桥梁墩柱磨蚀机理与评价方法研究

李亚彬

摘要：基于混凝土材料在含沙水流下的磨蚀机理，分析了桥梁墩柱在含沙水流环境中工作时可能遭遇的磨蚀形式。总结了水力条件、泥沙特性、混凝土性能对墩柱磨蚀的影响，并解释了其中各自因素对墩柱磨蚀的具体贡献，指出了桥梁墩柱磨蚀的防治措施。基于国内外关于混凝土磨蚀的实验与评定方法，分析了国内外规范规定的方法在评定桥梁墩柱磨蚀性能的可行性与局限性，描述了桥梁墩柱抗磨蚀评定进一步研究的可能性。本研究对于桥梁墩柱含沙水流作用下磨蚀的研究，具有一定的参考与借鉴意义。

关键词：桥梁工程;墩柱;磨蚀;评定方法

中图分类号：U445.73            文献标志码：A

0引言

我国幅员辽阔，地理环境多样性丰富，气候与水文条件复杂多变。据统计，我国河流流域面积广阔，流量占世界总量的1/4，受河流发源地及沿途地理条件的影响，河流在运动过程中会携带大量泥沙。相关统计数据表明[1]，我国境内年最高含沙量超高1000万t 的河流超过60条，年平均含沙量达到1000万t的约有40条。其中以流经黄土高原的黄河输沙量最大，达到37.5 kg/m3。随着国家科学技术和交通运输业的发展，对于基础建设的需求越发庞大，在河流、海洋中修建的桥梁等水工建筑物的数量与体量也日渐增加。桥址所属区域的含沙水流会对桥梁墩柱产生冲刷和磨蚀作用，长此以往会导致墩柱有效承载面积减小，甚至引起钢筋锈蚀，严重损害桥梁结构的耐久性与使用寿命。

有研究表明[2-3]，桥梁服役前30年发生破坏，超过一半都是桥梁墩柱受磨损引起的。研究桥梁墩柱磨蚀机理并采取有效的防护措施，不仅能减少管养维护成本，还能有效提高桥梁耐久性与使用寿命。因此，国内外学者基于磨蚀发生的环境与条件、材料本身特性等方面开展了一系列相关研究[4]。尹延国[4-8]等人的研究表明，混凝土的冲蚀磨损量随射流速度和冲蚀角度的增大而增大，且混凝土的组分和性能对其抗磨蚀性能影响较大。何真等人对海工混凝土抗磨蚀性能的研究表明，其他环境因素与混凝土冲蚀的耦合作用会加速海工混凝土的磨损，且海工混凝土的抗磨蚀性能与材料自身磨蚀时的冲磨速率成反比，海工混凝土中掺入一定掺量的聚丙烯纤维对其抗磨损性能有明显改善效果。X.G Hu a[9-10]等人研究了冲蚀角度与泥沙特性对不同混凝土磨蚀性能的影响，结果表明钢纤维混凝土与普通混凝土的冲蚀率均随水流中含沙量的增加近似呈线性關系增加，混凝土材料的低攻角磨蚀作用主要是切削作用，而高攻角磨蚀以表面裂纹和脆性断裂为主。

国内外专家学者的研究，均表明以混凝土为主要材料的桥梁墩柱受含沙水流的磨蚀作用较为严重，且水流特性、磨蚀条件、混凝土材料等因素对墩柱的冲蚀磨损均有不同程度的影响。因此，本论述基于以往的研究，总结了混凝土墩柱在含沙水流中的冲蚀磨损机理及其影响因素，并总结了对应的防治措施和评价方法，以期描述混凝土墩柱的抗磨蚀性能，为提高混凝土墩柱耐久性和使用寿命提供借鉴。

1桥梁墩柱磨蚀机理及影响因素

1.1墩柱磨蚀机理

一般而言，混凝土材料的磨蚀是磨损与空蚀联合作用的结果。从广义上来说，只要两个物体以这样或那样的形式相互接触，且物体因这种接触而导致了自身材料的损失，都可以称为磨损。而空蚀则是混凝土材料位于高速水流中时普遍存在的一种损伤现象，材料在宏观上反映为表面一定规模的蜂窝现象或者针孔状的脱落，目前国内外常用空炮溃灭压力冲击理论、冲击波理论、微射流冲击理论等描述材料的空蚀现象[11]。因此，桥梁墩柱在含沙水流环境下工作时，有可能遭受磨损与空蚀的联合作用。工作环境不同，两种破坏作用的贡献及破坏形式会有所差异[12]。

磨损破坏通常具有几个明显的特征[13-14]。首先，空蚀破坏范围从几厘米到几米不等，破坏通常表现为结构表面深浅不一的剥蚀坑，但其他部位保存相对较好;其次，磨损破坏一般表现出较强的连续性，且发生面积一般比较大，破坏表现会随着磨损介质的不同而有所区别;再次，两种破坏发生后参与的混凝土通常不会立刻丧失承载能力，比较坚硬，且磨损破坏在特定条件下有可能会诱发空蚀破坏;此外，当结构经历冻融循环与空蚀和磨损破坏时，其破坏程度往往会比较严重;最后，磨损与空蚀破坏一旦发展到一定程度，都有可能诱发结构表面严重的水力冲刷破坏。

1.2墩柱磨蚀影响因素

1.2.1水力条件

现有研究认为，水流速度是影响混凝土墩柱磨蚀量的关键性因素之一[15]。究其原因，墩柱的磨损程度在大多数情况下取决于水流内部沙、石的动能，而沙石动能的直接能量来源便是水流流动过程中产生的动能。水中任意时刻沙、石的含量及运动形态都不相同，直接导致了含沙水流对墩柱磨蚀的随机性和磨蚀损伤形态的多样性。而在水流流动过程中，水流的启动速度则是水流和沙、石运动并对墩柱产生磨蚀的前提， Egiazaroff等人提出了均匀沙启动运移公式[15]，如式（1）所示。

根据式（1）只要知道水中沙、石的材料特征值，便可以计算得出颗粒的启动速度与其自身颗粒粒径之间的定量和定性关系。

此外，水流流态和水流掺气也是影响墩柱磨蚀性能的水利条件[23-26]。在桥梁墩柱磨蚀过程中，水流流态对磨蚀形貌的局部变化影响较大，究其原因，较为恶劣的水流流态往往会导致水中产生一定量的漩涡，这些漩涡与水流的主流相互叠加会使水流流体的局部位置出现明显的流速增大，进而加速桥梁墩柱的磨蚀进程，造成局部磨蚀严重。已有研究表明，水流掺气对混凝土材料的磨蚀具有较为明显的改善效果。河海大学王世夏教授[16]通过基于黄河小浪底水利枢纽明流泄洪洞浑水模型，采用实验的方式研究了水流掺气对水工建筑物磨蚀的影响，研究结果表明，对于通过水工建筑物的含沙水流，采用一定的人工掺气措施如设置挑坎等，可以对含沙水流实现有效地掺气，进而减缓含沙水流对水工结构的磨蚀，并有利于结构边壁材料的抗磨蚀性能。结合实验研究，提出了估计水工结构在含沙水流中的磨蚀经验公式，如式（3）所示：EEE0413E-F716-4577-8DF3-F939F98C5418

W =0.021348ρs                                   （3）

式中，W ——含沙水流作用下水工结构的磨蚀率;

S0——无因次的含沙量，对应于含沙水流中的沙含量与泥沙颗粒密度的比值;

C ——采取措施后含沙水流的平均掺气浓度;ρs ——含沙水流的密度。

依据式（3）可大致估算采取人工掺气措施后水工建筑物在含沙水流作用下的磨蚀率，以评定人工掺气措施对桥梁墩柱抗磨蚀性能的贡献。

1.2.2泥沙特性

水流中的含沙量、泥沙粒径、颗粒形状、不同粒径与颗粒形状的比重、泥沙中硬矿物含量等泥沙特性对桥梁墩柱的磨蚀也有较大影响[25，27]。就水流含沙量对水工结构的磨蚀影响而言，不同学者对其持有不同意见。如程则久[17]的研究结果表明，水流中泥沙含量较低时，含沙量增加对磨损和空蚀的联合作用有促进效果，随着含沙量逐渐增加达到某一临界值，水流含沙量的增加会制约含沙水流对结构的磨蚀，这一临界值称为临界含沙量，不同地质条件与结构物对应的临界含沙量并不相同。也有学者的研究结果表明[18]，水工结构物的磨蚀率随着水流含沙量的增加而不断增大，含沙量越高，磨蚀程度越严重，并不存在明显的峰值。

已有的关于泥沙颗粒粒径对水工结构磨蚀的研究表明[19]，由于水中泥沙粒径的随机性和多样性，无法用统一的指标反映泥沙粒径对结构的磨蚀影响，如图1所示。

图1表明，不同材质的磨损率对于粒径的反映并不相同，呈现平行移动且存在交错现象，使用单一的指标反映会存在较大误差。此外，有研究表明[20]，不同颗粒形状对材料的磨损能力并不相同，常见的泥沙颗粒形状包括圆球形、棱角形、尖角形等，其三者对材料的磨损能力比为1∶2∶3，表明颗粒形状越尖锐，对结构的磨损能力越强。一般认为，水流泥沙中含有的硬矿物成份越高，矿物硬度越大，含沙水流对水工结构物的磨损越严重。

1.2.3混凝土性能

已有的研究表明[15]，混凝土强度的不断提高，并不能无限增强混凝土材料自身的抗磨蚀能力。如图2所示，为混凝土抗磨蚀能力与抗压强度的变化规律。

图2的结果表明，混凝土材料中掺加硅灰且水胶比在0.38以下时，混凝土（Scree）自身强度随水胶比的上升快速降低，但混凝土的抗磨蚀能力变化不大，当水胶比大于0.38时，混凝土抗磨蚀能力显著降低，抗压强度变化不大。而当混凝土中掺入坚硬材料（Irone ore）以及选择坚硬粗骨料（Granite）时，混凝土材料的抗磨蚀能力得以显著提高[15]。

1.3墩柱磨蚀防治措施

通过对磨蚀机理和影响因素的研究，桥梁墩柱磨蚀的防治可以从以下四个方面入手[20]。首先，优化设计，设计过程中加强水土保持方面的考虑，优化枢纽部位和过流构造设计，并在墩柱易磨损地区设置必要的排沙与沉沙设施，降低水流中的含沙量，采用新型的消能与掺气措施，降低含沙水流对墩柱的磨蚀率，优化混凝土材料配合比设计;其次，细化施工与制造过程，保证施工质量，改善墩柱部位过流面的粗糙度，提高磨蚀部位抗磨蚀材料的制造与施工工艺;此外，橋梁结构运营过程中加强墩柱部位的运营管理，并采取诸如分流、加强监管、实时维护等措施改善运营条件;最后，进一步深化关于墩柱磨蚀机理、墩柱过流面水力性能、以及新型高效抗磨蚀材料等方面的研究，结合理论研究与工程实际，从机理上防治桥梁墩柱的磨蚀。

2桥梁墩柱抗磨蚀性能评价方法

2.1国外评定方法

由于国内外关于混凝土磨蚀实验研究基于不同的设计工况，因此目前学术界并未出现关于混凝土磨蚀评价的统一标准[21]。本论述中总结了国内外常见的混凝土抗磨蚀性能评价方法，以期为桥梁墩柱的磨蚀提供借鉴和参考。较早提出混凝土抗磨蚀性能评定方法的是美国ASTM C1138标准规定的水下钢球实验方法[21]，用以模拟固体颗粒物诸如泥沙、石子、砾石等在水流运移作用下对水工建筑物的冲刷磨蚀行为。但实际工程中流经混凝土墩柱的水流流速往往超过了规范所规定的试件表面的流速最大值，且水下钢球法标准的实验过程中所采用的固体颗粒物为表面光滑的圆形钢球，无法准确模拟实际工程中水中携带颗粒物的随机性。因此，水下钢球法在模拟和评定大粒径推移质冲磨方面有较强的局限性[22]，在高流速磨蚀的评定与模拟方面也有较大误差。

2.2国内评定方法

我国《水工混凝土实验规程》（DL/T 5150-2001）和《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》（DL/T 5207-2005）基于ASTM C1138的水下钢球法[21]，也提出了相应的混凝土磨蚀性能实验方法。规范中实验试件为?300 mm×100 mm 圆模试件，实验时通过搅拌桨的转动，致使水流产生动能带动钢球运移，进而使混凝土表面产生不同程度的磨损。实验过程中试件表面的最大水流流速为1.5～1.8 m/s，实验用钢球的最大跳跃高度为80 mm。与ASTM C1138中类似，该方法不能模拟水流中砂石的随机性以及高速水流对墩柱的磨蚀作用。此外，采用混凝土冲刷仪对外圆锥形的圆环试件进行磨蚀实验的圆环法也列入了上述规范的实验规程中。虽然圆环法考虑了流速与磨蚀介质类型对混凝土磨损的影响，对于较高流速的磨蚀情况仍然存在一定的障碍。我国于20世纪末开发的“风砂枪”实验方法[21]，尽管解决了流速的问题，但是在磨蚀介质和实验效率方面局限性较大。EEE0413E-F716-4577-8DF3-F939F98C5418

综上，利用现有关于混凝土磨蚀性能的实验方法和评价桥梁墩柱的抗磨蚀性能时，在高速水流的模拟与水流携沙随机性实现方面尚有待改进。后续的研究，可以基于桥梁墩柱过流面水力流态的分析与测定，结合实测的水流中泥沙特性分析，优化磨蚀介质粒径与配比设计，制定适用于桥梁墩柱在含沙水流作用下的抗磨蚀性能测定实验方法与评定体系。

3结束语

本论述基于混凝土材料在含沙水流下的磨蚀机理，得出桥梁墩柱在含沙水流环境中工作时可能遭遇的磨蚀形式包括磨损、空蚀、以及二者的联合作用。分析了墩柱磨蚀的影响因素，包括水流速度、流态、水流掺气等水力条件，含沙量、泥沙粒径、颗料形状、不同粒径与颗粒形状的比重、泥沙中硬矿物含量等泥沙特性，以及混凝土性能等，阐述了其中各自因素对墩柱磨蚀的具体贡献，指出应该从优化设计、细化施工与制造过程、强化运营管理、深化相关研究等四个方面进行桥梁墩柱磨蚀的防治。最后总结了国内外关于混凝土磨蚀的实验与评定方法，发现国内外规范规定的方法在高速水流的模拟与水流携沙随机性实现方面尚有待改进。

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