橋墩局部沖刷防護措施研究

橋墩局部沖刷防護措施研究

1.橋梁基礎(chǔ)的防護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非常有價值的問題。因此,橋梁設(shè)計工作者在進行橋梁基礎(chǔ)設(shè)計時,必須考慮采取一些防護工程對橋墩周圍的床面進行防護,以保證橋墩的安全與穩(wěn)定。在傳統(tǒng)防護措施的基礎(chǔ)上近幾年來出現(xiàn)橋墩防沖刷的一些新型防護措施,主要包括護殼防護、下游石板防護、四面體防護,還有對傳統(tǒng)的防護措施的改良,包括橋墩開縫與下游石板相結(jié)合的防護,部分拋石灌漿防護等。2.施工階段防護施工橋墩局部沖刷傳統(tǒng)的防護措施主要包括拋石防護、擴大橋墩基礎(chǔ)防護、填充混凝土模袋防護,護圈防護,橋墩的部分或整體開縫防護等。拋石防護是在橋墩周圍鋪設(shè)拋石,讓其充當自然屏障來承受水流的沖蝕力。如圖(1)所示。擴大橋墩基礎(chǔ)防護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工程措施,如圖(2)。填充混凝土模袋防護是指利用高強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)。護圈防護是通過放置護圈來減少下降水流和馬蹄形渦流的強度,如圖(4)。開縫防護是很好的橋墩局部沖刷防護方法之一,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措施,這些新型的措施較傳統(tǒng)的防護措施而言更為靈活,并通過實驗證明了沖刷防護的效果更為顯著。3.新形式的保護措施3.1減少了發(fā)生率護殼防護是一種最新提出的防護措施,它通過在淹沒結(jié)構(gòu)物的表面設(shè)置兩種人工粗糙護殼來降低水流強度,降低了二次流和馬蹄渦流的強度并影響尾流渦旋的強度。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%。該防護具有如下基本特征:一是護殼防護在墩臺迎水面設(shè)計了人為的條型粗糙細紋,它以迎水面的中間垂線對稱分布,在細紋處會產(chǎn)生斜渦流,使部分下降水流產(chǎn)生分離;二是護殼防護對剩下的表面進行了特別設(shè)計,在表面處設(shè)置許多獨立的圓形結(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度。如圖6。護殼防護只在橋墩表面進行處理,不需要考慮其它的附屬工程,可以節(jié)約投資。這種流線型的護殼相對于淹沒建筑物而言是獨立的,不會影響結(jié)構(gòu)的外觀。但是這些人工細紋和“高爾夫球”具體尺寸應(yīng)該多大才能更好的沖刷防護;殼體的設(shè)置范圍是否需要覆蓋整個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河底橫截面。如圖7所示。下游石板防護減小了水流流速,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%。沖刷防護的效果會隨著Ut/b,L/b的改變而改變,(U行進水流的速度,t時間,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L/b=0時,防護效果最好。Gaudio,Marion和Tregnaghi[4~6]等認為石板的最大沖刷深度發(fā)生在離石板大概是30%~40%的沖刷坑長度那么遠。Gaudio等研究還認為在石板的后方會出現(xiàn)兩個沖刷坑,所以在使用石板防護時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是由4個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證明在四面體防護下,橋墩附近的水流會被分為3個區(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,四面體防護使水流的速度、紊流強度和漩渦強度都減小,從而使保護了橋墩沖刷。他還認為當時(為臨界平均流速,U水流速度),沖刷深度會減小50%。與其它的防護措施相比,這種防護措施不會被河流的流向以及泥沙的運動所影響,其防護作用比犧牲樁和石板防護更靈活。但Hong—WuTANG對四面體防護的研究范圍還只是應(yīng)用在清水沖刷條件下,并不適用于動床沖刷條件下。因此,在今后的研究中,動床沖刷條件下四面體的防護穩(wěn)定性和防護效果還有待進一步研究。3.4把尾流渦流打造成訴訟線為了起到更好的防護措施,Carmelogrimaldi提出橋墩開縫防護和下游石板防護相結(jié)合的防護措施,如圖10。他認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,可以使尾流漩渦遠離橋墩的沖刷范圍,并削弱馬蹄形渦流。另一方面對于開縫來說,它可以減小馬蹄形渦流和下降水流的強度。兩種防護措施相結(jié)合將會產(chǎn)生更好的效果。Carmelogrimald]認為下游石板需要經(jīng)過一定的時間才會產(chǎn)生作用,所以初始時期只有開縫防護對沖刷起到一定的防護作用,經(jīng)過一段時間,石板才開始作用使沖刷的速率減小,這時它們會同時降低下降水流和馬蹄形渦流的強度,并使尾流渦旋遠離沖刷坑,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)合的防護效果比它們中任意一個單獨的防護措施的效果都要好。3.5影響因素分析部分拋石灌漿防護是一種比較廣泛采用的新型防護措施,它主要是將大小確定的拋石粘結(jié)成一個拋石團放置在橋梁墩臺的附近,其拋石的大小是從22.86~38.1cm之間的。如圖11所示。部分拋石灌漿防護和拋石防護的原理一樣,它增加了橋墩附近的粗糙度從而降低了水流的流速。近年來的試驗研究表明影響部分灌漿拋石防護效果的主要因素為拋石團的大小,基礎(chǔ)灌漿材料,過濾層,布設(shè)范圍等。P.F.Lagasse認為拋石團指定的均勻率允許從1.5~2.5之間波動。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。拋石的縫隙會通過軟管,水下澆灌或機械自動化的方法進行灌注。對于其布設(shè)范圍,Lim的實驗結(jié)果表明,隨著布設(shè)范圍的增大,拋石層的防護能力幾乎線性增加。部分拋石灌漿較傳統(tǒng)的拋石防護的優(yōu)點是在受到水流沖擊時它具有一定的柔韌性,并且修復(fù)也相對比較容易。在洪水發(fā)生以后做一些周期性的檢查和維護就可以使它保持一個長期的使用過程。并且它允許使用較小單位的巖石和薄的拋石層。國家合作公路的研究設(shè)計項目確認部分拋石防護是墩臺沖刷防護的有效措施。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結(jié)構(gòu)等地區(qū),用來防止沖刷和侵蝕。4.墩局部沖刷防護工程措施的防護機理防沖措施護殼防護、下游石板防護、四面體排防護、