水中建筑结构物基础冲刷防护研究综述

闫正余, 田 华, 康 文, 周 超, 刁闻宙, 张 鹏, 寇海磊*

(1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2. 青岛海大建设工程检测鉴定中心，山东 青岛 266100；3.青岛市市北区滨海新区管理委员会，山东 青岛 266011)

引 言

随着工程建设的快速发展，河流、海洋等复杂环境已逐渐成为又一个重要建设领域。近年来，河流及近海等一些水域环境下的工程建设迅速发展。港珠澳大桥的建设，近海海域海洋平台的建设等标志着我们在水域环境下的工程建设日趋成熟，但是水域环境比起陆地环境更加复杂，影响工程建设的因素也更加多元。海洋平台基础会改变其周围波流条件，造成海床泥沙高度变化，对平台安全稳定性产生影响[1]。对于水域环境中的建筑物，不仅要考虑建造过程中的经济适用性，其安全稳定性更是重中之重，因此对建筑物基础底部的冲刷等相关问题的研究对其安全稳定性尤为重要[2]。

国内外由于冲刷而导致桥梁坍塌造成经济损失、人员伤亡的事故不在少数。黑龙江铁力西是一座等截面悬链线双曲拱桥大桥，始建于1973年，建成后一直正常运行服役，但在2009桥体发生坍塌，对事故现场调查发现桥墩基础在长期水流冲刷作用下其周围有较大冲刷坑存在，分析发现是局部冲刷坑的存在降低了桥体的整体稳定性，使其在洪水作用下坍塌。美国田纳西州卡温顿附近的哈奇河大桥于1989年洪水期间倒塌，同样造成人员伤亡，事故调查原因显示该桥梁桩基在长期水流冲刷作用下桩径已有较大的缩减，桩基承载能力减弱，最终于洪水期间坍塌[3]。由冲刷引起的基础桩基破坏，见图1。

图1 实际工程桩基冲刷

1 结构物基础的冲刷

1.1 冲刷引起的原因

冲刷是过流水流流过引起河床、海岸泥沙悬起运移的现象。冲刷按其类型通常分为三类：一般冲刷、局部冲刷和收缩冲刷。一般冲刷是指水流流经河道时，河床上部泥沙在水流的冲刷下悬浮运移到下游，导致河床深度变化的冲刷形式；局部冲刷是指水中结构物的存在改变了结构物周围的水流流场，使得结构物基础周围泥沙急剧运移变化且会形成冲刷坑的冲刷形式。局部冲刷相比一般冲刷和收缩冲刷，其冲刷深度大将近一个数量级[4]。在分析冲刷问题时，局部冲刷是众专家学者们研究的重点。

局部冲刷多发生于结构基础底部与河(海)床泥沙交界处。水域环境结构物建成后，其水下部分会对经过流场造成干扰，水流状态及水流流速等皆会发生改变，其较为显著的变化是会在结构物基础周围产生回旋涡流、下降水流、马蹄形水流等一些流速湍急的过流水流，这些急速水流使桩周水流的携沙能力强于上游水流携带泥沙而下的能力，桩周泥沙起动运移到一定程度达到冲於平衡，最终形成冲刷坑。冲刷坑减少了结构物与河(海)床泥沙之间的有效接触面积，会对结构物的整体稳定性产生较大影响[5]。桥梁桩基、海洋平台基础冲刷示意图见图2。

图2 基础冲刷示意图

1.2 冲刷深度理论计算

影响水域环境结构物局部冲刷的因素众多，比如结构物水下部分与流体之间、流体与河(海)床泥沙之间耦合作用等，给局部冲刷问题的研究带来了诸多困难，其中局部冲刷深度一直是众多专家学者的研究方向。前人的研究发现使人们对局部冲刷、对局部冲刷深度等有了更为全面的了解，为更深入的研究冲刷问题奠定了基础。

周玉利和王亚玲[6]通过使用数学上的回归方法对单向水流作用下的局部冲刷平衡深度进行了有效预测；Sumer和Whitehouse[7]经过试验推导出非线性规则波作用下圆形截面结构物的最大冲刷深度计算公式；谢世楞[8]推导出波浪作用下细沙海床上的直立堤前最大冲深公式；高学平和赵子丹[9]推导出粗砂海床上的直立堤前冲深公式；黄建维和郭颖[10]对波浪作用下海上墩式结构物基底附近局部冲刷的最大冲深公式进行了预测；李林普和张日向[11]经过试验推导了波流作用下大直径圆形截面结构物基底最大冲刷深度预测公式；于通顺和练继建[12]通过试验研究给出了实际工程复合筒型基础的最大冲刷深度。

有关预测最大局部冲刷深度的计算公式已经应用于实际工程中，公式综合考虑影响波浪流冲刷、结构物基础形式等诸多因素，如波高H、波长L(或周期T)、海流流速vc；与流体有关的参数有水深h、重力加速度g、流体密度ρw、流体运动粘度系数μ；与结构物基础特征有关的参数如圆柱体直径D；与河(海)床土质有关的参数如泥沙颗粒直径do、泥沙均匀度σ及泥沙颗粒密度ρs；与冲刷特性有关的参数如冲刷深度S、时间t等，结合大量室内物理模型试验数据，采用线性拟合的方法得出预测最大冲刷深度的公式：

Sm/h=0.14(sinh(2πh/L))-1.35+44.35vc2/gh+0.1eD/L+α

(1)

式中，α为修正系数，当D/L<0.50时，α=-0.102；当D/L≥0.50时，α=0。该预测公式的计算结果与物理模型试验所测数据基本吻合，误差在30%以内。

冲刷深度理论计算公式的提出，给设计人员提供了理论基础，设计人员综合考虑影响冲刷深度的各种因素在基础设计阶段对结构物基础采取偏于保守的设计方法，进一步提高结构的整体安全稳定性。

2 结构物基础的防护

从结构物冲刷机理上可将水流与结构物的冲刷作用分为三个部分：前进水流旋涡、下降水流淘底、尾流旋涡冲坑，三个部分综合作用是结构物基础冲刷坑形成的主要原因。国内外众多专家学者对结构物基础冲刷防护措施做了大量研究。现有冲刷防护措施多是从消除或抑制冲刷机理进行设计。

Brice和Blodgett[13]等将局部冲刷视为既可与结构物自身设计结合又可在结构物基础周围独立布设、用于抑制或减弱结构物基底周围床面冲刷的一类工程措施；Chiew[14]则按冲刷机理把结构物冲刷防护进行分类：一为主动防护，是从行进波流入手，主要减小水流的冲蚀作用，以提高防护能力；一为被动防护，是从被冲刷对象入手，比如改变河(海)床泥沙的耐冲性，改变结构物水下基础形式等，以提高防护能力；梁发云[1]提出根据防护措施在实际工程中的放置位置可以分为结构物基础前、结构物基础周围、结构物基础后三种防护措施。

本文针对现有冲刷防护措施从结构基础实体抗冲与减速不冲角度对冲刷措施进行分类，并对各种防护措施的优缺点进行简单介绍，旨在为工程实际问题提供理论基础。

2.1 实体抗冲防护措施

2.1.1 抛石防护

抛石防护是现在较为常用的一种工程防护措施，根据其防护特性可将其视为一种实体抗冲防护，是将特定大小的石块体抛放至结构物基地周围，一来可以保护结构物基地周围泥沙使其避免直接被水流冲蚀，从而减弱泥沙悬起运移的趋势；一来抛石具有随机性，落在结构物基地周围对行进水流流场造成二次干扰，对回旋涡流、下降水流的形成产生影响，降低其冲刷力。但抛石防护亦受多种因素的制约，如抛石块体的粒径，抛石位置的高度，结构物基地抛石层的厚度、范围等，这就要求施工人员针对不同的水文地质条件，要合理选择影响因素的参数，以达到最有效的防护效果。

抛石防护因其对材料要求低且较容易获得，抛石过程技术含量低易于操作，无视地形、结构物基础形式变化等诸多优点被广泛采用为较为基础的防护方式，但抛石防护的劣势也应引起施工人员的注意，如抛石防护的随机性导致了抛石块体的整体性差，抛投完成后块体是否被水流冲刷带走的可查性难度较大，二次抛投的成本投入太高等，综合来看抛石防护在某些情况下不失为一种便捷的防护措施，防护示意图见图3。

图3 抛石防护示意图

2.1.2 扩大桥墩基础防护

扩大桥墩基础这种防护方法是在结构物即桥墩施工过程中预先采取措施以加强防护效果，按其效果亦可将其视为实体抗冲防护，其主要特点是在建造过程中对桥墩与河(海)床接触面进行基础扩大，给予桥墩一定的保护，防护示意见图4。

图4 扩大桥墩基础防护示意图

近来的试验及理论研究表明，扩大基础高出河(海)床面的高度、延河(海)床面的伸长范围等对其防护效果有较大影响。扩大的基础部分承受了大部分行进水流产生的下降水流的淘刷作用，对其周围床面泥沙有一定的保护，但是位于床面以上的扩大基础也会产生较强的回旋涡流，又会加大其冲蚀效果。因此部分专家学者对此种防护措施持保守看法，认为河(海)床泥沙运移导致的床面高度变化对其防护效果影响较大。如果能对床面高度变化规律有较准确地预测，保证其降低的下降水流淘刷作用强于行进水流的冲蚀作用，扩大基础防护方法也不失为一种有效的防护措施。

2.1.3 混凝土膜袋防护法

混凝土膜袋防护是在结构物基底周围放置装填有混凝土的高性能膜袋，使膜袋将床面泥沙层覆盖，所有水流力皆作用在膜袋上，有效的保护了结构物基底床面泥沙，使其不受水流的冲砂，以保证结构物的稳定性，按其防护机理亦将其视为实体抗冲防护。

高性能的膜袋使混凝土在膜袋中受压成型而不至于膜袋损坏，将单个混凝土膜袋连接成整体，使其具有良好的整体性，并且膜袋内混凝土成型前会随床面地形变化，能够使膜袋紧贴床面，提高防护性能。此外，此方法方便水下施工，选择合适的混凝土可以降低工时，但是对于水流条件要求高，过大的水流会给混凝土填充过程带来困难，另外在混凝土膜袋层的边缘位置水流的冲刷作用仍然存在，长期作用下会使膜袋悬空，加速冲刷过程发展，防护示意图见图5。

图5 混凝土膜袋防护示意图

2.1.4 四脚混凝土块防护

四脚混凝土块防护与抛石防护较为类似，只是在抛石块体的选择上有所不同。与传统抛石方法相比，四角混凝土块是在抛投前按照要求制造，并且对于抛石位置也有精确的要求，其稳定性较之于传统抛石有了较大提高，由于其防护机理与抛石方法类似，也是降低下降水流淘刷，减弱行进水流冲蚀，可将其视为抛石防护方法的一种替代。现阶段的试验及理论研究方面，四角混凝土块体防护还处于可行性分析阶段，因为其造价成本与防护效果的提高并不成正比，但作为抛石防护的替代方法，有待于继续研究以提高其综合防护效果。

2.2 减速不冲防护

2.2.1 护圈防护

护圈防护是指在结构物水下某处位置放置刚性护圈以改变水流的冲刷形式，从机理上可将其视为减速不冲防护方法，其典型特点是二次改变流经结构物周围的流体流场形态。护圈将流经结构物附近的流体分为水面以下、护圈以上区域及护圈以下河(海)床面以上区域，随着护圈的形式及布设高度的不同，不同水流区域的流速会有很大变化。当护圈布设在河(海)床以上位置时，流经护圈上部的过流水流在护圈的阻挡作用下，其下降冲刷力大大减小，下部过流水流的在护圈影响下其绕流及马蹄形漩涡作用减弱，有效降低了冲刷作用：当将护圈布设在河(海)床以下某位置时，水流冲刷会带走护圈上部泥沙，使护圈裸露承受主要冲刷作用力，以此种方式来降低冲刷作用，研究表明，将护圈布设在河(海)床以下0.015倍水深位置时，对冲刷的影响最为显著，可降低50%～70%的冲刷深度。

护圈防护方法对结构物基底附近河(海)床面泥沙有着显著的保护作用，但是一旦河(海)床面泥沙运移剧烈变化导致护圈布设位置与床面高度较之初始位置有巨大变化时，护圈防护方法效果将大打折扣，因护圈与床面高度变化会改变下降水流淘刷作用加强，会加速冲刷坑的发展，防护示意图见图6。

图6 护圈防护示意图

2.2.2 桥墩开缝防护

桥墩开缝是在不影响整体承载力的情况下对桥墩水下某位置做开缝处理，因其对水流流速、冲刷方式的影响可将其视为减速不冲防护方法。行进水流流至桥墩开缝处会从开缝处直接流过，大大减小了水流的下降水流淘刷力，并且由于开缝存在，绕桥墩的回旋涡流也有部分减弱，给桥墩基底附近泥沙提供了强有力的保护，防护示意图见图7。

图7 桥墩开缝防护示意图

众多研究学者认为，影响桥墩开缝防护效果的因素主要有开缝的位置，开缝的长度、宽度以及开缝与行进水流的夹角。当开缝的宽度为四分之一倍墩径，长度为贯通水面到桥墩基底与床面位置时，防护效果显著。开缝防护也面临一些问题，一是当河道水流中含有杂物时开缝极易被杂物堵塞，降低防护效果，一是开缝与行进水流夹角一旦因水流方向改变而产生较大变化时，将导致开缝失去作用，墩体将直接承受水流冲刷力。

2.2.3 墩前排桩防护

墩前排桩防护是在桥墩迎水流方向一定距离处设置相当数量的桩群，桩群的布设形式及数量据水流及河(海)床面泥沙等决定。行进水流流至桩群处时水流会有一定程度分离，其涡流强度减弱，流速降低，给后面墩体提供有力防护，防护示意图见图8。

图8 墩前排桩防护示意图

众多研究表明，墩前排桩防护效果主要取决于桩群距桥墩的距离、桩群布设形式、桩群数量等。桩群对行进水流流速、涡流强度等都有显著降低，并会在桩群后产生尾流区域，若桥墩位置处于尾流区，其所受冲刷将大为降低，若桥墩距离桩群较远位置超出尾流区，水流的减弱作用在桥墩前将消散，桩群作用失效。桩群布设形式对水流的分流减弱作用显著，较为常用的是将其布设为三角形，水流迎其中一角行进，其分流作用使水流主要沿三角形两边行进，其后尾流区的冲蚀作用降低。但是墩前排桩受到床面泥沙运移及河道内水流流向的影响较大。

2.2.4 淹没槛防护

淹没槛防护是在桥墩迎水面前一定距离处埋置防沙槛，直接阻挡行进水流冲蚀力并对水流产生一定分流以保护防沙槛后床面泥沙，按冲刷机理看，淹没槛防护也是一种减速不冲防护措施，防护示意图见图9。

图9 淹没槛防护示意图

有关研究表明淹没槛防护有效降低河床面水流的冲蚀力，但对墩前下降水流的淘刷作用影响甚小，且防沙槛的位置、大小与水流方向的夹角等都对其防护产生影响，一旦水流方向改变或防沙槛被运移泥沙掩埋都将失去其防护效果，但是淹没槛防护易于施工，成本较低，在河道水流不甚剧烈情况下可以采取此种防护措施。

2.3 固化剂加固防护

固化剂加固桩基周围土体是一种新型的防护方法，是在桩基周围土体中适当加入固化剂，固化剂与土体发生反应，使桩基周围土体更为密实，增大土体与桩体的摩阻力进而实现防护。此方法的优点是可以将基础周围土体或者其他废弃淤泥视为原材料，减少成本；但是固化剂种类的选取、固化剂在水中反应的程度等问题仍需要进一步的研究。

3 结论与展望

冲刷是水域环境建筑物基础常见的问题，针对具体的水文地质条件众多专家学者提出了局部冲刷理论及预测最大冲刷深度的计算公式，对实际工程具有理论指导意义；传统的防护方法对于桥梁桩基、近海及海岸工程结构物基础的防护以较为成熟，已运用于实际的防护工程中，防护效果满足人们的预期。对于已有的传统防护方法的对比研究发现，冲刷的实质实则是结构物周围流场的变化导致其周围泥沙悬起运移，影响了结构物整体的安全稳定性，虽然以上对比皆为圆形截面结构，但是不难看出其他截面形式的结构物冲刷机理与之相似，对以上提及的防护方法同样适用。

当前人们已不满足于近海及浅海的开发，逐步向深远海域发展，传统的防护措施不能满足深远海域复杂的水域地质环境。针对深远海域结构物基础冲刷问题，新型防护方法的研究开发刻不容缓。