冰盖条件下桥墩局部冲刷研究进展

王 军，苏奕垒，侯智星，程铁杰，隋觉义

（1. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.Environmental Engineering，University of Northern British Columbia，Prince George，Canada.）

1 研究背景

冰盖或冰塞的出现，改变了河流的边界条件、水流条件和河床泥沙的运动状态，通过相同流量时，冰塞上游水位显著增高，冰塞河段上下游形成较大的水位差，严重时会诱发凌洪灾害[1-3]。2006年，北美洲因冰塞导致的凌洪灾害造成的经济损失高达2.6亿美元[4]。黄河宁蒙河段冰凌灾害发生频繁，根据相关统计资料，在1951—2010年间就有30年发生凌汛灾害，给沿岸居民造成了巨大的损失[5]。黑龙江流域局部河段几乎年年形成卡封，每3年左右时间形成一次较大规模的冰坝[6]。这些冰情所诱发的高水位和流量的变化可能导致严重的灾害或威胁，相关学者们给予了广泛的研究和关注[7-9]。

桥梁作为跨江、河、海的人工建筑物，往往由于自然灾害、安全设计达不到要求以及后期防护不力等原因造成破坏。根据Imhof[10]在全球范围内收集的大量数据显示，在因自然灾害导致桥梁破坏的总体比例中约有60%是由洪水或冲刷原因造成的。Wardhana和Hadipriono[11]研究了1989年至2000年间美国的503次桥梁毁坏，其中与水流冲刷有关的事故高达243次。Kandasamy和Melville研究表明，在Bola龙卷风期间发生破坏的10座桥梁中有6座与桥墩冲刷有关[12]。2010年，湖南省高速公路管理局对320余座桥梁进行水下检查，检查结果表明：大多数桥墩存在不同程度的冲刷现象，威胁着桥梁结构和使用者的安全[13]。

寒冷地区桥梁的建设与冰塞演变过程紧密相关。1987年4月纽约州高速公路上的斯科哈里溪大桥倒塌，10人因事故丧生，5辆车坠入河中，事故的主要原因为桥墩基础被冰盖下水流冲刷导致破坏[14]。密西西比河上Melvin Price船闸闸坝基础的上游有一非常大的冲刷坑，在修复以后一年内就重新再现，研究人员通过模型试验发现，百年一遇的洪水冲刷并不会出现相应大的冲刷坑，但是冰盖下的小流量冲刷出现了相应最大的冲刷坑，从而影响了结构包括桥梁的安全[15]。2011年4月，松花江下游富锦至绥滨段松花江公路大桥在凌汛期遭遇河道封冻的影响，致多处便桥、施工平台受损（黑龙江日报2011年4月21日）。由冰塞引发的灾害和工程事故早已引起国内外相关学者的高度关注，但有关冰期桥墩局部冲刷的问题研究还很匮乏。随着经济和社会的发展，北方寒冷地区的桥梁建设也越来越多，冰期桥墩附近局部冲刷问题的研究已不容忽视。

2 明流条件下桥墩附近局部冲刷的研究

2.1 相关规范推荐公式《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）[16]根据有关桥墩局部冲刷的实测资料，并参考国内外的试验数据，推荐在工程设计中采用65-1修正式和65-2式计算桥墩局部冲刷深度。

65-1修正式：

式中：hb为桥墩局部冲刷深度，m；Kε为墩型系数；B1为桥墩计算宽度，m；V为一般冲刷后墩前行近流速，为河床泥沙起动流速，m/s，其中为河床泥沙平均粒径、hp为一般冲刷后的最大水深；为墩前泥沙始冲流速，m/s；Kη1为河床颗粒影响系数；为指数。

65-2式：

美国公路桥梁设计规范（AASHTO LRFD）[17]中所采用的是HEC-18中的CSU方程计算桥墩局部冲刷深度，即

式中：hb为桥墩局部冲刷深度；h为一般冲刷后桥墩上游水深；K1、K2、K3、K4分别为墩型修正系数、水流攻角修正系数、河床条件修正系数和泥沙尺寸分布系数；b为桥墩宽度；为桥墩上游水流流动的弗劳德数，其中V1为桥墩上游水流平均速度，g为重力加速度。祝志文[18]对中美规范推荐的桥墩局部冲刷深度计算公式进行了对比分析，研究认为，中国规范的冲刷计算公式在参数确定方面存在一定不足，在计算实际桥墩局部冲刷深度时，计算结果偏小，对于大型桥梁建设更需要重视模型试验以及现有资料的整合。Hong和Abid[19]认为现有的美国联邦公路管理局推荐的局部冲刷深度计算方程对冲刷深度的预测过于保守，主要原因在于对试验条件的理想化和公式推导的简化。

2.2 复杂条件下桥墩局部冲刷研究齐梅兰等[20]通过水槽试验观测了床面突降条件下的溯源冲刷和墩柱局部冲刷耦合发展规律及其主要影响因素，建立了溯源与局部耦合冲刷的实时计算方法，运用该方法可预测溯源与局部耦合冲刷时结构物总冲刷深度的发展。喻鹏和祝志文[21]利用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型对双圆柱桥墩周围的复杂流场进行分析，说明了双圆柱桥墩局部冲刷的发展过程和冲刷机理。

Link[22]研究了不同水流和泥沙条件对桥墩局部冲刷的影响，并对洪水期桥墩局部冲刷和泥沙淤积进行现场测量及模型计算，验证了超声波传感器用于桥墩局部冲刷监测的有效性。Yang[23]对复杂桥墩清水冲刷进行了试验研究，研究了三种不同的桩基和水流夹角对桥墩局部冲刷的影响，确定了复杂桥墩冲刷发展的四个阶段，分别为起动阶段、停滞阶段、发展阶段和平衡阶段。赵嘉恒等[24]通过试验研究结合理论分析的方法推导了弯道中斜交桥的局部冲刷计算结果。

明流条件下桥墩局部冲刷研究已经获得了许多有价值的研究成果，从单个桥墩局部最大冲刷深度计算公式的提出到桥墩局部冲刷计算公式的改进；从一般桥墩冲刷作用机理到考虑复杂组合桥墩效应等问题研究均取得了长足的进展，近年来因跨海桥梁建设的需要，许多学者加大了对波浪、潮汐等因素作用下的桥墩冲刷研究[25-28]。

3 冰期桥墩局部冲刷问题的研究

寒冷地区桥梁的建设，改变了冰塞演变的原有条件，桥墩处形成的冰桥、冰盖和冰塞也会对桥墩附近的局部冲刷产生影响，从而导致桥墩局部冲刷的结果不同于明流条件，表现为最大冲刷深度和冲刷范围的改变。

王军[29]基于水槽试验，对浮动冰盖下的散粒体泥沙起动流速进行了研究，研究发现，相同水流条件下，冰盖下的河床泥沙更易起动；试验中，通过加糙改变模拟冰盖下表面的光滑程度，加糙后的模拟冰盖称为粗糙冰盖，相对未经加糙的冰盖称为光滑冰盖，研究结果表明，粗糙冰盖条件下泥沙相对于光滑盖条件更容易起动，反映了冰期河床的冲刷问题是不同于明流条件的。作为冰期桥墩局部冲刷的研究基础，Wang和Sui等[30-34]对冰塞与桥墩相互水力作用特性进行了试验研究，研究得出了与无桥墩相比，在相同水力条件下，有桥墩时平衡冰塞厚度较小，平衡冰塞的水位增值也相应较小；基于理论分析得到了桥墩作用下临界流凌密度的计算公式和冰塞稳定判别公式。

3.1 单个桥墩冲刷试验研究Bacuta和Dargahi[35]基于清水冲刷试验条件，在试验水槽上研究对比了明流和冰盖条件下圆柱形桥墩的局部冲刷问题，研究发现，冰盖流条件下的桥墩局部冲刷深度比明流条件下有所增加，这或许是目前冰期桥墩局部冲刷问题研究可见的较早文献。

Ackermann和Shen[36]通过水槽试验研究了冰盖对圆柱形桥墩局部冲刷的影响，该研究中采用了清水冲刷和动床冲刷两种不同的冲刷模式，研究得出了冰盖的存在可使局部冲刷深度较明流条件增加25%～35%的结论。Hains和Zabilansky[37-38]在CRREL试验室对冰盖下桥墩局部冲刷进行了研究，冰盖条件分别为浮动冰盖和固定冰盖，也分为光滑和粗糙两种情况，并与明流条件的试验结果进行了对比，研究发现，由于冰盖的出现，使近床面处水流动能增加，冲坑深度较明流条件增大约10%；当冰盖糙率增大后，断面最大流速点偏向于河床表面，导致桥墩附近局部冲刷深度进一步加大。Munteanu[39]在明流和冰盖两种条件下，对圆柱形桥墩进行了清水冲刷试验研究，研究结果表明，模拟岸边冰盖的存在，使冲刷深度较明流条件增加很多，最大增加幅度可达到55%。Wu和Balachan⁃dar[40]对冰盖条件下圆柱形桥墩局部冲刷进行了研究，将冲刷半径作为一个指标，并在此基础上建立了明流和冰盖条件下计算桥墩冲刷深度和冲刷半径的经验方程。上述研究总体得到的认识是冰盖对桥墩局部冲刷的影响非常显著，但因为各种各样的条件限制，尚未考虑床面材料、墩型、墩径、墩间距等因素对冰盖条件下桥墩附近局部冲刷的影响，对明流和冰盖条件下冲刷发展过程的不同也即时间尺度的影响尚未深入研究。

Tuthill等[41]对Montana州Milltown大坝拆除对冰情的变化影响进行了研究，采用HEC-RAS软件模拟计算各工况下冰塞形成和溃决过程，模拟结果表明大坝移除后并不会加剧下游的冰塞危害，但在桥墩附近容易形成冰塞并伴随冰塞体的释放过程，大大增加了河床的剪切力，造成上游5个桥墩局部冲刷现象会更加明显。Ettema[42]认为水流、泥沙以及边界条件是影响冰期桥墩冲刷的主要方面，但目前大多数用于桥墩局部冲刷深度的计算公式尚未考虑封冻河道对桥墩局部冲刷的影响。以上这些结论都是基于简单的模型计算以及现场有限的观测资料所得到的，因此对问题的认识含有相应的不确定性。

Chen等[43]采用k-ε湍流模型对冰盖下桥墩处冰塞底部的局部冲刷过程进行了数值模拟研究，得出桥墩处冰塞底部的冲刷和床面冲刷坑呈对称分布，并通过水槽试验进行了验证，两者的结果较为吻合。目前针对冰盖下桥墩局部冲刷的数值模拟研究文献几乎未见；Chen的数值模拟结果还不能完整的描述冰塞演变及床面冲坑形成的动态变化过程。

3.2 边墩桥台及断面双桥墩冲刷试验研究Wu等[44]使用非均匀的天然沙，分析了半圆形桥台在粗糙和光滑冰盖条件下最大冲刷深度与水流速度之间的关系，试验研究表明，相对于明流条件，冰盖的存在加大了桥墩局部冲刷深度；低水深时冰盖对桥墩局部冲刷深度的影响更为显著；明流条件下，最大冲刷深度位于桥台上游面约为50°角度位置，冰盖条件下，最大冲刷深度位于桥台上游面约60°的位置，通过回归分析，认为半圆形桥台周围的最大冲刷深度可以通过以下变量来描述：

根据试验数据，得到了明流、光滑冰盖和粗糙冰盖条件下冲刷坑最大深度计算公式：

明流条件：

光滑冰盖条件：

粗糙冰盖条件：

式中：dmax为冲刷坑的最大深度，m；H为水深，m；U为行近流速，m/s；D50为不均匀泥沙的中值粒径；g为重力加速度。

后续工作中，Wu[45-47]通过水槽试验对冰盖条件下方形桥台和半圆形桥台局部冲刷问题进行了对比研究，假定明流条件下方形桥台和半圆形桥台的形状系数分别为1.0和0.75，引入密度弗劳德数，分析桥台几何形状和冰盖粗糙度对桥台最大冲刷深度的影响，研究得出：冰盖情况下半圆形桥台的形状系数约为0.66～0.71，形状系数对最大冲刷深度的影响小于明流条件；伴随冰盖粗糙度的增大，床面剪切力增大，最大冲刷深度也会增大。

Namaee[48-49]在试验水槽的过流断面上布置一对并排双桥墩，对冰盖下的桥墩局部冲刷进行了试验研究。试验研究中采用了中值粒径分别为0.50 mm、0.47 mm、0.58 mm的非均匀沙，桥墩直径分别为60 mm、90 mm、110 mm和170 mm，为了研究冰盖条件下桥墩附近的局部冲刷规律，采用声学多普勒测速仪（ADV）对并排桥墩的三维流速分布进行测量；研究发现，冰盖条件下的冲刷过程显得更为强烈，马蹄形旋涡的强度与并排桥墩跨距及桥墩尺寸大小有关；桥墩尺寸越小，桥墩间距越大，桥墩周围的马蹄旋涡强度越弱，冲刷深度越浅；通过回归分析，得到了明流和冰盖条件下的冲刷坑最大深度计算公式如下：

加盖条件下：

明流条件下：

式中：ymax为冲刷坑的最大深度，m；y0为行近流的水深，m；G为桥墩间距，m；D为桥墩直径，m；ni和nb分别为模拟冰盖和河床的粗糙系数；为弗劳德数，其中U为行近流速（m/s）；g为重力加速度。

Namaee[50-51]在试验研究中，对比明流条件讨论了冰盖条件下冲刷坑保护层对桥墩局部冲刷深度的影响，分析了桥墩附近泥沙的起动机理，试验观察到明流条件下冲刷坑的几何形状与冰盖条件下具有一定相似性，粗糙冰盖条件下冲刷坑的体积和范围要明显大于光滑冰盖。

冰期桥墩局部冲刷问题的研究可以认为尚在起步阶段，上述近年来有关冰盖条件下桥墩局部冲刷问题的研究，已经涉及了通过有限的改变桥墩位置、水流条件、冰盖糙率以及床面粒径等对相关问题进行了探索，并通过量纲分析的方法，得到了试验条件范围内用于冰盖下桥墩局部冲刷深度的计算公式；但受试验条件的限制，研究主要是针对圆柱形桥墩、长方形、半圆形边墩桥台和跨中并排圆柱形桥墩开展的；试验中也尚未充分考虑不同桥墩墩型、墩径、多墩组合等因素对冰盖条件下桥墩局部冲刷的影响；更未考虑到桥墩附近冰塞演变和冰塞体厚度对局部冲刷的影响。

4 问题与讨论

寒冷地区冬季河流所出现的冰盖或冰塞，使得本来就复杂的桥墩局部冲刷问题变得更加复杂。如前所述，明流条件下的桥墩局部冲刷问题已经有了相对充分的研究，但冰期桥墩局部冲刷问题研究尚在起步，已有的实际工程和研究都已经发现，冰期较小流量导致的冲刷坑深度和范围可以比明流时洪水期的冲刷坑深度和范围更大。因此，冰期桥墩局部冲刷问题的研究已非常迫切，限于问题的复杂性，目前尚有很多方面需要研究。

（1）冰期桥墩局部冲刷涉及桥墩结构、冰盖特征和水流流态三个方面的相互影响，河床泥沙起动和冲刷机理包括桥墩周围水流涡系结构具有相当的复杂性，因此，冰盖条件下桥墩周围三维流场及其变化的机理研究、冰盖粗糙度与泥沙运动之间的关系、桥墩冲刷坑深度和范围的预测等，这些方面均有待于进一步探索。

（2）冰盖条件下，有关各种水流条件、床面材料、桥墩墩型、墩径、墩间距、多墩组合等因素对冰期桥墩局部冲刷影响的研究尚待充实；包括明流和冰盖条件下冲刷发展过程的区别尚待深入研究。

（3）冰盖条件下桥墩附近河床局部冲刷问题的数值模拟研究文献几乎未见；Chen的数值模拟研究的是桥墩附近的冰塞局部冲刷，如何完整的描述桥墩附近冰塞演变及床面冲坑形成的动态变化过程尚有待探索。

（4）迄今为止的研究都是在单一冰盖厚度条件下的研究，图1为作者近期的研究成果，在明流、冰盖、冰塞三种条件下，使用直径为2 cm的圆柱型桥墩在试验水槽中进行了桥墩局部冲刷试验，由图可见，在相同的水深、流速情况下，冰塞条件下的桥墩局部冲刷深度明显大于加盖和明流条件下的相应深度且要大很多，冲刷深度增加了约200%左右，试验说明了在冰塞条件下，由于冰塞运动和冰塞厚度对过水断面的进一步压缩作用，冰塞条件下的桥墩局部冲刷深度比冰盖条件要大的多。

图1 最大冲刷坑深度随流速变化趋势图

冬季，寒冷地区河流会经历封冻初期和开河期两个容易成灾的冰塞或冰坝阶段，水流条件、冰塞和河床冲刷演变此时变化最为剧烈，如何结合明流条件下桥墩局部冲刷研究成果和方法、耦合冰塞演变、水流运动和其他相关冲刷影响因素，研究冰期桥墩局部冲刷问题、探索桥墩附近冰塞演变与河床局部冲刷相互作用及其机理应该是充满挑战和极其有意义的。