潮流作用下桥墩局部冲刷研究
圆柱桥墩局部冲刷机理试验研究
７ ２０ ； ．长 安大 学 公 路学 院 ，陕 西 西安 １ １０ ２
摘 要 ：为进 一步探索 圆柱桥墩局部 冲刷机理 ， 分别从 桥墩 附近水 流流速分布特性 、 桥墩冲刷特性 以及 冲刷 与流
速相互 关系对 圆柱桥墩顺 水流 向不 同布 置方式 的局 部冲刷水 力学特 征进行 了模型试验 研究． 结果表 明 ： 两排 １ ０桥墩顺水流 （ 桥墩轴 向与水流方 向夹角分别为 ９ 。 ６ 。 ３ 。 ０ ） ０ ， ０ ， ０ ， 。 均匀布置时 ， 桥墩轴 向与流 向夹角越小 ， 流 速在桥墩上下游紊动越小 ， 对下游影 响范 围越大 ， 且流速 越大 ， 冲刷深度 和范 围越 大． 水流布 置 ０ 夹角 时， 顺 。 冲 刷程度最小 ， 在相同流量下 ， 冲刷稳定历时最短 ； 垂直布置 （Ｏ 夹角 ） ， ９。 时 冲刷程 度最严重 ， 所需冲刷稳 定历时最 长， 且随着流量的增大 ， 桥墩墩前 冲刷坑最深位置逐渐向水槽 中间偏移 ．
第 ２期
张新燕 ， ： 等 圆柱桥墩局部冲刷机理试 验研 究
３ ５
１ 试 验 装 置及 方案
１ １ 试验装 置 ．
试 验采 用矩 形直线 开放 水槽 ， 水槽 长 １００ｃ 宽 １０ｃ 高 ６ ｍ， 配 有 独立 的供 回水 系 统 ， ０ ｍ， ５ ｍ， ０ｃ 并 上游 进
口端装 有进 水 阀门 、 流栅 和 电磁 流量计 ， 游 出 口端装 有尾 门 ， 整 下 以调节 水槽 中流量 和水 深 ． 槽上 游 ３ｍ为 水
了试 验研 究 和数值模 拟研 究 ， 现在 圆柱 桥墩 的高径 比小 于 ２时 ， 前停 滞点 的 冲深 和 圆柱 高径 比无 关 ； 发 墩 随
着 墩参 数增 大 ， 冲深和 墩高增 长速 率 随之 增 大． 以上研究 多集 中于单个 桥墩情 况 ， 于群 桩桥 墩 的研 究 较少 ， 对 以致 影 响到理 论 模 型 的建 立 和实 际应 用 ，
桥墩局部冲刷的机理及防护措施_2
桥墩局部冲刷的机理及防护措施发布时间：2022-09-25T06:05:04.553Z 来源：《中国科技信息》2022年第33卷10期作者：刘港庆1[导读] 桥墩属桥梁基础部分，其整体稳定性与可靠性直接影响着桥梁质量。
但是桥梁在实际使用过程中，刘港庆1(1. 重庆交通大学河海学院，重庆 400041)摘要：桥墩属桥梁基础部分，其整体稳定性与可靠性直接影响着桥梁质量。
但是桥梁在实际使用过程中，桥墩必然会受到水流的冲刷，从而使其功能与性能受到影响，甚至会出现结构受损的情况。
本文阐述桥墩局部冲刷的研究现状、机理，总结了局部冲刷的研究方法内容和相关防护措施，为今后对于桥墩局部冲刷的研究提供参考。
关键词：桥墩局部冲刷；机理；防护措施桥墩在桥梁建筑物中起着一个支承桥跨结构的作用。
但桥墩的涉水部分必然会导致泥沙与水流产生相互作用，进而影响桥梁建筑物本身的安全与稳定。
对桥梁桥墩局部冲刷的机理研究和防护措施的采取是保证桥梁安全运行的必要手段。
我们必须足够重视桥墩局部冲刷的机理以及防护措施。
1、研究现状由于桥墩的阻碍作用，水流会在桥墩周围产生涡流而引起冲刷现象。
按照冲刷的水流现象，一般将冲刷分为：单向流冲刷；潮汐往复流冲刷；潮汐河口混合水流冲刷。
但我们普遍研究单向流作用下引起的桥墩局部冲刷。
经过一个世纪的国内外学者的研究，对于单向流作用下的桥墩局部冲刷问题已经取得相对成熟的研究结果[1]。
从以前的基于小缩尺比的水槽实验到现在的流体动力学模拟，方法在不断的发展。
中国学者刘振卿在CFD计算软件Fluent中使用标准K-ε湍流模型对圆柱形墩的周围三维复杂场做了数值模拟方法[2]；Jain等人提出了桥墩局部冲刷的计算公式；高冬光等学者也提出了较为代表性的与桥墩局部冲刷相关的公式[3]。
张胡等人建立FLOW-3D洪流共同作用下的三维桥墩冲刷及防护数学模型[4]；卢中一等人采用正态冲刷模型的研究成果应用于桥墩的冲刷和防护[5]；梁森栋等人运用HEC-18公式研究复合桥墩的冲刷[6]。
强潮地区桥墩局部冲刷模型验证方法_省略_州湾跨海大桥桥墩局部冲刷研究为例_姜小俊
h
0. 193
d 50
0. 167
,
( 3)
其中 , k 1 为基础桩平面布置系数 , 条带型 k 1 = 1 , 梅 花型 k 1 = 0 . 862 ; k 2 为基础桩垂直布置系数 , 直桩 k 2 =1 . 0 , 斜桩 k 2 = 1 . 176 .
2 实测方案制定及实施
2. 1 实测方案制定 实测方案主要目的是获取用于验证公式( 2) 的 桥墩局部冲刷数据 , 内容主要包括桥墩局部地形资
hb = a0 B 1 d 50 2 F r a3 , ( 1) h h h u 其中 , F r = , 根据实验数据进行多元回归分析 gh 确定参数后[ 6] , 得到 hb B = 17 . 4 h h
0. 326
d 50 h u
0. 628
0. 167
. 628 F0 r .
( 2)
实际应用中公式( 2) 可以简化为 hb = 8 . 48k 1 k 2 B
第 37 卷第 1 期 2010 年 1 月
浙 江 大 学 学 报( 理学版) Journal of Zhej iang University ( Science Edition) http: / / www . journals . zju . edu . cn / sci
Vol . 37 No . 1 Jan . 2010
图 2 桥墩局部冲刷实测方案图 F ig . 2 Scheme map fo r the actual data acquisitio n of the pier local sco ur
DOI :10 . 3785/ j . issn . 1008 -9497 . 2010 . 01 . 024
桥墩局部冲刷的机理及防护措施
桥墩局部冲刷的机理及防护措施摘要：作为拥有多种复杂地形的人口大国，建设桥梁无疑是方便交通的不二选择。
桥墩对于桥梁的安全至关重要。
桥墩如果在河道中进行建设，其附近的水流形态将会发生很大变化，继而引起河床与桥墩的局部冲刷，对河道通航与桥梁安全等可能产生不利影响。
探讨并总结了桥墩局部冲刷的机理问题，介绍几种使用较为广泛的防护措施，比较其各自特点，从不同的为桥墩局部冲刷研究提供新的思路。
关键词：桥墩；局部冲刷；机理；防护措施1冲刷现象在河道中建桥后,河床的冲刷过程非常复杂。
既有河床自然演变引起的冲刷,也有桥墩建设引起的一般冲刷和局部冲刷,桥墩冲刷是河床自然冲刷、桥墩一般冲刷及桥墩局部冲刷互相叠加的结果。
河床在水力作用及泥沙运动等因素影响下自然形成的冲刷现象, 称为自然冲刷。
桥墩压实河道过水断面,引起桥下河床全断面发生的冲刷现象,称为桥墩一般冲刷。
水流受桥墩阻挡,流速、流向发生改变,产生漩涡,在桥墩周边局部造成的冲刷,称为桥墩局部冲刷。
2冲刷机理2.1引起桥墩局部冲刷的原因关于引起桥墩局部冲刷的原因，众多研究成果表明只要为以下三种：①墩前下降水流的冲击；②桥墩漩涡体系的作用；③桥墩对桥下水流的压缩作用。
Kwan 研究认为桥墩局部冲刷是由墩前下降水流和马蹄形漩涡共同作用导致的；Dargahi通过试验研究冲刷坑的发展过程发现马蹄形漩涡、墩两侧的集中加速水流和下游的尾流漩涡是引起局部冲刷的主要原因；张显辉[8]则认为是由于桥墩对水流的压缩作用使得墩前下降水流和墩侧水流加速区的形成，而此两者的共同作用导致了马蹄形漩涡的形成，三者之间相互作用共同影响。
2.2局部冲刷坑演变过程当桥墩阻挡水流时，桥墩周围复杂的三维水流结构会导致墩周产生局部冲刷坑，对于桥墩局部冲刷坑演变过程的研究，赵凯[9]和向琪芪[10]也将冲刷坑的演变过程分为三个阶段：①起始阶段，冲刷坑发展迅速，其最大深度能达到最大平衡冲深的四分之三；②发展阶段，冲刷坑范围和深度仍在不断增大，但发展趋势较起始阶段有所减缓；③平衡阶段，冲刷坑发展极其缓慢，可认为冲刷坑几乎不再发展，达到平衡状态。
东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究
世界桥梁2019年第47卷第4期（总第200期）17东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究陈述（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430052）摘要：受长江、钱塘江来水来沙和人类活动的影响，东海大桥所在水域海床发生普遍冲刷，桥墩周围发生较大局部冲刷$为防止海床进一步冲深，保证该桥运营安全，对桥墩基础冲刷防护方案进行研究$根据自然条件和工程特点，主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案；采用失效风险方法进行比选，确定周边防护区采用复合材料勾连体的防护方案$以该桥某桥墩为例，依据相关规范和研究成果，提出桥墩基础具体冲刷防护方案，开展先导性物理模型试验，依据试验结果及工程实际对防护方案进行优化$结果表明：铺设3层复合材料勾连体时防护结构整体稳定性更强，防护区内形成淤积，促进了防护体与海床的结合，对主体防护区稳定起到积极作用；优化后的防护方案总体能够满足桥墩基础冲刷防护要求$关键词：东海大桥；桥墩!冲刷；复合材料勾连体；先导性物理模型试验；防护方案中图分类号：U443.2；U442.32文献标志码：A文章编号：1671—7767（2019）04—0017—051引言在需要跨越河流、河口甚至海湾建设桥梁时，桥梁基础受到水流、波浪和潮汐等综合作用，桥墩局部冲刷情况变得非常复杂）12$研究表明，海洋环境中的桥墩局部冲刷机理、冲刷坑形态和冲刷过程与径流作用时有较大区别，最大冲刷深度预测难度较大$韩海骞等3认为径流较潮流条件下的桥墩冲刷深度减少20%〜30%，且最大冲刷深度位置变化较大；Han等4研究表明，最强动力条件一致时，潮汐往复流与径流条件下的最大冲刷深度基本一致，但达到冲刷平衡时间更长；Qi等5发现由波浪引起的向上渗流可能会削弱周围沙土的单位浮力，使砂层更容易受到冲刷$针对跨越河流的桥梁基础冲刷防护，戴荣尧等］6对实测数据和试验资料进行分析，在确定水流底部漩辐影响范围的前提下，建立了局部冲刷防护范围计算公式；蒋焕章7通过试验研究了局部冲刷坑在墩头前缘和两侧的宽度计算，提出了局部冲刷防护范围计算公式$上述成果可作为研究跨海桥梁基础冲刷防护范围的参考$针对桥梁基础局部冲刷防护措施，Chiew等8按防护机理将其分为2类，一类是采用增加周边床面抗冲能力的防护措施进行防护，另一类是减小水流冲刷力的工程措施达到防护目的$Tafarojnoruz 等9研究发现，防护措施不当甚至可能造成负面效果$高正荣等）10*、贾界峰等⑴*及樊俊生通过对苏通大桥防护方案研究，提出拋投袋装沙作预防护和运用下沉护坦原理作为冲刷防护设计理念，以及平面设计分区方法和纵向分层防护结构$近年来，国内外的研究者提出了一些新的空间透水框架防护结构，如房世龙等）13*在对传统防护工程措施进行优缺点比较的基础上，着重对四面体透水框架群防护方法进行了介绍;魏祥等）14*在对国内外岸滩防护工程调研基础上，通过模型试验对勾连体基本结构特性进行系列研究，认为勾连体铺设2层以上时整体勾连效果显著，孔隙率能够达到90%以上$目前，拋石防护因其取材便利、施工简单、造价较低等特点，在跨越河流的桥梁基础局部冲刷防护工程中得到了较广泛的应用，但适用于具备深水、强浪、潮汐、腐蚀等特征的跨海桥梁基础的局部冲刷防护措施则相对少见$本文在对国内外研究成果整理分析的基础上，结合东海大桥工程海域自然条件和防护工程特点，对桥墩基础冲刷防护方案进行研究$2工程概况东海大桥建于2005年，起始于上海浦东新区芦潮港，至浙江省嵊泗县小洋山岛，全长约32.5km，是我国第一座跨海大桥$桥梁下部为高桩承台结构,桩基为PHC管桩和钢管桩$大桥所在海床属于长江口水下三角洲南翼向海延伸部分，地质以粘土质粉砂和粉砂质粘土为主，中值粒径在0.004〜0.018mm之间$根据验潮站和实测资料分析，该收稿日期2018—11—05作者简介:陈述（1983—），男，高级工程师,2004年毕业于武汉大学港口海岸及治河工程专业，获学士学位（E-mail chens@）$18世界桥梁2019,47(4)海域潮汐属非正规浅海半日潮，多年平均潮差约为3m,大潮垂线平均流速可达2m/s,受台风影响最大波高可达7m,平均含沙量约1.0kg/m3$大桥既受潮汐、波浪的影响，同时还受钱塘江和长江径流下泄以及人类活动的影响，海域床面冲刷严重$ 2002年至今，大桥管理单位组织对大桥桥墩的海床进行了9次扫描，经分析,大部分桥梁基础周围出现了明显的冲刷现象，桥墩处普遍冲深在5〜10 m（见图1）$为防止桥墩处海床面冲刷进一步发展而影响到大桥整体结构安全，需尽快实施东海大桥冲刷防护工程$3桥墩基础冲刷防护方案比选桥墩冲刷防护类型种类繁多，根据该工程自然条件和防护要求，结合类似防护工程经验）15*,认为通过铺设护底材料增加桥梁基础周围海床的抗冲能力，同时降低水流流速以减小床沙淘刷的防护思路是合理的$考虑到在冲刷坑抛填时应避免施工过程中对桥梁桩基和牺牲阳极块产生损坏等因素，保证工程实施的安全性和可行性，推荐冲刷坑主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案$复合材料勾连体系是一种开放式空间框架结构，由复合材料圆管灌注混凝土而成，耐腐蚀、受力、透水性能好，在群体勾连状态下防护结构整体稳定性强$采用失效风险（Failure Risk,简称FR）方法，对于周边防护区的防护措施，引进复合材料勾连体防护，对周边防护区采用复合材料勾连体与抛石防护进行比较（见表1）$桥墩编号（a）大桥西侧桥墩编号（b）大桥东侧图1东海大桥冲刷现状表1抛石防护和复合材料勾连体防护比较防护类型水毁方式剪切破坏抛石防护卷扬破坏边缘破坏复合材料勾连体整体溃败水毁影响抛石被水流冲走泥沙通过抛石之间的空隙被冲走抛石层边缘失稳防护体被冲散，失去整体勾连性,个体发生位移监测方法抛石位置移动抛石下方存在淘刷空间抛石位置移动勾连体的位置发生移动维护手段扩大抛石范围或者增加抛石厚度优化级配采用土工织布作为滤层在抛石边缘设置护坦增加单个构件自重、优化杆件受力性能或增加单位面积勾连体数量防护工程成功与否主要与防护类型水毁可能性、水毁后的影响（包括生命安全与经济损失）、监测难易及维护成本等有关$防护工程的失效风险主要从防护失效造成的结果、防护失效发生的概率及监测的难度3个方面进行评价$对不同影响因素的敏感性进行赋值，各因素的敏感性按等级分为1〜10,其中防护失效造成的结果按照影响较小、适中、中高和高分为4个风险等级，取值分别为1、4、7和10；防护失效发生的概率按照不可能、可能性小、可能和可能性大分为5个等级，取值分别为2、4、6、8、10；监测难度按照简单、一般、较难和困难分为4个等级，取值分别为1、4、7和10$其值越小则防护工程水毁的风险越小，反之亦然$定义FR为防护工程的失效风险「9*,即：FR$%（X1&2，…，X Q（1）式中，X1&2，…，X”为防护类型的各影响因素$抛石防护相比复合材料勾连体防护可能会带来更高的运营维护成本，且抛石防护的整体性相对较差，工程量相对较大）16*$结合环保方面要求，抛石防护失效造成的结果赋值大于复合材料勾连体防护，分别为7与4；对于失效发生概率，抛石防护与复合材料勾连体防护分别赋值6与4；对于监测难度，抛石防护涉及到底部淘刷泥沙的问题，需要泥沙取样分析,监测难度较大，抛石防护与复合材料勾连东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究陈述19体防护分别赋值为7与4。
冲刷作用下桥墩结构体系的有限元计算
冲刷作用下桥墩结构体系的有限元计算下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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桥墩和桥台一般及局部冲刷原理及计算公式
四. 行近流速和行近水深 假定局部冲刷是在一般冲刷完成后进行的，应取一般冲刷后最 大水深作为行近水深和一般冲刷后垂线平均流速作为行近流速。 按输沙平衡原理计算一般冲刷时，行近流速的计算可近似采用 下式：
第五节 桥台冲刷
一 桥台绕流的水流结构
桥台附近水流构成： 主流区A； 下游回流区； 上游滞留区。
2 上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径的变化
流量大，挟砂能力强，泥沙颗粒也大，对河床冲刷严重， 变形快。
3 河床地质、土质条件、河床比降为河床演变提供边界条 件。
三 河相关系
造床流量—河床形态是在无数次洪水过程中、水沙相互作用下 连续演变的结果。为研究河相关系，人们引入“一个与多年连续 造床作用相当的某个流量数值”。 在桥梁工程中，取与河滩水位齐平时的河槽流量作为造床流量。
单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度(cm/s)。
二、 泥沙的运动 泥沙的起动—在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动。 起动流速---床面泥沙颗粒在各种外力作用下，失去平衡，泥
沙开始运动时的水流垂线上的平均流速 。
0
0
张瑞瑾起动流速公式：
0
(h d
)0.14 (29d
10 h 0.000000605 d 0.72
起冲流速
起动流速
1964年，桥渡冲刷学术会议为了制定桥渡局部冲刷公式，假定：
清水冲刷
冲刷深度hb 随行近流速 直线增加；动床冲刷
冲刷深度h b随行近流速 呈下凹曲线形式增大；在
处这两种状态是连续的。
二. 65-2公式和65-2修正公式 1.65-2公式
---墩形系数，见表6-4-1
---计算墩宽
泥沙类型
悬移质 推移质 床沙
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发表时间：2016-06-13T16:10:28.820Z 来源：《工程建设标准化》2016年3月总第208期作者：王新君[导读] 我国各个城市都非常重视桥梁建设的工程发展并且投资了大量人力物力以及财力来支持我国桥梁工程的建设发展。
王新君（山东省滨州公路工程总公司，山东，滨州，256600）【摘要】随着时代的进步，社会的发展，人们的生活水平越来越高，我国社会经济的发展越来越迅猛，与此同时，我国交通事业的发展也如日中天，尤其是桥梁的发展，本文就传统桥墩局部冲刷防护工程特性研究以及桥墩周围四面体透水框架防护进行了简要分析，并且就此提出了加强桥墩局部冲刷防护工程的应用的具体措施，希望对加强我国桥墩局部冲刷防护工程能够有所帮助。
【关键词】桥墩；局部冲刷防护；工程特性；改革开放以来，为了加快城市化建设的步伐，我国各个城市都非常重视桥梁建设的工程发展并且投资了大量人力物力以及财力来支持我国桥梁工程的建设发展，但是由于很多方面的因素，如今我国桥梁建设在技术方面还是存在很多问题，这些问题直接影响了桥梁建设的正常发展，所以，我们应该加强桥梁建设的施工技术研究，加强桥梁建设技术的进一步发展。
1．传统桥墩局部冲刷防护工程特性研究1.1从实体抗冲防护角度分析1.1.1抛石防护抛石防护主要是一种桥墩防护工程措施，抛石防护有两个工作原理，其一是抛石对床沙有保护作用，可以有效增加床沙启动或者扬动需要的流速，其二就是抛石可以在很大程度上增加桥墩附近局部糙率，可以有效减小桥墩附近流速。
一直以来，相关工作人员对抛石层布设厚度的研究并不是很多，一般情况下，桥墩抛石至少为两层，专家研究得出了具体的结论，就是三十层。
抛石层越厚，桥墩整体性越好，相对开说防护效果也就越好。
还有专家人为抛石层的厚度至少要达到抛石粒径的3倍，但是，如果墩前行近流速为临界摩阻流速的2.5倍左右时，抛石层布设厚度的影响就可以忽略不计。
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— — １ ． ５ ０ ２ ． ０ ０ ２ ． ５ ０ ０ ． ６ ０ ０ ． ８ ０ １ ． ０ ０ — — —
注： 涨落潮历时划分以潮流过程为依据
３ 试验成果与分析 ３ １ 桥墩局部冲刷机理分析 桥墩冲刷坑的形成、 发展， 到最后基本平衡的过程取决
１ ５ ］ 于有效输沙量的变化 ［ 。恒定流作用下， 墩前行近水流和
２ ６
达到相对稳定时的最大冲深值愈大。流速值为 ２ ５ｍ／ ｓ 的 试验冲坑形态见图 ３ ， 墩前行近水流和下压水流形成的穿桩 水流在近迎水面前列桩造成的旋涡和掀沙最为严重， 之后随 着桩体阻力作用水流速度逐渐减小， 上游桩柱间冲刷起来的 泥沙及河床搬运的泥沙被源源不断的输送到桥墩下游， 同时 桥墩下游两侧旋涡相汇， 存在明显的流速减缓区域， 桥墩后 水流的输沙能力远远小于桥墩两侧水流的输沙能力， 因而在 墩后一定范围内形成较为明显的泥沙淤积带。
图２ 群桩局部冲刷最大冲深发展过程（ 恒定流）
图４ 群桩局部冲刷最大冲深发展过程（ 基础潮型）
图３ 群桩局部冲刷形态（ 恒定流 ２ ５ ０ｍ／ ｓ ） 图５ 群桩局部冲刷形态（ 基础潮型 ２ ５ ０Ｔ）
２ ７
冲刷坑深度呈持续增加的态势， 增加幅度逐渐减小， 可见反 向流造成的泥沙回填并未影响最大冲深值。 ２ ５ ０ Ｔ潮型试验冲坑形态见图 ５ ， 双向流作用下群桩上 下游端均形成冲深明显区， 群桩两侧区域无论涨潮还是落潮 都是处于冲刷的状态， 所以该区域冲刷深度持续增大， 顺涨、 落潮流方向形成冲刷坑， 群桩上、 下游均形成较为明显的泥 沙淤积带。 ３ ． ２ ． ３ 潮型变形 潮型变形主要体现在落潮历时的延长、 涨急流速的减小 和潮差的减小， 可反映出潮汐由河口向上游河道传播过程的 变化情况， 而恒定流可以看作是持续落潮且潮差为零的极限 潮流状态。通过潮型向恒定流趋势的变形， 可观测恒定流与 潮流作用下冲坑发展过程的区别和联系。由图 ６可见， ２ ０ Ｔ 为涨落潮历时相等的潮型， 冲刷坑发展后期， 冲坑深度增长 速率很慢， 冲坑加深不明显； ２ ０Ａ 落潮历时延长为 ８ｈ ， ２ ０Ｂ 整个潮周期均为落潮流过程， 落潮有效流速的有效作用时间 依次增加， 冲坑的发展速率和最终深度也随之增大， 逐渐与 恒定流作用下的冲坑发展过程线靠近。涨落潮历时决定了 冲坑的发展的速率和达到最大冲深的可能性， 水流的有效作 用时间过短时， 冲坑发展到一定程度后冲刷速率变的很小， 冲坑深度变化缓慢， 冲刷达到平衡需要更长的时间， 很难达 到理论最大冲深， 从而出现冲坑折减系数小于 １的情况。
３ ． ２ ． ２ 基础潮型 不同涨落急流速条件下桥墩局部冲刷深度的发展过程 见图 ４ ， 较１ ５ ０ Ｔ的潮型， ２ ０ ０ Ｔ的潮型冲坑发展的快， 冲刷 坑达到相对稳定所需的时间短， 冲坑达到相对稳定时的最大 冲深值大。对于 ２ ５ ０Ｔ， 经承台群桩消能后的落（ 涨） 潮流 流速较大， 仍能对下（ 上） 游冲刷坑产生影响， 主要体现在落 淤承台中部河床的泥沙在反向流的作用下回填至冲刷坑内， 冲刷坑深度在反复冲淤的过程中逐渐加深。反向流引起的 泥沙回填导致冲刷坑形成较慢， 冲刷达到平衡需要更长的时 间。随着冲刷的继续发展， 承台中部河床的沙丘被水流不断 拉平， 并逐渐推向下游， 故反向流带来的泥沙回填效应逐渐 减弱， 冲坑深度冲淤变化幅度逐渐减小， 至冲刷坑发展后期，
沙和细粉砂， 若选择的模型沙粒径过细， 试验过程中模型沙 容易密实和板结。本次研究采用经过处理的株洲精煤屑作
３ 为模型沙， 容重 １ ３ ５ｔ ／ ｍ ， 中值粒径为 ０ ５ｍ ｍ ， 模型沙铺设
工艺简便， 水下扰动不会密实， 长期浸水亦不会板结， 能够满 足泥沙试验重复性的要求。该 模 型 沙 在 水 深 为 ５～１ ５ｃ ｍ 时， 起动流速为 １ ０ ３ １～ １ １ ３ ０ｃ ｍ／ ｓ ， 相当于中值粒径为 ０ ２ ５ ｍ ｍ的原型沙。
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ｉ ｓ ｓ ｎ １ ０ ０ １ ９ ２ ３ ５ ２ ０ １ ４ ０ ３ ０ ０ ８ ２ ０ １ ４年第 ３期·Ｐ Ｅ Ａ Ｒ ＬＲ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ 人民珠江
潮流作用下桥墩局部冲刷研究
王建平， 邢方亮， 穆守胜
下压水流形成“ 穿桩水流” ， 穿桩水流在近迎水面前列桩流速 最大， 旋涡和掀沙最为严重， 当水流剪切应力大于泥沙起动 时的临界剪切应力时， 桩周泥沙开始起动， 一部分被带向下 游掩护区内形成沙埂， 另一部分泥沙则被主流带走， 冲刷坑 的范围在冲刷开始后很快成形并在较短时间内趋于稳定。 随着时间的推移， 下游淤积体体积在逐渐增大， 导致阻力增 大， 输沙能力逐渐减弱， 加上冲刷坑的冲刷深度和范围逐渐 增加， 使得坑内泥沙越来越难于搬运出坑外， 仅在冲刷坑内 进行局部调整， 直至达到平衡冲刷深度。而潮汐水流仅在某 一短暂时段流速达到极大值， 大部分时间小于该值， 加上涨 落潮若干时段内憩流的影响， 床面泥沙处于起动、 输移的有 效时间大大短于恒定流条件下的时间， 潮流过程中的有效冲 刷流速和有效冲刷时间减小， 有效输沙量随之减小， 有些水 文条件在反向流作用下会造成泥沙回淤， 都会使冲刷达到平 衡需要更长的时间。 ３ ２ 群桩局部冲刷最大冲深发展过程 ３ ． ２ ． １ 恒定流 ， 流 恒定流条件下桥墩局部冲刷深度的发展过程见图 ２ 图１ 试验水流条件 速值分别为 １ ５ 、 ２ ０和 ２ ５ｍ／ ｓ 。由图可见， 流速值越大， 冲 坑发展的越快， 冲刷坑达到相对稳定所需的时间越短， 冲坑
（ 珠江水利科学研究院， 广东 摘 广州 ５ １ ０ ６ １ １ ） 要： 为明确潮流与恒定流条件下桥墩局部冲刷深度的关系， 通过长时间序列潮流作用下桥墩的局部冲刷试验，
观测不同特征参数的潮流条件下桥墩局部冲刷最深点的发展趋势， 分析往复流造成的冲刷坑内泥沙反复冲淤对冲 刷坑发展过程的影响， 涨落潮最大流速和历时决定了冲坑的发展的速率和达到最大冲深的可能性， 在潮流速度值 较大或历时占优的情况下， 将取得与恒定流一致的局部最大冲深。 关键词： 局部冲刷； 桥墩； 潮流； 模型； 试验 中图分类号： Ｔ Ｖ ６ ９ ８ ． １＋ ７ 文献标识码： Ａ 文章编号： １ ０ ０ １ ９ ２ ３ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ ０ ０ ２ ５ ０ ５ １ 研究背景 桥墩周围河床的局部冲刷受水流状态、 桥墩墩形、 床沙 组成、 河床形态等因素共同影响， 最大冲刷深度直接威胁着
３ － ６ ］ 极限工况的恒定流试验 ［ ， 少数情况针对具体工程进行非 ７ － １ ２ ］ 恒定流试验 ［ ， 但对潮流作用下桥墩局部冲刷坑的发展过
程和最大深度存在分歧。以涨落潮最大流速与恒定流平均 流速相一致为对比条件， 一种观点认为在反向流作用下， 冲 坑内泥沙冲淤反复， 导致最大冲刷深度要小于恒定流作用下 的最大冲刷深度； 另一种观点认为一个潮周期内小流速和憩 流时段较长， 水流的有效作用时间和有效作用流速减小， 导 致冲刷坑形成较慢， 在冲刷未达到平衡状态之前， 观测到的 最大冲刷深度要小于恒定流作用下的最大冲刷深度， 而两者 最终变化规律和趋势是一致的。 ２ 模型设计与制作 ２ １ 模型设计 试验在长 ３ ５ｍ 、 宽 ２ｍ的水槽中进行， 由于悬移质对桥 墩局部冲刷影响很小， 动床模型只考虑床沙。模型平面比尺 为１ ０ ０ ， 采用正态模型， 按照重力相似准则与几何相似准则设 计， 以满足水流运动相似和泥沙运动相似。桥墩型式采用潮 汐河段和海港地区常见的带有承台的群桩， 桩群为梅花形排 列， 承台为哑铃形， 试验时桩群上部的承台始终处于水流的 作用中。 本模型采用多台水泵变频调速闭环水位控制系统， 系统 根据给定的流量或水面过程线调控变频器的输出频率， 调节
表１ 试验水流条件 水文 落急流速 ／涨急流速 ／ 潮差 ／ 落潮历
－ １ － １ 组合 （ ｍ ·ｓ ）（ ｍ ·ｓ ） １ ． ５ １ ． ５ ０ —
涨潮历 ｈ 时／ ０ ． ０ ０ ０ ． ０ ０ ０ ． ０ ０ ６ ． ２ ５ ６ ． ２ ５ ６ ． ２ ５ ４ ． ５ ０ ４ ． ５ ０ ４ ． ５ ０ ０ ． ０ ０ ０ ． ０ ０ ０ ． ０ ０
ｍ ０ ０ ０ ３ ３ ３ ２ ２ ２ １ ． ２ １ ． ２ １ ． ２
ｈ 时／ ２ ５ ． ０ ０ ２ ５ ． ０ ０ ２ ５ ． ０ ０ ６ ． ２ ５ ６ ． ２ ５ ６ ． ２ ５ ８ ． ０ ０ ８ ． ０ ０ ８ ． ０ ０ １ ２ ． ５ ０ １ ２ ． ５ ０ １ ２ ． ５ ０
备注 恒 定 流 基础 潮型 潮型 Nhomakorabea变形 Ａ 潮型 变形 Ｂ
收稿日期： ２ ０ １ ３ １ ２ ３ １ 作者简介： 王建平， 男， 河南武涉人， 主要从事水力学、 环境工程方面工作。
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２ ３ 试验水流条件概化 中国沿海的潮波在传播过程中， 因受到柯氏力和复杂的 海底地形以及曲折岸线的影响致使中国海湾的潮汐具有潮 汐类型多、 潮差变化明显和潮汐不等现象显著等基本特征。 潮波进入河口后， 在河床变形和摩擦效应以及上游下泄径流 的影响下， 形成了河口湾和过渡段复杂而又独特的潮汐现 象， 因此在进行研究时需对潮汐水流条件进行概化。 现有研究成果表明对冲刷起决定作用的是流速过程变 化及其峰值大小， 因此水流条件概化只考虑流速峰值和过程 的影响， 主要遵循以下原则： ａ ）全日潮在一个潮周期内只有一次涨落， 有效流速的 有效作用时间较长， 更有利于桥墩局部冲刷坑的发展， 故只 进行半日潮的相关试验。
［ １ ３ － １ ４ ］ 中值粒径约 ０ ０ ４ ９ｍ ｍ 。综上， 各大河口河床质多为细
下简称《 规范》 ） 推荐了径流河道中桥墩冲刷的计算方法， 随 着国家路网的发展和公路设计水平的提高， 公路已延伸至潮 汐河道和近海海港， 现行《 规范》 中的相关内容已不能满足实 际使用要求。 对于潮流作用下桥墩局部冲刷问题， 多数情况下概化为
ｂ ）因不规则半日潮中的小涨小落流速值较小， 且对最大 冲深不起决定性作用， 故概化为规则半日潮， 作为基础潮型。 ｃ ）基础潮型的潮流过程和潮位过程概化为正、 余弦曲 线， 涨落潮历时对等， 仅考虑不同的涨落急流速。 ｄ ）基础潮型向恒定流的趋势进行两次变形， 保持落急 流速不变， 逐渐加大落潮历时， 减小涨急流速和潮差。 据此给出概化后的水流条件见表 １ ， 为节省篇幅， 图 １只 给出了落急流速 ２ ０ｍ／ ｓ 的潮型过程。