橋墩局部沖刷防護(hù)措施研究

橋墩局部沖刷防護(hù)措施研究

1.橋梁基礎(chǔ)的防護(hù)由于河流橋梁是一種阻礙水的結(jié)構(gòu)，局部沖積河流是一個(gè)非常有價(jià)值的問題。因此,橋梁設(shè)計(jì)工作者在進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮采取一些防護(hù)工程對(duì)橋墩周圍的床面進(jìn)行防護(hù),以保證橋墩的安全與穩(wěn)定。在傳統(tǒng)防護(hù)措施的基礎(chǔ)上近幾年來(lái)出現(xiàn)橋墩防沖刷的一些新型防護(hù)措施,主要包括護(hù)殼防護(hù)、下游石板防護(hù)、四面體防護(hù),還有對(duì)傳統(tǒng)的防護(hù)措施的改良,包括橋墩開縫與下游石板相結(jié)合的防護(hù),部分拋石灌漿防護(hù)等。2.施工階段防護(hù)施工橋墩局部沖刷傳統(tǒng)的防護(hù)措施主要包括拋石防護(hù)、擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)、填充混凝土模袋防護(hù),護(hù)圈防護(hù),橋墩的部分或整體開縫防護(hù)等。拋石防護(hù)是在橋墩周圍鋪設(shè)拋石,讓其充當(dāng)自然屏障來(lái)承受水流的沖蝕力。如圖(1)所示。擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)是指在施工階段先將鋼圍堰埋入河床面以下一定深度,再進(jìn)行下部樁基施工,基礎(chǔ)施工完成后在床面以上預(yù)留一定高度封頂,然后在頂面上放置橋墩的防護(hù)工程措施,如圖(2)。填充混凝土模袋防護(hù)是指利用高強(qiáng)化纖材料編織成雙層并能控制一定間距的袋體緊貼在岸坡或河床放置的工程措施,如圖(3)。護(hù)圈防護(hù)是通過放置護(hù)圈來(lái)減少下降水流和馬蹄形渦流的強(qiáng)度,如圖(4)。開縫防護(hù)是很好的橋墩局部沖刷防護(hù)方法之一,橋墩開縫依據(jù)其位置不同可分為橋墩整體開縫、床面附近橋墩開縫和水面附近橋墩開縫3種形式,如圖(5)。但是,傳統(tǒng)的橋墩局部沖刷防護(hù)工程措施有一定的使用局限性和適用范圍,且近幾年的提出了一些新型的防護(hù)措施,這些新型的措施較傳統(tǒng)的防護(hù)措施而言更為靈活,并通過實(shí)驗(yàn)證明了沖刷防護(hù)的效果更為顯著。3.新形式的保護(hù)措施3.1減少了發(fā)生率護(hù)殼防護(hù)是一種最新提出的防護(hù)措施,它通過在淹沒結(jié)構(gòu)物的表面設(shè)置兩種人工粗糙護(hù)殼來(lái)降低水流強(qiáng)度,降低了二次流和馬蹄渦流的強(qiáng)度并影響尾流渦旋的強(qiáng)度。這種方法同相同水利條件和泥沙條件下的光滑橋墩相比,沖刷深度減少了大概20%~30%。該防護(hù)具有如下基本特征:一是護(hù)殼防護(hù)在墩臺(tái)迎水面設(shè)計(jì)了人為的條型粗糙細(xì)紋,它以迎水面的中間垂線對(duì)稱分布,在細(xì)紋處會(huì)產(chǎn)生斜渦流,使部分下降水流產(chǎn)生分離;二是護(hù)殼防護(hù)對(duì)剩下的表面進(jìn)行了特別設(shè)計(jì),在表面處設(shè)置許多獨(dú)立的圓形結(jié)構(gòu)物,稱之為“高爾夫球”,它可以使層流邊界層產(chǎn)生擾亂分離,從而降低了尾流和尾流渦旋的強(qiáng)度。如圖6。護(hù)殼防護(hù)只在橋墩表面進(jìn)行處理,不需要考慮其它的附屬工程,可以節(jié)約投資。這種流線型的護(hù)殼相對(duì)于淹沒建筑物而言是獨(dú)立的,不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的外觀。但是這些人工細(xì)紋和“高爾夫球”具體尺寸應(yīng)該多大才能更好的沖刷防護(hù);殼體的設(shè)置范圍是否需要覆蓋整個(gè)橋墩等這些問題仍需要繼續(xù)研究。3.2面板距離橋墩距離下游石板防護(hù)就是把石板放置在橋墩的下游,埋置在河床上并延伸到整個(gè)河底橫截面。如圖7所示。下游石板防護(hù)減小了水流流速,削弱了尾流渦旋從而使局部沖刷減小。CarmeloGrimaldi研究認(rèn)為下游石板和橋墩之間的距離越小,石板的防沖刷的效果就越好,橋墩前方的最大沖刷深度最多可以減小26%。沖刷防護(hù)的效果會(huì)隨著Ut/b,L/b的改變而改變,(U行進(jìn)水流的速度,t時(shí)間,是L是石板距離橋墩的距離,b橋墩寬度,)其中,Ut/b=39339.0L/b+2514.7。當(dāng)L/b=0時(shí),防護(hù)效果最好。Gaudio,Marion和Tregnaghi[4~6]等認(rèn)為石板的最大沖刷深度發(fā)生在離石板大概是30%~40%的沖刷坑長(zhǎng)度那么遠(yuǎn)。Gaudio等研究還認(rèn)為在石板的后方會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)沖刷坑,所以在使用石板防護(hù)時(shí)石板附近的局部沖刷也需要考慮在內(nèi)。3.3hs-q2靜流器的減緩段,原理如下四面體防護(hù)是由4個(gè)中空的等邊三角形組成,一般是由鋼筋混凝土或是混凝土加入藤條制作而成。如圖(h)(i)所示。Hong—WuTANG證明在四面體防護(hù)下,橋墩附近的水流會(huì)被分為3個(gè)區(qū)域:接近河床的減速區(qū),中間的加速區(qū)域,接近水流表面的恢復(fù)區(qū)域。影響橋墩局部沖刷的主要是接近河床的區(qū)域,四面體防護(hù)使水流的速度、紊流強(qiáng)度和漩渦強(qiáng)度都減小,從而使保護(hù)了橋墩沖刷。他還認(rèn)為當(dāng)時(shí)(為臨界平均流速,U水流速度),沖刷深度會(huì)減小50%。與其它的防護(hù)措施相比,這種防護(hù)措施不會(huì)被河流的流向以及泥沙的運(yùn)動(dòng)所影響,其防護(hù)作用比犧牲樁和石板防護(hù)更靈活。但Hong—WuTANG對(duì)四面體防護(hù)的研究范圍還只是應(yīng)用在清水沖刷條件下,并不適用于動(dòng)床沖刷條件下。因此,在今后的研究中,動(dòng)床沖刷條件下四面體的防護(hù)穩(wěn)定性和防護(hù)效果還有待進(jìn)一步研究。3.4把尾流渦流打造成訴訟線為了起到更好的防護(hù)措施,Carmelogrimaldi提出橋墩開縫防護(hù)和下游石板防護(hù)相結(jié)合的防護(hù)措施,如圖10。他認(rèn)為一方面下游石板可以減少橋墩的局部沖刷,若石板和橋墩相連接,可以使尾流漩渦遠(yuǎn)離橋墩的沖刷范圍,并削弱馬蹄形渦流。另一方面對(duì)于開縫來(lái)說(shuō),它可以減小馬蹄形渦流和下降水流的強(qiáng)度。兩種防護(hù)措施相結(jié)合將會(huì)產(chǎn)生更好的效果。Carmelogrimald]認(rèn)為下游石板需要經(jīng)過一定的時(shí)間才會(huì)產(chǎn)生作用,所以初始時(shí)期只有開縫防護(hù)對(duì)沖刷起到一定的防護(hù)作用,經(jīng)過一段時(shí)間,石板才開始作用使沖刷的速率減小,這時(shí)它們會(huì)同時(shí)降低下降水流和馬蹄形渦流的強(qiáng)度,并使尾流渦旋遠(yuǎn)離沖刷坑,沖刷最多可以減小49%,平均可以減小45%。結(jié)果表明,這種結(jié)合的防護(hù)效果比它們中任意一個(gè)單獨(dú)的防護(hù)措施的效果都要好。3.5影響因素分析部分拋石灌漿防護(hù)是一種比較廣泛采用的新型防護(hù)措施,它主要是將大小確定的拋石粘結(jié)成一個(gè)拋石團(tuán)放置在橋梁墩臺(tái)的附近,其拋石的大小是從22.86~38.1cm之間的。如圖11所示。部分拋石灌漿防護(hù)和拋石防護(hù)的原理一樣,它增加了橋墩附近的粗糙度從而降低了水流的流速。近年來(lái)的試驗(yàn)研究表明影響部分灌漿拋石防護(hù)效果的主要因素為拋石團(tuán)的大小,基礎(chǔ)灌漿材料,過濾層,布設(shè)范圍等。P.F.Lagasse認(rèn)為拋石團(tuán)指定的均勻率允許從1.5~2.5之間波動(dòng)。其基礎(chǔ)拋石灌漿所用材料為普通硅酸鹽水泥。部分拋石灌漿防護(hù)中過濾層可以是顆粒狀過濾層,土工布過濾層和顆粒層和土工布復(fù)合過濾層這3種形式。拋石的縫隙會(huì)通過軟管,水下澆灌或機(jī)械自動(dòng)化的方法進(jìn)行灌注。對(duì)于其布設(shè)范圍,Lim的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著布設(shè)范圍的增大,拋石層的防護(hù)能力幾乎線性增加。部分拋石灌漿較傳統(tǒng)的拋石防護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是在受到水流沖擊時(shí)它具有一定的柔韌性,并且修復(fù)也相對(duì)比較容易。在洪水發(fā)生以后做一些周期性的檢查和維護(hù)就可以使它保持一個(gè)長(zhǎng)期的使用過程。并且它允許使用較小單位的巖石和薄的拋石層。國(guó)家合作公路的研究設(shè)計(jì)項(xiàng)目確認(rèn)部分拋石防護(hù)是墩臺(tái)沖刷防護(hù)的有效措施。在歐洲,它也被應(yīng)用在河流和沿海地區(qū)的河床、河岸、海岸線和一些橋梁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)等地區(qū),用來(lái)防止沖刷和侵蝕。4.墩局部沖刷防護(hù)工程措施的防護(hù)機(jī)理防沖措施護(hù)殼防護(hù)、下游石板防護(hù)、四面體排防護(hù)、