桥墩冲刷的护坦防护设计研究

兰云松

(天津市交通科学研究院，天津 300300)



桥墩冲刷的护坦防护设计研究

兰云松

(天津市交通科学研究院，天津 300300)

系统地总结了桥墩周围水流结构、冲刷机理、局部冲刷防护效果影响因素等问题的研究结果，提出护坦防护型式的设计参数，并分析设计参数对护坦防护效果的影响规律及各参数的确定方法。

桥墩冲刷；护坦防护；设计

0 引 言

世界各国的建桥经验表明，洪水对桥墩的局部冲刷是导致桥梁破坏的重要原因。当前我国仍有不少大中型桥梁因基础埋深不足需要采取局部防护措施。国内外大量的桥墩冲刷的防护试验研究发现，通过采取一定的防护措施可以获得有效的结果，但目前还无普遍规律能够用以指导防护体的型式设计。

护坦是一种构造简单、适应性较强、效果明显的浅基桥墩防护型式。实际应用中有大量护坦防护经受住大洪水考验成功的实例，但同时还存在一些因防护体尺寸、位置设计不当造成的防护失效问题。因此对桥墩冲刷的护坦防护作用的水力学机理、合理的水力设计方法还需深入的研究。

1 桥墩冲刷

1.1 桥墩周围的水流结构

桥墩处的绕流漩涡体系破坏原床面泥砂固有的平衡状态，形成局部冲刷。在局部冲刷发展期间，冲刷坑的深度和范围增加导致水流结构越来越复杂，水流紊动性更强。根据桥墩周围的水流结构来预测桥墩局部冲刷深度，属于典型的桥梁水力学问题。通过对前人研究的成果进行总结后认为，桥墩周围的水流按照形态特点将其分为四部分：墩前壅水、桥墩前的向下水流、马蹄形漩涡、尾流漩涡。

图2 护坦防护体构造

1.2 护坦防护体构造及防护机理

护坦防护一般由护坦顶板和垂裙两部分构成。护坦顶板对墩台周围床面起到直接的防护作用，垂裙的作用则主要为了防止顶板边缘被淘空。墩前壁面下降水流和两侧绕流漩涡到达护坦顶板后，变为水平流动，在床沙和护坦交界处生成次生漩涡，引起垂裙外床面的冲刷，而次生漩涡的冲刷能力远小于无护坦防护时马蹄形漩涡的直接冲刷能力。

1.3 防护效果关键因素

在桥墩下部设置护坦防护后，墩台与护坦共同构成涉水主体，因此护坦处的水流结构和冲刷深度与护坦防护体的位置、尺寸有关。防护体能否起到预期的防护效果关键在于防护型式与河段水流条件、河床地质、桥基结构与病害状态的匹配程度。

2 护坦防护的设计参数

2.1 护坦平面形式

护坦防护的平面形式多种多样，在实际工程应用中根据桥墩型式、水流特性和施工难以程度等具体情况，选用不同的平面型式。常用的有圆形、矩形、圆角矩形、尖端形等。圆形护坦多设置到圆形桥墩和长宽相差较小的矩形桥墩。桥墩周围的防护宽度相同，对主流易摆动的河段适应性较好。矩形和圆角矩形主要应用在长宽相差较大的桥墩和桥台，圆角矩形对水流扰动小更有利于水流的通过。尖端形有一定的导流作用，减少水流对桥墩的直接冲击，适用于河道主流较稳定的河段。

2.2 护坦顶面埋置深度

护坦顶面埋置深度对护坦防护效果起到至关重要的作用，埋入床面以下越低，马蹄形漩涡在边缘处次生漩涡产生的冲刷也越低，不利于桥墩安全。太低则起不到应有的防护作用。研究通常认为，护坦顶板宜设置在一般冲刷线的位置或其以下1～2 m处。

护坦顶面标高越高对下降水流的影响越早，提前改变下降水流形态，进而减少了马蹄形漩涡在床面的冲刷。但由于基础顶面高于床面后，导致阻水面积增加，高出床面越多在护坦周围形成的局部冲刷越大。在与护坦防护原理类似的扩大桥墩基础防护的研究中发现，其顶面位置略高出床面后仍能起到一定的减冲作用。其主要原因为墩前突出长度的减冲作用大于墩侧突出宽度的增冲作用。因此，在护坦顶面有可能高出一般冲刷线时，其墩侧防护宽度和墩前延伸长度应相匹配，才能起到良好的防护效果。

2.3 护坦防护平面尺寸

护坦防护平面尺寸主要指防护宽度和护坦上游延伸长度。关于护坦防护体平面尺寸我国尚无明确的计算办法，而盲目套用国外计算办法是不合理的。护坦防护的目的在于减小墩前向下水流和绕流漩涡对河床的冲刷，因此防护体的尺寸与漩涡强度及其影响范围有关。通过研究漩涡影响范围，从而可以确定防护体的合理尺寸。

当防护体的宽度大于主漩涡的半径时，在主漩涡边缘切向流速的诱导作用，形成冲刷能力较弱的次生漩涡。如若防护宽度小于主漩涡的半径，就不能形成次生漩涡，此时主漩涡体系仍然对床面造成直接冲刷。因此，防护体宽度越大，漩涡在护坦顶面流动越长的距离，消耗的冲刷能量越多，防护作用就越明显。

根据护坦防护型试验资料，得到桥墩护坦防护局部冲刷深度与防护宽度的关系

hSH=1.1hse-1.34(BH/hs)

式中：hSH为设置护坦时桥墩垂裙处冲刷深度，m；hs为不设护坦时桥墩冲刷深度，m；BH为防护宽度；e为自然对数的底。

护坦防护宽度设计首先计算出不设护坦时桥墩周围的平均冲刷深度hs；然后根据河床地质、地形、水力、施工等条件，选定可以容许的护坦垂裙冲刷深度Hsh，算出Hsh/hs。找到与之对应的BH/hs值，初步确定BH。如果不合适再重复这种方法，直到选定合适的BH和Hsh为止。也可以从选定BH入手，由BH/hs值找到与之对应的Hsh/hs值，通过Hsh值来选定防护宽度BH。

2.4 护坦垂裙埋深和角度

由护坦防护机理可知，向下水流遇到护坦顶板以后被迫改为水平方向流动，水平流在床面与护坦分界处分离，诱导生成的水平轴漩涡，引起护坦边缘床面的冲刷。若不做垂裙则加固面边缘会被掏空、坍塌破坏，所以必须在护坦顶板周围设置垂裙，垂裙的基础应有足够的埋置深度。

根据护坦边缘垂裙处的冲刷深度与护坦顶面埋置深度关系可知：护坦顶面埋的越深，垂裙则越短，护坦顶面埋的浅，垂裙则长，但垂裙基础底面高程不变。浅基局部防护体顶面标高设置在一般冲刷线或其以下有困难时，防护体顶面可略高于一般冲刷线，但必须将垂裙基础设置在一般冲刷线以下。根据试验资料，可得到局部防护体垂裙深度Hh计算公式

式中：Hh为垂裙深度，m；v为墩前垂线平均流速，(m/s)；v＇为始冲流速，(m/s)；V0为泥沙起动流速，(m/s)，按张瑞瑾公式计算；h为墩前来流最大水深，m；h＇为墩前下降水深，m，h＇=0.62h；B为防护体宽度，m；A为由试验资料得A=0.20。

为了减弱分离边界处次生漩涡的强度，使墩前迎面水流更加平稳通过，将垂裙做成以一定角度倾斜的型式，这样可以避免在护坦前缘形成更大的冲刷；并且当护坦顶面高出一般冲刷线时，护坦头部带有倾角的垂裙可以起到一定的前置导流作用，分散墩前迎水面水流，减小水流直接冲击桥墩。同时倾斜的垂裙还有一定的挑流作用，向上的水流可以抑制墩前壁面的下潜水流，进而削弱漩涡体系的强度。

3 结 语

(1)河床变形范围在无护坦时，最大冲刷深度贴近桥墩迎水面位置，冲刷范围较小，但冲刷深度很大；设置护坦防护以后，冲刷范围变大，且冲刷坑边缘向外扩展至护坦垂裙的边缘，河床变形明显地趋向平缓。(2)护坦防护面标高，宜设置在相应频率洪水的一般冲刷线处或其以下1～2m位置。若一般冲刷计算精度较差，为了防止顶面高出床面带来不利影响，则应适当降低防护顶面高程。(3)护坦宽度越大，马蹄形漩涡护坦顶面运动距离越长能量消耗越大，次生漩涡在护坦垂裙边缘产生的冲刷越小。(4)当工程条件受到限制或桥梁原有基础埋置过浅，护坦无法埋置到床面以下，或者床面高程无法准确预测时，应增加护坦头部向上游的延伸长度，一般取1.5～2倍的护坦防护宽度，就能使发生在墩台周边的冲刷远离桥墩或桥台，对墩台的安全极为有利。(5)垂裙角度选为45度时，护坦头部和桥墩两侧的冲刷坑深度分布较均匀。护坦头部向上游延伸配合带有倾角的圆弧形垂裙构成一个前置的导流体，从而有效的减小了桥墩周围的冲刷深度。

[1] 公路工程水文勘测设计规范(JTGC30-2015)[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2] 高冬光，王亚玲.桥涵水文[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] 房世龙，陈红，王岗.桥墩局部冲刷防护程特性研究综述[J].水利水电科技进展，2007，27(4)：84-88.

2016-11-08

U4；TV3

C

1008-3383(2017)05-0112-02