桥墩局部冲刷防护措施研究进展综述

熊林凡，魏松 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

桥墩的局部冲刷是桥墩水毁的重要原因之一，基于对桥墩局部冲刷机理的丰富研究成果，前人研究和开发出多种形式的冲刷防护措施，以减小桥墩基础周围局部冲刷深度，并在实验室条件下和现实应用中取得良好的防冲效果。

根据防护原理，桥墩冲刷防护措施可分为实体抗冲防护和减速不冲防护。实体抗冲防护通过添加河床或桥墩保护层，提高河床材料和桥墩自身的抗冲刷性能。减速不冲防护通过主动改变或削弱墩周水流结构，减小水流冲刷的原动力，即削弱或破坏桥墩墩前下潜水流，马蹄形漩涡和墩后尾流漩涡，从而达到保护桥墩的目的。本文将按这两种类型进行论述。

2 实体抗冲防护

①抛石防护。抛石防护是实际工程中最常用的桥墩基础防护形式之一。其主要优点是材料加工容易，施工工艺简单，操作灵活。桥墩周围的抛石可以增加启动泥沙所需的剪切力，同时，石块的粗糙表面会在一定程度上增加了河床的糙率，使得河床附近的流速降低。Richardson等建议抛石防护范围至少应为2倍的桥墩宽度，提出的一种抛石粒径确定公式为美国高速公路管理局所采纳。Khademghaeiny等进行室内试验，对比了不同形状抛石的防冲效率，发现当抛石尺寸接近稳定尺寸时，圆形和棱角形石头的防护效率相同。但当抛石尺寸减小，圆形抛石的冲刷深度比棱角形高17%。抛石容易在大流速情况下发生位置移动，从而失去对桥墩的防护作用，所以运行中的维护工作较多，费用较高。当石料缺乏或石材尺寸不满足施工要求时，存在一些替代抛石的防护方法，如混凝土单元体防护。混凝土单元体是形式多样的预制混凝土块，人为制造，大小和形状统一，机理与抛石防护相同，但是其效果和稳定性均比抛石更加优良。只是造价较高，施工较抛石稍显复杂。

②石笼防护。将石头装于容器中，作为一个整体而起到防护作用。Yoon在清水条件下对钢丝石笼的破坏机理和防冲效果影响参数进行了试验研究。发现水深，石笼的覆盖范围，长厚比和放置深度都影响着钢丝石笼的防护效果。Craswell等对包含不同填充物（石头，衣物和塑料）石笼的防护效果进行对比试验，结果表明，填石石笼的防冲效果最佳，但衣物填充石笼同样具有良好的防护效果。利用回收衣物作为填充材料，可以带来较好的经济和环境效益，具有较高的应用价值。相比于抛石防护，石笼防护不易冲散，更加稳定，使用时间更持久，但是仍存在随着时间推移或河床发生演变而导致石笼断裂失去效果的问题。

③四面体透水框架群防护。利用四面体框架群来削弱水流的能量，从而达到减少冲击的效果，同时改变来流的结构，减少漩涡，稳定河床，以达到保护的目的。该方法兼具实体抗冲和减速不冲防护效果，并且不受行进水流切入角和泥沙流动性的影响，具有良好的发展前景。唐洪武等在清水冲刷条件下进行了四面体透水框防护桥墩冲刷试验研究，并测量了墩周流场和湍流强度。结果表明，四面体透水框架群防护使河床附近流速、湍流强度和涡度值显著降低，并且避免了墩前下降水流直接冲击河床。随着抛投密度的增加到某一数值，冲刷深度线性减小趋向稳定，最终使冲刷深度减小近50%。

3 减速不冲防护

①墩前牺牲桩。在桥墩上游规则布置多个小直径桩，通过桩群自身的减速削能作用促使来水的流速减小，动力减低，冲刷方向被干扰。水流经过牺牲桩时会在桩后形成尾流，尾流也会影响桥墩周围的水流结构，遏制水流对桥墩的局部冲刷作用。Melville等对桥墩前牺牲桩的保护效果进行了模型试验。研究表明，影响墩前群桩防护效果的因素包括桩数、单桩直径、单桩超出水面的长度、群桩布置距离以及墩前群桩的几何布置形式。当布置成顶角为30°的等腰三角形时，墩前桩的防护效果显著。Park等进一步研究了牺牲桩处堆积物的影响，发现堆积物的增加会降低牺牲桩的防冲效果。Wang等采用试验研究和数值模拟相结合的方法，研究了牺牲桩对群墩局部冲刷的影响，试验结果表明，无论是单桩还是群桩，牺牲桩都能有效地减小局部冲刷，而群桩的防护效果优于单桩。牺牲桩还能减小群墩之间的屏蔽效应和射流效应以及群墩的冲刷平衡时间。墩前牺牲桩具有良好的防冲效果，但是当水流方向与群桩顶角方向发生偏移时，牺牲桩防护作用将受到严重削弱，甚至消失。因此，墩前牺牲桩的实际运用受到很大的限制。

②护圈防护。在桥墩一定高度布置各种形式的护圈，包括圆环形，环翼式，四方形等，护圈的存在导致墩前下潜水流的运动受到阻挡，削弱下潜水流对河床的冲击作用，进一步影响马蹄形漩涡的形成和削弱涡系能量，从而减小水流对桥墩的局部冲刷，起到保护桥墩的作用。Zarrati等测试了矩形桥墩上的护圈减少冲刷的效率，实验包括桥墩与水流偏角为 0°，5°和 10°的来流情况。研究发现，护圈靠近河床的防护效果较好，而护圈性能随着桥墩偏度的增加而降低。Moncada等进行了同心和偏心护圈的对比研究，发现偏心护圈的防护效果略强于同心护圈，当在墩底放置2倍墩径的偏心护圈配合距河床高度9cm的同心护圈，防冲效率高达93.75%。Pandey等通过试验研究了护圈对桥墩局部冲刷效率的影响，发现护圈减小了冲刷深度随时间变化的幅度和平衡冲刷深度，并得出结论，当护圈直径与墩径之比等于2.3，且护圈处于河床面时，防冲效率最高。但是在动床条件下，护圈下方的桥墩会暴露，从而削弱护圈的防护效果。

③桥墩开缝防护。在桥墩局部开缝可使原本受桥墩阻挡向下运动的部分行进水流直接从缝中快速通过，直接减少下潜水流的强度。并且由于桥墩的下潜水流与水平射流垂直，水平射流使下潜水流偏离河床，减少了水流的冲刷潜力，弱化了之后形成的漩涡，并使原本正面直接冲击桥墩的强劲水流分为两股较弱的水流，起到了防护桥墩的作用。Chiew研究了清水冲刷条件下开缝对桥墩冲刷的影响，通过在水面或河床附近布置一个宽度为1/4墩径的开孔，就有可能使清水冲刷削弱20%。在水面附近布置半墩径宽的开孔，可以减少清水冲刷深度达30%之多。Kumer等改变开缝的长度和开缝与来流的角度，通过室内水槽试验研究开缝桥墩的局部冲刷规律，结果表明，随着开缝长度的增大，冲刷深度会逐渐降低。并发现当开缝与来流的夹角为45°时，开缝所起到的防护效果几乎消失。Hajikandi和Golnabi研究桥墩上不同开孔形状（直孔，Y形孔和T形孔）对局部冲刷的影响效果，发现三种开孔结构均能减小冲刷深度，而直孔的防冲效率最高，达38%。开孔对河床的嵌入深度也会减小所有类型开孔桥墩的冲刷深度。虽然在桥墩开槽可以减少局部冲刷，但也会降低桥墩的结构强度，影响桥墩传递桥梁荷载到桥基，可能会导致桥梁倒塌。为防止这种情况，桥梁可能需要更加牢固的基础来弥补强度的损失，却增加了施工成本。河流中的杂物也会堵塞开孔，导致开孔防护效果降低甚至消失。因此，桥墩开缝防护在实际运用中可能受到较大的限制。

④护壳防护。局部冲刷防护很少考虑到被淹没建筑物的表面特征，当建筑结构被制成某种形式时，通常对其表面进行光滑处理，并在其他情况下保持建筑材料的天然粗糙性不变。护壳防护是指在桥墩迎水面人为设置定向褶皱，定向褶皱的存在导致墩前水流产生一系列倾斜的漩涡，这些漩涡在到达墩周底部之前又被后续的水流冲走，从而导致下潜水流动量的衰减，削弱了其对河床的冲刷。除人工褶皱之外，在外表面其余部分设置无方向粗糙面，使护套具有“高尔夫球”的效果，即将层流边界层转化为湍流，将流动分离线移至光滑墩对应位置下游，致使尾流漩涡的强度降低。

⑤石板防护。在桥墩附近一定距离布置一块石板，石板可以削弱来流能量，改变墩周水流结构或影响水流结构形成，从而达到防护的目的。Grimaldi等通过试验验证将石板改放置于桥墩下游也具有防护效果，结果表明，在桥墩下游设置石板，桥墩与石板的距离越小，该措施的有效性就越大，在最佳配置下，墩前冲刷深度减小约26%，冲刷面积和体积减少量大于80%。Aysar等通过室内试验测试了下游石板与桥墩的距离L/D分别为0到4时的冲刷深度，结果发现L/D为0～1时，冲刷深度减小明显，最高达30%。当L/D超过4时，冲刷深度基本无变化。Shivakumar等在圆形桥墩上游垂直对称面加装分流板进行冲刷实验，并用ADV测出墩周流场，得出当分流板厚度为1/5D，长度为2D时（D为墩径），防冲效果最佳，最大冲深可减小42.4%。附在桥墩上的分流板可使水流偏转，从而削弱降流和马蹄涡的强度。0石板防护在清水和动床冲刷条件下均取得了较好的防护效果。但是，水流方向与石板设定好的角度发生偏移时，石板的防护效果将受到削弱。

4 结语

本文系统论述了实体抗冲和减速不冲两大类防护措施的防护效果及其优缺点。实体抗冲防护施工简单，造价较低，但是只能被动提高河床的抗冲能力，需要经常进行维护。减速不冲防护从引起局部冲刷的机理出发，通过削弱或改变水流结构，减小冲刷作用，但存在一些适用条件的限制。将两种或多种防护措施相结合，通过合理的搭配，消弭缺陷，使防冲效果最优化，具有良好的发展潜力和重要的现实意义。