[科普中国]-局部冲刷

桥墩局部冲刷桥墩的定义

桥墩一般系指多跨桥梁的中间支撑结构物。桥梁墩台的主要作用是承受上部结构传递的荷载，并通过基础又将此荷载及本身自重传递到地基上，它除承受上部结构的荷重外，还要承受流水压力，水面以上的风力以及可能出现的冰荷载、船只、漂浮物的撞击力。桥梁墩（台）主要由墩（台）帽、墩（台）身和基础三部分组成。桥墩按其构造可分为实体桥墩，空心桥墩、柱式桥墩、排架敦、框架敦等五种类型；按其截面形状可分为矩形、圆形、圆端形、尖端形、矩形圆角、Ⅰ字形以及各种空心式桥墩。由于桥墩的存在改变了桥墩周围的水流结构和泥沙状况，破坏了原有的输沙平衡状态，促使桥墩周围发生河床冲刷现象2。

桥墩局部冲刷简介桥墩局部冲刷的产生，是由于大桥桥墩位于河道内，占据一定的过水面积，造成河道水流流态发生改变。从水流运动条件分析，水流流经桥墩后，受桥墩的侧收缩和约束过水断面的影响，导致桥墩附近的水流结构改变，墩前上游水位壅高，下部水流受阻后转向河底，形成下降水流，由此壅水和绕流桥墩周围将产生局部冲刷，而桥墩的局部冲刷直接影响桥墩自身的稳定与安全，为使桥墩设计和建设达到安全，经济的目的，有必要进行桥墩局部冲刷影响分析3。

桥墩局部冲刷机理桥墩局部冲刷深度影响因素众多，与桥墩形状、桥墩附近的水流强度以及河床组成密切相关，局部冲刷机理十分复杂，概括起来，主要有以下三种观点：
（一）墩周流场的旋涡体系
将一桥墩放人三维不扰动的流速场中，墩前缘水流遇阻后由于近河底流速小。上部流速大，在河底处形成顺时针旋转的横轴漩涡，并沿床面移向桥墩两侧与绕流形成马蹄形漩涡系。墩周局部冲刷是由马蹄形漩涡系产生很高的河床剪力而形成的。
（二）墩前下降水流的冲击作用
桥墩对水流的阻碍，引起桥墩周围水流结构的剧烈变化，在墩头前缘形成一种“下降水流”，垂直向下冲刷床面泥沙，在墩前形成冲刷坑。
（三）水流受桥墩的压缩作用
桥墩周围的局部冲刷是由于桥墩压缩了水流，改变了墩周原来的流速分布，在墩的两侧流速相对增大，从而使墩两侧首先引起冲刷。冲刷逐步发展到墩的正面。根据对局部冲刷试验过程中的水流结构观测分析，上述三种观点不是孤立作用的，而是相互联系相互影响的，由此可以看出，桥墩对水流的压缩和阻碍作用，使墩周流场发生变化，从而产生桥墩两侧的“集中水流”和桥墩前的“下降水流”，“集中水流”和“下降水流”是形成马蹄形漩涡的内在原因，而马蹄形漩涡系则是产生墩周局部冲刷的直接原因。

桥墩冲刷形式分类桥墩附近河床的冲刷主要有河床自然演变、一般冲刷和桥墩周围的局部冲刷三种形式：（1）河流中水流和泥沙总是不停的运动，床面上的泥沙被水流冲起带走，形成河床的冲刷，水流挟带的泥沙沉积下来，形成河床的淤积。在水流和泥沙的相互作用下，河床不断的冲淤变化，构成了河床的自然演变。（2）建桥后，受桥孔压缩影响，水流自上游最大壅水断面起急剧从上游及两侧河滩集中流入桥孔，形成收缩断面，然后逐渐扩散，恢复天然状态。急剧流过桥孔的水流，冲走桥孔上下游床面的泥沙，形成桥孔附近床面的冲刷，称为一般冲刷。（3）河道中设置桥墩后，缩窄了过水宽度，桥墩周围的水流情况会发生很大的变化。由于桥墩阻碍水流产生的水流冲击和涡流作用，在桥墩周围分离出三维边界层，从而产生具有高紊动和高流速特性的局部水流，在桥墩周围形成的局部河床变形称为桥墩局部冲刷。桥梁设计必须计算使用期限内桥墩的局部冲刷深度，为桥墩的埋置深度提供依据2。

处理手段预测桥墩局部冲刷深度是桥梁设计的重要依据之一，自1873年Durand Claye发表的"关于桥墩局部冲刷"论文至今已有130 多年的时间。国内外不同学者，撰写发表的关于桥墩局部冲刷深度的计算公式众多，但由于桥墩附近水流结构十分复杂，要从理论上建立描述这一物理现象的合理数学模型还存在着诸多困难，所以现阶段一般将模型试验资料，天然实测资料，调查得到的资料，应用因次分析法和多变量相关分析法等，并与理论相结合，得到了一些计算桥墩局部冲刷的不同公式，研究利用方便适用的桥墩局部冲刷计算方法，对提高桥墩设计可靠性，保障既有线安全运营及公路新线建设均具有重要的现实意义。

桥墩冲刷是桥梁水毁的主要原因之一，其冲刷深度是确定桥墩基础埋深的重要的依据，直接关系到桥梁的安危。因此研究桥墩的冲刷对于桥梁设计、施工、防洪以及通航论证具有十分重要的意义。桥墩冲刷的机理十分复杂，为了研究方便，通常假定冲刷分为一般冲刷和局部冲刷，并且假定一般冲刷完成后才发生局部冲刷2。

事实上，冲刷模型实验是较为常见的局部冲刷预测方法，且桥墩几何形态与实际能够最大限度保持一致，但实验人力物力花费较高，无法广泛应用于一般中小跨桥梁设计，而冲刷却往往发生在这些普通跨径桥梁之中。另外，规范建议的冲刷深度计算公式逐渐成为桥梁基础冲刷深度预测的主要理论依据，该方法简单实用，可快速对桥梁基础冲刷病害进行预判。但是计算假设条件苛刻，参数单一，计算结果难以保证准确，更无法给出冲刷三维性态发展趋势。所以，现阶段桥梁设计一般仅以简化为一维的冲刷深度为设计条件来进行基础设计。但是，冲刷并不是一个简单的一维事件，它是一个随时间不断变化的实时复杂三维事件。显然，在桥梁设计中，不仅冲刷深度是关键设计参数，冲刷三维性态的发展趋势，包括最深冲刷深度所对应的平面位置，更是与桥梁基础结构力学性能、耐久性能息息相关的影响因素。近年来，国内外学者针对桥墩冲刷三维性态发展开展了一系列研究，但研究多以单圆柱（墩）冲刷为研究对象，因而研究成果不能完全应用于实际桥梁基础结构设计中4。

局部冲刷深度冲刷深度是水流携带河床上的土，使河床冲刷下降的深度。随冲刷原因不同分为一般冲刷深度与局部冲刷深度。一般冲刷深度是当河流发生洪水时，河水的流速、流量随之增大产生之冲刷。局部冲刷深度是当水中修建墩（台）后，使流水面积缩小、流速增加，使墩（台）附近河床下降的深度。设计桥梁墩（台）基础埋置深度时，应考虑河流的冲刷深度5。

局部冲刷受水流状态、桥墩墩形、床沙组成、河床形态等因素共同影响。按照是否有上游来沙分为清水冲刷与动床冲刷。按照冲刷的水流情况，分为单向流冲刷、潮汐往复流冲刷以及潮汐河口混合水流冲刷。

局部冲刷影响因素影响桥墩附近局部冲刷的因素很多，包括水深、流速、流向、河床泥沙类型、干容重、粒径、级配等，还涉及桥墩的尺寸、形状等。影响桥墩局部冲刷深度的因素包括下列几方面：桥墩特征因素、流体特征因素、河床质特征因素和流动特征因素。
（一）桥墩宽度B、桥墩的长度L或桥墩的直径R对局部
冲刷深度的影响引起桥墩冲刷的最主要的原因就是桥墩的存在压缩了河槽水流引起单宽流量的增大，从而导致局部冲刷。因此桥墩长度L（或桥墩直径）或长宽比L/B是影响冲刷的一个因素。一般说来，桥墩越长、桥墩越宽，在墩头处产生的局部冲刷会越深，因为B、L（或桥墩直径R）反映了构造物对水流的压缩程度，压缩越大，构造物直接阻挡水流引起水流结构的改变越大，在墩头周围形成强烈的涡流与河槽泥沙发生的作用越大，因而引起的冲刷深度越大。
（二）上游行近流速对局部冲刷深度的影响
1.当行近流速V小于床沙起冲流速V0'，床面泥沙静止不动，桥梁墩台周围不发生局部冲刷。

2.当V0’≤V≤V0（V0是床沙起动流速）时，在桥梁墩台周围因绕流而使局部流速增大，该处床沙移向下游，出现冲刷坑。冲刷坑内无上游来沙补给，称为清水冲刷。
3.流速V增大到或超过床沙起动流速V0，床面泥沙大量起动，冲刷坑内得到来沙补给，冲刷深度随流速而增大的变化大为减弱，这种冲刷称为动床冲刷。由于冻疮泥沙补给，冲刷率可以推知当流速达到一定值后，不会增加局部冲刷深度。
（三）上游行近水深H对局部冲刷深度的影响
上游行近水深变化对局部冲深的影响很大，一般认为行近水深较小时.局部最大冲深随水深增加而增加，而当水深进一步增加时，局部最大冲深和水深几乎无关。

局部冲刷防护措施桥墩冲刷几乎是不可避免的，对于冲积河床更是如此。即使基础埋置深度足够，采取一定的桥墩防冲刷保护措施，对于减小墩旁冲刷坑深度、提高结构的安全性和桥梁的稳定性是有显著效果的。
（一）冲刷防护原理
桥墩防冲刷保护措施一般基于以下两种原理：
1.增加桥墩周围河床的防冲能力。例如.在桥墩周围河床铺设粗颗粒材料防护层或抛石，可以提高桥墩的防冲刷能力。
2.减小水流冲刷的能量，即减弱冲刷河床的下冲流和马蹄形涡流。通常采用扩大桥墩基础平面或设护脚。如在桥墩墩轴线下面设沉箱或基脚，可以起到防冲刷保护作用；另外，桥墩设计时采用流线桥墩，能降低墩周的大压力场，防止三维边界层分离形成马蹄形涡流，也可以起到防冲刷保护作用。
（二）冲刷防护方法
桥墩冲刷防护方法根据防冲时期可分为施工期防冲刷和永久防冲刷，根据防冲部位可分为浅基础防冲刷和深基础防冲刷；根据防冲方法可分为抛石防冲等方法，以下对冲刷保护方法作简单的介绍：
1.抛石防冲：抛石防冲是桥墩防冲刷保护经常采用的方法。采用抛石防护主要强调反滤层，设反滤层的目的是防止抛石下的泥沙颗粒通过抛石孔隙被淘刷。
2.护脚和沉箱防冲：在桥墩周围设立护脚和沉箱.防止下冲流和马蹄形涡流直接冲击泥沙颗粒，使其在水中拖运泥沙的能力被削弱，从而达到防冲刷保护的目的。

坝下游局部冲刷坝下游局部冲刷是由拦蓄水的闸坝泄放具有较大能量的水流在建筑物附近所造成的冲刷。水流被拦蓄壅高，泄向下游时有大量位能转化为动能，虽经设计者采取各种消能措施，水流仍具有比一般水流大得多的动能，将严重冲刷天然河床，造成程度不同的冲刷坑，即使对岩石河床也不例外，冲坑过深将危及枢纽建筑物或堤岸的稳定。因此，坝下局部冲刷是水利工作者研究的重大课题之一6。