩上合适的位置加装一定数量的挡板，形似翼状。该方法是从削弱水流的能力着手，通过翼状挡板改变下潜水流的方向和大小，从而削弱漩涡淘蚀与降低搬运河床颗粒的能力。

(四)护壳。护壳是安置在浸入水中的桥墩外表面的一种防护手段，通过在桥墩表面附加粗糙的护壳来起到防护的作用。护壳能够很好地降低水流冲击，有效地防止二次流和马蹄形漩涡，降低了尾流强度，从而达到较好的防护效果。护壳防护能够较好地减小冲刷，而且具有设备简单、性价比高、适用范围广等特点。

(五)下游石板。下游石板防护是在桥墩的下游某处放置一块石板，石板位于河床上，并且向整个河床截面延伸。存在于下游的石板，能够很好地减小水流的流速，从而使得尾流漩涡减小，达到减小尾流冲刷的目的。

四、被动防护措施

从被冲刷对象着手，在桥墩周围的河床铺设诸如碎石等的保护层，该类方法属于被动防护范畴，旨在增强墩周土体的抗冲刷能力，比较典型的方法有抛石、部分抛石灌浆、扩大墩基础，四面体透水框架群等。

(一)抛石。抛石是应用最为广泛的防护形式之一，其特点在于取材方便，工艺简单，操作实施灵活性大。抛石一方面增加了泥沙卷扬起动所需要的水流作用力，另一方面其粗糙的石块在一定程度上减缓了底层水流速度。但抛石防护的整体性较差，运行维护费用和工作量较大，特别是当流速急剧增大、河床床面出现较大变化时，抛石相对位置发生了变化，失去了防护作用。

(二)扩大墩基础防护。扩大桥墩基础防护是指在施工阶段先将钢围堰埋入河床以下一定深度，再进行下部桩基础施工，基础施工完成后在床面以上预留一定高度封顶，然后在其顶面上放置桥墩的防护工程措施。该防护措施致力于解决下降水流带来的淘刷力，防止其直接冲刷泥沙以及减弱马蹄形流的冲砂携砂能力。但是对于具有泥沙搬运特性的动床，当泥沙发生移动时，便失去了原来的作用和效果[5]。

(三)四面体透水框架群防护。四面体透水框架群是一种在桥墩周围抛投四面体的方法。其工作原理是利用四面体框架群对来流进行消能减冲，减小漩涡，稳固河床，从而达到防护的目的。该方法最早是运用于江河护岸和堤防等，后来逐渐引入了冲刷防护领域，这种防护技术机理新颖，兼具两种防护措施的特点，造价较低，适用面广。

五、结语

本文通过分析冲刷机理，认为桥墩阻碍水流行进出现的马蹄形漩涡系则是产生墩周局部冲刷的直接原因。然后重点总结了工程中各类常用冲刷防护措施，工程上现行的防护方式多以被动防护为主，其中抛石防护最为常见。被动防护只是机械地提高墩周土体的抗冲能力，不能从冲刷产生的原因入手，经常需要进行修缮维护，代价高，工作量大，相反，主动防护着眼于冲刷的根源，从扰动水流结构入手，降低来流的作用，从而起到很好的防护效果，虽然一次性投入可能较被动防护要多，但从长远角度来看，修缮维护的人力和财力会被显著降低，应是未来局部冲刷防护的发展方向。

[1]Brice J C，Blodgett J C.Countermeasures for hydraulic problems at bridge[R].Washington D.C.:Federal Hay.Administration，1978.

[2]Melville B W，Hadfield A C.Use of sacrificial piles as pier scour Countermeasures[J].Journal of Hydraulic Engineering，1999.

[3]张万锋，文恒，牟献友，等.环翼式桥(闸)墩防冲刷实验研究[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版)，2011.

[4]成兰艳，牟献友，文恒，等.环翼式桥墩局部冲刷防护试验[J].水利水电科技进展，2012.

[5]房世龙，陈红.新型桥墩局部冲刷防护工程溃败机理研究[J].甘肃水利水电技术，2010.

寇伟航(1993-)，男，汉，河南许昌，本科，重庆交通大学，内河航运与航道整治方向。