水流对桥墩局部冲刷的影响及保障措施
摘要：对于桥墩局部冲刷及其防护的研究是重要和必要的，是桥梁建设的前提和关键，随着交通事业的发展，桥梁的规模越来宏伟，桥墩形态和尺寸富有变化，桥墩所处环境越来越复杂。我国桥梁建设已经走在世界前列，桥墩局部冲刷与防护研究已经领先世界。桥墩的局部冲刷造成墩周泥沙被侵蚀掏空，桥墩埋深降低，是导致桥梁水毁的主要因素之一。文章系统地从桥墩局部冲刷的机理出发，分别对墩周流场、冲刷种类和影响因素三个方面进行了研究进展的归纳总结，最后对防护的方法与措施进行了归纳。
关键词：桥墩；冲刷机理；局部冲刷；防护措施
0 引言
水下桥墩的建设减小了桥下河道过水面积，增加了河床的边界阻力，使得桥墩上游水位抬高形成桥墩壅水，桥墩还使得墩周紊动增强。墩前强烈的下降流、由二次流产生的漩涡系和过坑的主流构成了桥墩局部冲刷的基本动力条件。桥墩作为桥梁的主要组成部分，是支承桥跨结构并将恒截和车辆活载传至地基的构筑物，其建造于地基上，部分埋置于岩土之中，部分置于流体中，因其阻碍和妨碍与扰乱，改变了原有的流体结构和状态，而变得晃动、紊动和涡旋等，并因之承受流体较为复杂和强烈的作用力，且进一步加剧流体结构和状态的变化。继而，一方面使桥墩部分墩身磨损和侵蚀及消蚀；另一方面，使桥墩埋置于岩土中墩身周围的泥沙因流体运动的剧烈改变而产生“掏起”“冲刷”“搬运”“甩抛”“沉落”等，而导致所在底床原有地形发生变化的现象和过程，被人们称为桥墩的局部冲刷。
在局部冲刷过程中，墩周三维水流与桥墩、 泥沙间具有复杂的相互作用：桥墩改变来流结构，水流改变泥沙受力状态引起泥沙运动，近底高浓度的悬浮泥沙又反作用于水流，水、沙间相互制约，相互影响，使局部冲刷的影响因素众多，
机理极为复杂。桥墩的局部冲刷将减少桥墩埋置河(海)床底质深度，危及桥墩基础的安全，有损桥梁的安全使用寿命，非常重要，故引起人们高度重视，激发科研工作人员前赴后继对其展开研究，并产生诸多研究成果。
1 桥墩局部冲刷的机理 1.1桥墩局部冲刷种类
桥墩局部冲刷的种类应该较多，根据分类的标准对象不同可以有多种分类方法，但人们习惯于按照水流中的泥沙含量多少来分类。1956年Chabert和
Engeldinger基于来流的输沙模式，将局部冲刷分为“清水冲刷”和“动床冲刷”两大类型。
清水冲刷是指上游没有来沙的情况下的冲刷。进行清水冲刷研究可以较为清楚地研究一定的水力条件下被冲刷局部地区地形的变化情况，但其没有考虑水流中的泥沙状态以及上游来沙状况，从而会出现对底床泥沙粗选现象发生，此外，因为上游泥沙没有来源，冲刷将基本持续下去，极难达到平衡状态，对研究结果存在一定的失真后果。雷等［5］通过概化的粗化层结构模型，将粗化保护层厚度与床面可动层厚度建立关系，从而提出了一个简单、实用的清水冲刷粗化层极限冲深计算方法，该方法认为清水冲刷粗化层极限冲深为冲刷粗化床面结构可动层厚度减去粗化保护层厚度。
桥墩局部清水冲刷因为上游来沙的缺失，从而是与一般工程现实不相符合的情形，在这种情形中，因为上游来沙的缺失，从而桥墩所在底床附近只存在泥沙的冲起和输移现象，而不存在上游泥沙的落淤于桥墩所在底床附近现象，最终是桥墩局部冲刷似乎永远继续下去，只是冲刷逐渐缓慢下来，无法达到桥墩局部冲刷的那种动态平衡状态，给研究带来失真影响，导致结果偏差。
动床冲刷是指上游有来沙的情况下的冲刷，大自然中桥墩局部冲刷应该都是动床冲刷，清水冲刷只是一种非常理想概化的情况下的冲刷，而现实实际中上游是有来沙情况下的动床冲刷，上游有来沙对于物理模拟实验研究来说，就必须在实验研究水槽底部铺沙，这样才可能真实模拟桥墩的动床冲刷问题。
1.2局部冲刷影响因素研究
影响桥墩局部冲刷的因素众多，目前关于影响因素的研究主要归结为三大类：水流因素、 泥沙因素和桥墩因素。
1.2.1水流因素
清水冲刷条件下，局部冲刷的深度随行近流速的增大呈直线增长趋势，而动床冲刷条件下，由于有上游来沙的补给，冲深随行近流速的增大反而减小，在减小至最小值时会再次增大至另一个峰值，且通过模型试验研究动床条件下不同行近流速对冲刷坑深度和范围的影响，结果表明随着流速的增大，冲刷坑最大深度和范围也相应增大。
1.2.2泥沙因素
关于泥沙粒径与桥墩局部冲刷的关系，目前还未有统一定论。部分学者认为泥沙粒径大小对桥墩局部冲刷最大深度没有影响，而其他学者则认为桥墩最大冲深与粒径大小存在相关性。有研究发现，床沙粒径在清水冲刷下对桥墩最大平衡冲深有影响，而在动床冲刷下对最大冲深无影响。
1.2.3桥墩因素
研究表明，桥墩因素如墩长、墩宽是研究桥墩局部冲刷的一个重要影响因素。有关学者在冲刷试验中改变圆柱桥墩直径，结果表明在流量一定的情况下，直径越大其冲刷坑范围也就越大。
2 桥墩局部冲刷的防护措施 2.1 防护措施
资料及研究表明，桥墩局部冲刷不可避免，而冲积河床更不可避免。如果基础埋置足够深，而且采取一定的保护措施，对减少墩旁冲刷坑深、提高桥墩结构的安全性和稳定性有显著效果。
桥墩局部冲刷防护有两个方面的含义，一方面是将桥墩基础打造得足够深足够坚固，桥墩所在的底床泥沙的淘刷而不至于危及桥墩基础的裸露;另一方面是采取必要的方式、方法与措施减轻局部冲刷的程度、缩小局部冲刷的范围，减小局部冲刷最大深度。随着科学的发展，人们对桥墩冲刷机理越来越认识清楚，从而变被动为主动，采用相应的措施、方法和手段，改变河床底床质(如一定范围和深度的底床质置换) ，用人工草来对桥墩冲刷防护。
2.2.冲刷防护的方法
主动防护：实际中，绝大多数的工程单位采用的是主动防护措施，以求更好地应对河流所带来的冲击影响。目前主动防护的措施相对较多，包括制作护圈、制作环翼式桥墩等。
被动防护：区别于主动的方法，被动防护措施大多从被防护的对象入手，例如铺设碎石等方法，以求达到防护河水冲击的目的。随着中国科学技术的不断进步，目前的桥墩防护措施大多采用主动与被动相结合的共同防御措施。
四脚混凝土块防护：在桥墩局部冲刷防护中采用四脚混凝土块，四脚混凝土块防护效果好，稳定性强。混凝土铰链排与混凝土模袋防护。
3 结语和展望
对于桥墩局部冲刷及防护研究将密切结合桥梁工程建设的实践而进行，紧紧围绕工程实践中所遇到的难题和所提出的问题开展研究。随着我国交通事业的发展，桥梁建设越来越规模宏大，所架建的桥梁将越来越处各种复杂的环境中，同时因为桥梁通车要求更进一步加大吨位，从而要求桥墩的承载能力更大，强度和刚度及韧性，由于冲刷机理复杂，影响冲刷的因素较多，很难做到精确确定桥墩的冲刷深度， 对已发生水害、 需加固防护的桥梁，要结合实际情况合理选择防护方法和对策，如此才能够最大限度提升防护作用，确保桥墩的稳定性与整体性能。
参考文献
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