桥墩冲刷 - 图文

冲刷对桥墩安全性的影响研究

摘要：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。文章通过对桥墩局部冲刷特征及冲刷机理的研究，分析了桥墩特征、流体特征等因素对桥墩局部冲刷的影响，并提出了有效的防冲刷保护措施。由于桥墩冲刷影响因素众多，难以较准确地预估，加之随着水文现象的变化，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。所以目前桥墩冲刷研究仍具 有重要意义。

研究结果显示，桥墩周围的局部冲刷深度与河床土粒径和墩前行近流速有明确的影响关系，影响曲线还显示当平均粒径较小，或墩前行近流速较大时影响尤为强烈;水下探测的结果显示各墩都发生了不同程度的冲刷破坏，以4#墩最为严重;基底冲刷淘空面积对桥墩各检算项目都有明确的影响，且随着冲刷的加剧，墩顶弹性水平位移和基底合力偏心矩首先达到容许值，此时各墩的冲刷淘空面积占基底总面积的百分比大致都在20%以内，而有限元分析的结论与此基本一致;冲刷防护的理论和实践都在不断取得进展，而现有各种冲刷防护工程措施都有其特点和适用条件，应依据水流条件、河床条件和水下探测结果选择具体防护措施。

关键词：桥墩，水下探测，局部冲刷，冲刷防护

1 引言............................................................................................................................................. 2

1.1研究背景 .......................................................................................................................... 2 1.2研究必要性 ...................................................................................................................... 3

1.3研究内容与意义 ................................................................................................2 2文献综述...................................................................................................??4

2.1局部冲刷及其影响因素..........................................................................??4 2 .2水下探测方法研究..................................................................................??7 2.3桥墩冲刷防护研究..................................................................................??9 3桥墩局部冲刷机理

3.1墩周流场的旋涡体系 3.2墩前下降水流的冲击作用 3.3水流受桥墩的压缩作用

4局部冲刷防护措施 4.1冲刷防护原理 4.2冲刷防护方法

5冲刷对桥墩安全性的影响研究.............................................................??36 5.1沉降计算理论........................................................................................??36 5.1.2变换域控制方程....................??，..............................................??38 5.1.3变换域中的解.............................................................................??41 5.1.4物理域中的解.............................................................................??42 5.1.5闭合形式的调和函数.................................................................??46 5.2横观各向同性条件下的沉降计算........................................................??49 5.2.1计算方法.....................................................................................??49 5.2.2计算过程与结果.........................................................................??51 5.3冲刷对桥墩安全性的影响分析............................................................??52 5.3.1冲刷对墩顶的弹性水平位移的影响.........................................??52 5.3.2冲刷对桥墩倾覆稳定性的影响.................................................??54 5.3.3冲刷对基底压应力的影响.........................................................??55

5.3.4冲刷对合力偏心矩的影响.........................................................??56 5.3.5总结.............................................................................................??56 5.4地基参数对桥墩冲刷稳定性的影响分析............................................??57 5.4.1各向异性比对桥墩冲刷稳定性的影响.....................................??57 5.4.2压缩模量对桥墩冲刷稳定性的影响.................................??，.??58

1 引言

1.1研究背景

冲刷是引起桥梁墩台失稳破坏的主要因素之一，近年来发生了不少因冲刷而导致的桥梁毁坏事件，造成了巨大的人员和财产损失。例如，1987年纽约SehoharieCreek桥的倒塌，1989年4月田纳西州Hatehie河桥的倒塌，1989年6月俄亥俄州Miamstown便桥的倒塌， 1990年佐治亚州Altamaha河编号1一 95桥的关闭，都全部或部分与冲刷有关。就在2008年9月份，“森拉克”台风过境亦造成台湾多座桥梁被大水冲毁，台湾南横公路高雄县甲仙乡甲仙大桥被湍急的旗山溪水冲击，桥墩倾陷、松动，桥面陷落，无法通行而封桥(图1一1); “森拉克”台风为嘉义县山区带来超大暴雨，阿里山公路八掌溪五虎寮桥，因不堪洪水冲击，十五日清晨呈“V”字型断裂，造成阿里山公路交通中断(图1一2)。因此，就冲刷对桥梁墩台安全性和稳定性的影响进行研究具有重要的工程意义

1.2研究必要性

近年以来超长跨海湾桥梁不断兴建，这些桥梁不同程度地受到水流冲

刷的影响。通过受冲刷墩台安全性研究成果的推广应用，可以有效地避免冲刷引 起的桥毁人亡事故的发生，有助于对桥梁加固和防护方案进行设计，具有广泛的 应用前景。

1.3研究内容与意义

为冲刷对桥墩安全性的影响研究，本章作为本文的研究重点，通过建立横观各向同性弹性半空间地基条件下的荷载作用模型，就冲刷对桥墩安全性和稳定性的影响进行了深入探讨，同时还通过控制变量法对各主要地基参数对桥墩冲刷稳定性的影响进行了研究。刷对桥梁墩台安全性和稳定性的影响进行研究具有重要的工程意义.

2文献综述

桥墩局部冲刷是一个很古老和复杂的课题，对冲刷机理、影响因素、计算方 法、水下探测、稳定性分析及桥墩防护处理的研究一直在不断的取得新的进展， 本文总结了近几年来国内外研究者对有关桥墩冲刷问题所做的研究工作，汇总了 改领域最新的研究成果、指出了存在的问题并涉及到一些研究者们做的新探索， 为后续的研究奠定了基础。

2.1局部冲刷及其影响因素

水下冲刷尤其是由桥墩引起的局部河床冲刷一直是国内外学者关注的研究

课题，其影响因素甚为复杂，总的说来，包括以下几方面:流体特征因素、流动 特征因素、河床质特征因素和桥墩特征因素I’间。这些因素实在包含了太多的参 数，研究者们考虑其中的主要参数建立了很多预测冲刷深度的公式，大都采用了 半理论半经验的方法。据不完全的统计，国内外学者从不同途径、设想撰写发表 的桥墩局部冲刷深度计算公式约有50个l7]。从美国、俄国等现行的公式来看， 都是经验性的或半经验性的，目前尚未发现纯理论的推导公式。他们大多采用试 验资料来建立局部冲刷深度的关系式，然后用野外实桥观测资料来修正系数和指 数得到冲刷深度计算公式l8]。六十年代由铁道部科学研究院研究的桥墩局部冲刷 公式就是采用了这种方法，公式中的经验系数包括墩型系数是借助大量的实验室 实验资料和天然资料的分析得到的。下面将综合近些年的一些研究成果，对比不 同情况下的不同方法所主要考虑的冲刷因素、数据处理方法和他们对冲刷机理的 理解，重点探讨影响冲刷的参数和对数据进行处理的方法。

2.2水下探测方法研究

水下探测是准确提供墩台稳定性分析所需冲刷数据为唯一手段。在该领域 中，欧美等发达国家处于领先地位，他们开发和应用了包括潜水员跟踪摄影探测、 彩色浮标探测、声纳探测、放射源探测、雷达探测等在内的多种冲刷探测与观察 方法123一26]。其中，潜水员跟踪摄影探测、声纳探测和雷达探测是在实际应用中 广泛使用的方法。Fenne:[24l总结了有关桥墩水下探测的方法，指出了不同方法 的优缺点和使用条件。M.c.Forde等125]应用雷达探测方法，对桥墩的水下冲刷情 况进行了探测，但探测获得的数据对掌握冲刷尺度并无参考意义。 FemandoDe

Falco等123]应用声纳探测技术进行了桥墩的冲刷状况监测试验，研究了河床演变 的过程，并验证了声纳探测技术在桥墩水下探测中应用的可行性。

近年来，使用遥控潜水器搭载光学设备或声学设备进行水下探测，已成为国

内外研究的热点。caccia[271采用遥控潜水器在水下作业时运动的稳定控制和精度 分析，对水下结构物进行了视频观察，Fang等人[28】和Hoang等人[29l考虑了水力 学和附带电缆线路等附加外力影响下，临近建筑物的遥控潜水器的运动控制与摄 影测量方法。随着潜水器在水下探测中的广泛应用，作为探测仪器的搭载平台， 其水下可操作性受到了研究人员的关注。GuoI30】通过模拟鱼在水中运动的方式， 研究了仿生潜水器目标追踪的最佳测量方案。这些研究为遥控潜水器搭载光学设 备在水下探测的应用奠定了基础。此外，付传宝131]等人率先应用遥控潜水器搭 载扫描声纳和定位声纳的方法，进行了桥墩水下探测研究，这些工作为本研究开 阔了思路。

同时还有一个值得关注的相关研究是传统的摄影测量在水下调查中的用途。 Green等132]采用数码相机形成有参照物的立体像对，并应用Photomedeler、 MDEMS软件进行了海底文物调查与三维重构研究。

研究者们不断的创新和尝试，还出现了很多新的水下探测方法值得我们注

意，如:立体视觉法、cT探测法、地震勘察法、结构光法和GPR法等133一37]，

相信这些研究为后来的研究者会奠定基础并带来启发。不停车、不限速的要求，因而此加固方法在铁路运营条件下桥梁墩台基础加固中

得到了广泛应用。丘伟[58l则介绍了应用于流溪河大桥的钢板护筒明挖方式进行 桩基加固的方法，桩基补强加固后，形成变截面，受力更合理，可以提高桩基的 稳定性和承载力，防止水流对桩基的进一步冲刷、侵蚀，保护桩基。

做类似处理取得成功的例子还有很多，研究者们通过实地探测和经验估算，

加大安全系数，对病害桥梁墩台的整治取得了不错的结果。但这些终归是一种“硬 碰硬”的刚性防护设计，对疏导水流减少其冲刷能力这方面做的比较少，由方奕 所译“桥墩冲刷的防护”一文[59】在这一方面做了尝试，文章采用在桥墩中开缝 或在桥墩周围设护圈作为控制冲刷深度的措施，研究了开缝、护圈、或二者结合 对桥墩冲刷的影响。清水试验表明，他们对减少冲刷深度是极为有效的。在靠近 水面或者河床处设置缝宽为桥墩直径1/4的开缝，可降低清水冲刷深度达20%; 在靠近水面处设置宽度为桥墩直径1/2的开缝时，则能降低冲刷深度多达30%。 当在河床处使用开缝与护圈的组合时，则可以完全消除冲刷。

由于单一的桥墩局部冲刷防护工程措施都不同程度存在这样那样的缺点，有 一定的使用局限性和适用范围，有研究人员又提出了结合实体抗冲和减速不冲防 护特性于一体防护方法163]，该法的应用效果比较理想，为后来更好的防护方法 的提出提供了思路。

2.3桥墩冲刷防护研究

随着对冲刷机理的深入了解，研究者们在不断改良传统冲刷防护和加固处理 方法的基础上，尝试着新的处理方法。

在冲积河床中，桥墩周围局部冲刷的形成几乎是不可避免的。工程师们必须 在设计中采取预防措施，通常桥墩基础防护有两种基本方法:口、提高河床推移 质的抗冲刷能力，一般采用在桥墩底部铺设粗颗粒料或抛石防护层;b、减少冲 刷介质的能力作用，亦即减少向下水流和马蹄形漩涡对推移质的冲刷，采用在河 床中铺设延伸底板或护圈的方法。

基于这样的出发点，人们发明了很多桥墩局部冲刷防护措施，这些传统的桥 墩局部冲刷防护工程措施按防护机理又可分为两类，一类是实体抗冲防护

措施，指在桥墩周围的床面上放置一些实体材料，以提高其抗冲刷能力，从而使 桥墩免于被其附近的下降水流及旋涡体系掏底失稳的工程措施;另一类是减速不 冲防护措施，通过在桥墩前方或周围设置非完全固定式结构物或者通过改变桥墩 自身结构，来改变桥墩周围的水流，使水流经过这些防护工程后，直接降低水流 速度及动能，从而改变流场及水流剪力，以削弱或抑制水流冲刷能力的工程措施。 近年来研究过的实体抗冲防护工程措施，主要包括抛石防护、扩大桥墩基础

防护、混凝土铰链排防护、填充混凝土模袋防护、四脚混凝土块防护和A一JACKS 结构单元防护等;减速不冲防护工程措施，主要包括护圈防护、桥墩的部分或整 体开缝防护、墩前排桩防护、墩前淹没翼墙防护、墩前淹没底槛防护和墩前淹没 角槛防护等。每种防护方法都有其优点和局限性，对不同桥墩要根据具体

情况选择不同的冲刷防护措施，有些措施使用不当不仅浪费人力、物力更会加剧 桥墩的冲刷破坏。研究成果还显示同一防护措施对同一桥墩而言其防护效果又会 因河床变迁和水流变化而发生变化，在设计时要做好长远的规划，在使用中要密 切监测河床、水流和桥墩本身的变化，以防患于未然。

冲刷防护的过程中还要对已经发生冲刷破坏的桥墩基础进行加固处理，王海 珍等根据现场地层勘察资料，首先确定了单桩承载力.然后设计出高压旋喷

桩的加固方案。加固完成后的效果检测及多年运营说明采用旋喷桩加固桥梁墩台 基础具有独特的优越性。采用高压旋喷注浆加固既有桥梁墩台基础可以满足铁路

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： 3.1墩周流场的旋涡体系

将一桥墩放入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。

3.2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。

3.3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。

3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。

3.1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。

3.2上游行近流速 v 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 v'，床面

泥沙静止不动，桥梁墩台周围不发生局部冲刷。

2．当 v<0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 v，即 v ≥ v,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。

3.3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。

4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。 4.1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。 4.2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。

3．开缝防冲：开缝防冲刷保护是使下冲水流转向离开河

床或减小下冲流对河床的冲击，开缝的宽度、长度和位置是其 非常重要的参数。例如开缝的位置有靠近河床和靠近水面两 种情况，这两种位置的开缝造成水流特性就有所不同。当开 缝与护脚一起使用时，可以进一步减小冲刷深度。

、 第五章冲刷对桥墩安全性的影响研究

当桥墩周围发生局部冲刷，出现部分基底被淘空的情况时，由于其基础下部 受力面积发生变化，将导致基底应力重分布，并引起桥墩墩身及基础的一系列变 化，因此需要我们对其强度、刚度和稳定性等进行重新检算，以评估冲刷发生后 桥墩的安全性和稳定性。而与其安全性相关的这些检算项目大多和应力和沉降有 密切的联系，因此我们首先对应力和沉降计算理论进行了重点的研究。 勘探表明，位于岩石下的岩层主要为层状灰岩，表现出明显的横观各向同性

特征，可用横观各向同性地基模型来描述其荷载一沉降特征。本章以Yuel48]横观 各向同性半空间模型均布荷载在矩形面积上作用的应力和沉降计算理论为基础， 将其一般情况下的研究结论，应用到一般桥墩基础的地基沉降计算过程中。我们 将其计算模型中的5个弹性常数与工程上常用的弹性常数相结合，通过叠加原理 得到横观各向同性体内任意荷载作用在任意区域内任意点的沉降计算方法，进而 对桥墩基底不同冲刷淘空情况下墩身安全性和稳定性进行了计算分析，最后探讨 了不同地基参数条件对桥墩冲刷情况下安全性的影响。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/79xw.html