桥墩局部冲刷防护工程特性研究综述

桥墩局部冲刷防护工程特性研究综述

摘要：本文首先对淹没槛防护、墩前排桩防护、桥墩开缝防护、护圈防护、四脚混凝土块防护、混凝土铰链排防护、扩大基础防护以及抛石防护等传统桥墩局部冲刷防护工程与实体抗冲防护工程的特性进行了研究，并分析了桥墩周围四面体透水架群抛投防护。

关键词：桥墩局部；冲刷防护；工程特性；

桥墩冲刷是桥墩设计的关键环节,其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。传统的桥墩局部冲刷防护工程措施在适用范围和使用具有局限性，四面体透水框架群将减速不冲防护与实体抗冲特性相结合，完美防护了桥墩局部冲刷。

1.传统桥墩局部冲刷防护工程特性研究

1.1减速不冲防护工程特性研究

（1）淹没槛防护

淹没槛防护就是在桥墩迎水面的上游根据实际情况在一定距离处埋置角槛或者底槛，从而降低水流的冲刷力度，同时对桥墩局部的床面起到防护作用。影响淹没槛防护效果的主要因素有底槛的倾斜角、底槛的高度以及桥墩迎水面与底槛的距离。Yeoh和Chow等学者对淹没槛防护进行了相关的研究，研究结果表明：在底槛倾斜角、底槛高度以及桥墩迎水面与底槛的距离达到一定的标准之后，淹没槛的防护效果就会得到显著的提高。不论是在动态冲刷情况下还是在清水冲刷条件下，淹没槛都会起到很好的防护效果，但是淹没槛横轴与水流的方向不垂直的时候，淹没槛的防护作用就会消失。

（2）墩前排桩防护

敦前排桩防护是将一定数量的桩群按照一定规则的设置在桥墩上游，当水流经过排桩群的时候，水流方向会产生分离，在排桩后部形成尾流区域，由于冲刷力大部分会作用于排桩，所以漩涡的紊动强度以及桥墩局部的冲刷将会得到不同程度额降低。在清水冲刷的情况下，墩前排桩防护具有很强的防护效果，但是，由于在动态冲刷的情况下，河床的横向摆动等会影响桥墩局部水流的方向，从而进一步影响排桩的防护效果，另外，沙丘、沙纹等河床床面的形态也会不同程度上影响墩前排桩的防护效果，所以，墩前排桩防护工程措施在实际的设计过程当中采用的较少。

（3）桥墩开缝防护

桥墩开缝防护有利于降低水流强度、消弱马蹄形漩涡，从而进一步减少桥墩周围泥沙的被冲刷。桥墩开缝防护有水面附近桥墩开缝、床面附近桥墩开缝以及桥墩整体开缝这三种。水流方向与缝的夹角、缝的长度、缝的宽度都会不同程度的影响到防护的效果。在实际应用的过程当中，我们发现由于冰排或者漂浮物会堵塞桥墩上的开缝，另外，由于河床摆动等造成水流方向与开缝方向不一致，这些现象都会致使桥墩开缝失去其防护效果和作用。

（4）护圈防护

作为减速不冲防护工程措施的典型代表，护圈防护通过消减下降水流与阻挡护圈顶面从而达到降低漩涡强度的防护效果，在缺乏石料的情况之下，这种防护方法更加的实用。护圈的形式、尺寸以及放置高度是主要影响防护效果的因素，护圈防护在桥墩局部冲刷防护中的使用，对河床床面起到很好的防护作用，防护效果显著，不过由于收缩冲刷与一般冲刷的结合或者河床形态的传播出现，导致河床面低于护圈或者桥墩在水流中暴露，这些情况下，护圈就会失去其防护效果。

Odgaard为了提高护圈的防护效果，他将淹没翼墙与护圈相结合，结果表明:两者的结合，使得桥墩周围局部的水流速度减慢，同时在护圈的作用下，水流的冲刷能力得到消减，冲刷防护的效果大大提高。

1.2实体抗冲防护工程特性研究

（1）四脚混凝土块防护

海岸防护是四脚混凝土块应用的最初阶段，后来Bertoldi研究了在桥墩局部冲刷防护中采用四脚混凝土块的可行性。研究结果表明四脚混凝土块防护效果好，稳定性强。由于四脚混凝土块布置的精确度要求较高导致施工难度增大，同时，相比于其他的传统防护措施四脚混凝土块造价高，这些因素的存在制约了四脚混凝土块防护工程措施的广泛使用。

（2）混凝土铰链排与混凝土模袋防护

混凝土铰链排是把混凝土板块用铰链连接到一起对桥墩局部进行防护；混凝土模袋是将高强化纤材料编织成袋体以起到控制间距的抗冲刷的防护作用。混凝土具有造价适中、可水下施工、浇筑时具有很大的柔性、施工速度快、防冲刷性好、整体性强以及强度高等优点，能够很好地做抛石材料的替代物。我们通过混凝土铰链排与混凝土模袋防护的实验发现：混凝土铰链排护岸虽然造价高，但是它质量易控制、机械化施工、工厂化生产、取材容易以及整体性好，在使用的过程当中要避免抛锚破坏现象的发生。混凝土模袋具有软性模板的性能，该防护工程措施的施工复杂，施工难度较大，由于受地形的制约较大，防护效果较差，淘刷现象易出现在下部边缘。

（3）扩大桥墩基础防护

扩大桥墩基础头部向上游的长度以及扩大桥墩基础顶面的放置高度是影响防护效果的重要因素。扩大桥墩基础防护主要是通过扩大桥墩基础从而到达降低水流的冲刷力。国内大部分学者侧重于研究宽度与扩大桥墩局部顶面埋置深度的关系以及冲深的计算方法，他们主张扩大桥墩基础的宽度会伴随着河床面高于基础顶面的距离的增加而相应的减少。国外的Parola以及Laursen等研究者根据桥墩局部冲刷防护的效果将桥墩基础顶面分为三种类型：一是当在桥墩周围最大冲刷坑深度下设置扩大桥墩基础顶面的时候，桥墩局部冲刷防护作用消失了；二是当河床床面正好与桥墩基础的顶面在同一处时，桥墩周围局部的具有很强的减冲效果；三是当河床床面位于扩大桥墩基础顶面之下的时候，基础顶面高于河床床面的部分将会造成冲刷深度的剧增。

（4）抛石防护

最近几年，学者对抛石级配、抛石范围、抛石厚度以及抛石粒径等抛石防护特征的参数进行了大量的研究。抛石防护一方面利用抛石增强桥墩周围的局部粗糙率，从而使得水流速度在桥墩附近得到降低，另一方面，抛石能够保护床沙，使得床沙扬动或者起动需要的流速得到增加。桥墩局部冲刷防护工程措施最主要的防护措施之一就是抛石防护。当前，在大、中型桥梁桥墩防护工程当中，抛尸防护凭借其适应地形变化的能力强、施工简单以及取材方便等优点成为普遍采用的防护形式，但是，抛石防护还具有一定的缺点，例如：工作量较大、维护费用较高以及整体性较差。

2.桥墩周围四面体透水架群抛投防护

桥墩周围四面体透水架群抛投防护是一种新型的桥墩局部冲刷防护工程措施，它有效地克服了传统的桥墩局部冲刷防护工程措施的缺点和不足，并将实体抗冲防护与减速不冲防护特性完美的结合起来，用框架群已达到对桥墩局部水流