河道内桥墩防冲刷技术对比研究

李春江

黄河水利委员会黄河水利科学研究院河南郑州450003

摘要：为减少河道内桥墩在大流量来水时受局部冲刷而发生水毁事件。本文介绍了桥墩周边水流结构，从水流结构角度提出了防冲刷机理，并研究了2类且8种不同的桥墩防冲刷技术，并分析了各个技术要点及相应的优缺点，并进行了对比，最后建议实际应用中多采用主动防冲刷技术，为学者和科研人员积累丰富的实践应用经验，利于改进新技术。

关键词：防冲刷；桥墩；水流结构；防冲机理

0.引言

随着经济驱动和交通需求的不断增加，桥梁建设也蓬勃发展，桥墩基础建设是整个桥梁建设的重要组成部分。为了保证整个桥梁安全使用，要求地基和基础必须要有足够的强度、刚度和整体稳定性，使其不产生过大的不均匀沉降或者水平变位。然而，有时桥梁是需要在水中建设的，此时还应该考虑水流对桥梁的冲刷作用，因此需要加固在水中部分的桥墩，以防水流对基础底面的冲刷而造成桥梁沉陷或倾覆事故。近年来，桥梁水毁事故频频发生，尤其在汛期时，大流量的水流会对桥墩和周围的河床造成局部冲刷，导致桥墩产生失稳破坏，严重时直接垮塌[1]。例如，2011年7月25日，内蒙古集宁至通辽铁路一座8孔桥东侧第一桥墩被洪水冲毁，导致5趟列车停运，3800余乘客滞留。2016年7月31日，新疆的阿克苏拜城县被暴雨包围，导致洪水泛滥，使得县城内多条道路瘫痪，桥梁被冲垮，许多民众因此受困[2]。从事故结果来看，发生桥梁水毁的主要原因之一是桥墩受到的短期局部冲刷，因此本文将重点研究河道内桥墩防冲刷技术，使其免受冲刷或减弱冲刷。

1.桥墩防冲机理

桥墩冲刷是一个综合且复杂的过程，大体分为：自然（演变）冲刷、一般冲刷和局部冲刷。从桥墩发生事故的结果来看，局部冲刷是桥梁失稳的重要原因。通常认为局部冲刷是指由于桥墩的阻碍，桥墩周围产生强烈涡流，使得墩周水流结构发生急剧变化而引起冲刷。桥墩周围水流结构主要包括墩前水面涌波、墩前下潜水流和尺度很大的墩后螺旋形旋涡体系。桥墩底部的冲刷坑由墩前两侧开始发展，迅速沿着桥墩底部向前发展，交汇与桥墩底部的前端，遭到冲蚀的河床质由水流的带动移至下游。

从桥墩周边的水流结构来看，要做好桥墩防冲刷，一方面要减少或减弱墩前下潜水流，另一方面是让上游来水快速地通过桥墩流向下游，或者就是桥墩底部加固来提高其抗冲刷性能。

2.桥墩防冲技术对比

由桥墩防冲刷机理来看，桥墩局部防冲刷出现了一些方法，大致分为两大类：（1）被动防护，它主要是通过用实体物质加强桥墩防冲，其包含四种方式a.抛石防护b.扩大桥墩基础防护c.石笼沉排防护d.透水四面体框架或者四角锥体防护。（2）主动防护，此种方式主要是通过增加一些措施来引导水流，减弱水流对河床的冲刷，较经济实用。其包含：a.墩前牺牲桩防护b.开缝防护c.下游石板防护d.环翼式防冲板防护。

2.1被动防冲技术

抛石防护是实际工程中对桥墩基础防护最为广泛的形式之一，其主要优点是取材方便容易，施工的工艺较为简单。但其缺点也因其简单粗放显露出来，抛石防护的整体稳定性，运行中的维护工作量较大且其费用较高，尤其是在大流量下流速突然增大使得河床面出现较大的变形时[3]。

扩大桥墩基础防护是在施工阶段把钢围堰放置于桥墩底部河床以下的一定深度的位置，而后再进行桥墩下部粧基础的施工，在底部的基础施工结束后，在河床的床面以上预留一定的高度进行封顶，然后再进行桥墩中间支撑部位的施工。其优点就是可减小下潜水流对河床的冲刷作用，其整体性相对较强，其缺点是若遇到具有泥沙搬运特征的动床，泥沙发生大量移动时，其可能失去防护作用。

石笼沉排防护是将石块等装入石笼中，形成一个较为完整的的防护整体，沉入到桥墩周围底部，进而对桥墩底部进行防护。其优点是可以增大桥墩底部河床的抗冲刷能力，其缺点是随着时间的推移及河床发生演变，石笼外围可能发生断裂，进而整个石笼毁坏，失去防冲刷的作用。

透水四面体框架或者四角锥体防护是预先做出四面体或四角锥体，再将其抛投到桥墩周围。其优点是四面体透水框架群或四角锥体可以减小来流的能量，起到消能的作用。其缺点是若遇到大流量冲刷有可能整体溃败或边缘溃败而失去防护作用[4,5]。

2.2被动防冲技术

墩前牺牲桩防护是在桥墩上游一定距离设置一系列的群装桩，上游的来水先冲到群桩，减小了来流的速度，相应的减小了墩前的冲刷能量，水流对桥墩的冲刷方向也在一定程度上减小，水流与桥墩底部河床的相互作用减弱，从而起到防护桥镦冲刷的。影响桥墩前面牺牲粧防护效果的因素主要包括以下几个：牺牲桩的数量、牺牲桩相对于桥墩的大小、墩桩头露出水面的程度，还有在墩前一定位置群粧的几何排布形式。在实际的防护工程中，该防护措施也有较为突出的缺陷存在，例如，当水流方向发生变化或者来流形态发生变化，都会使得先前设计安置的牺牲桩防护作用减弱[6-8]。

开缝防护是在桥墩上进行局部开缝的防护措施，可将和桥墩有强烈作用的部分水流通过墩缝高速穿过，进而使水流淘刷河床和产生的漩涡明显减弱，将原本直接冲击作用在桥墩迎水面的强烈水流分散成了墩缝两边的两股较弱的水流，从而对桥墩的局部冲刷防护起到了防护的效果，但其缺点就是上游来水有较大漂浮物时容易堵塞开缝，而影响防护效果。

下游石板防护是指在水流流过桥墩的下游侧的适当位置处放置一块石板，石板露出于河床一定高度，并且石板会向整个河床的截面进行延伸。可有效地减小水流的流速，也使得桥墩下游的尾流激发漩涡也在一定程度上减小，以致达到减小尾流冲刷的效果。

环翼式防冲板防护是在桥墩墩身上设置防冲板，目的是为了减弱下潜水流，使其水流在防冲板以上快速通过桥墩流向下游。一些学者在实验室开展系列的水槽试验，试验结果表明：半幅型防冲板效果最好，防冲板安装于水深1/3处效果最佳，防冲板的安装位置影响作用大于防冲板的形状影响作用，但其缺点是安装不是便利，且单幅防冲板受水流冲击力是否会造成桥墩前后受力不均匀[2]。

3.结论及建议

河道内桥墩抗冲刷能力是关系到整个桥梁安全的重要基础，文中介绍了桥墩防冲刷的机理，同时对比分析了八种桥墩防冲刷，给出了相应的技术要点以及优缺点，得出如下结论：

（1）桥墩防冲刷技术主要是上挡下排，主要是抵挡下潜水流和快速将水流排向下游；

（2）被动防冲刷技术是目前最常用的技术，但将耗费大量的石料资源，而主动防冲刷技术应用不是很广泛，还有些是停留在实验室阶段。

（3）建议今后桥墩防护可多采取主动防冲刷技术，让这些新技术接受实践考验，从而为学者研究积累实际应用经验，利于改进新技术。

参考文献

[1]李春江.桥墩防冲板结构控制因素分析及优化[D].内蒙古农业大学,2015.

[2]乔春林.环翼型防冲板和开缝组合防护对桥墩局部冲刷的影响试验研究[D].内蒙古农业大学,2017.

[3]林晓威.乌龙江大桥桥墩冲刷防护措施试验研究[J].现代交通技术,2017,14(05):53-56.

[4]房世龙,钱俊峰,陈红.圆柱桥墩清水局部冲刷透水三杆架体防护特性试验研究[J].水电能源科学,2015,33(08):98-102+97.

[5]宋晓伟.四面六边透水框架群防护桥墩局部冲刷的数值模拟[D].西北农林科技大学,2015.[6]黄俨.桥墩防护装置研究[D].西南交通大学,2016.

[7]房世龙,陈红,施小飞.桥墩清水局部冲刷减速不冲防护技术试验研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2016,35(03):71-77.

[8]吴中鑫,王国民.深水急流桥墩砂枕防护施工关键技术研究[J].公路,2016,61(01):126-130.

作者简介

李春江（1988—），男，汉族，硕士，黄河水利委员会黄河水利科学研究院，主要从事水利防汛抢险技术研究，[e-mail].