桥墩阻水会干扰河道水流, 受干扰的水流会发生三维边界层分离, 进而在桥墩上游、周围和下游形成了向

下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等组合漩涡体系。[1,2]这些典型旋涡具有很强的侵蚀作用, 不仅会造成桥

墩周围河床面的下切, 还会形成巨大的冲刷坑, 使得桥墩周围的水流结构更加复杂, 进而影响桥梁自身的

安全运营和过往船舶的通航安全。[3,4,5]为了保护桥墩免受冲刷, 通常都会采用某种工程措施对桥梁水下

基础周围的河床床面进行防护。[6,7,8]能用于桥墩局部冲刷防护的工程措施有很多种, 但截至目前, 还没

有任何一种被认为是完全行之有效的防护技术。[9,10,11,12]透水扭工字块体作为一种防波、护面、固脚

结构在海岸工程中广泛使用, 并起到了很好的效果, 但还没有关于透水扭工字块体在防护桥墩局部冲刷方

面的相关应用。本文通过群桩桥墩局部冲刷防护工程实例, 对比分析了抛石和透水扭工字块体的冲刷防护

效果, 并研究了投放密度、投放范围等参数对透水扭工字块体防护效果的影响。

1 工程概况
一横跨运河的小型桥梁始建于2000年, 并于2001年5月建成通车。该桥梁的总长度为96.5 m, 桥面净宽为

14.2 m。桥梁设置了8个群桩式桥墩作为水下基础, 桥墩均位于河槽内, 由前后两组桩群构成, 每个桩群的

长度和宽度均为4.3 m, 桩群形心相距为8.2 m, 群桩由4根直径为1.2 m的圆柱形钢筋混凝土单桩构成。群

桩顶部设置了承台, 用来支撑由钢筋混凝土T型梁构成的桥梁上部结构。经现场实际采样分析确定该桥梁桥

址断面河床泥沙的中值粒径0.52 mm, 泥沙的湿沙容重取为1.65×103kg/m3, 淤积干容重为1.43×103kg/m3

。由于桥址所在河槽断面水流的过桥流量比较大, 主通航孔两侧桥墩上游水流行近流速值最大, 20年一遇

的洪峰流量对应的流速值为1.6 m/s, 所以主通航孔两侧桥墩周围的局部冲刷情况最为严重, 且已超过一般

冲刷线并危及桥梁的安全运营。为了保证大桥的安全使用, 以往每年汛期桥梁管理部门均组织施工单位采

用抛石防护方式对桥墩周围床面进行护底防护。但由于桥址所在河床一般冲刷较为严重, 抛石之后形成的

不透水防护体系顶面经常由于一般冲刷而高于河床面并暴露于水中, 致使抛石体周围和顶部产生局部水流

集中绕流, 从而造成了更严重的冲刷和防护体系内块石被冲走。由于采用抛石方式防护桥墩局部冲刷需年

年补抛, 防护费用较高, 现改为采用既能依靠自身增强河床面抗冲能力, 又能通过杆件扰流消散水体冲刷

力的透水扭工字块体对桥墩局部冲刷进行防护, 实现了较好的冲刷防护效果。

2 冲刷防护工程防护效果分析
为了避免抛石等不透水材料构成的防护体系由于水流冲击发生块石流失, 及每年补抛所导致的后期防护工

程维护费用的逐年增加, 也为了与抛石防护体系的防护效果进行对比, 对桥梁主通航孔两侧行近流速、行

近水深等基本一致的两个桥墩分别采用了抛石防护和透水扭工字块体防护。采用抛石和透水扭工字块体防

护的桥墩局部冲刷工程施工分别完成后的一个汛期内, 对采用不同防护方式的两个桥墩上游和下游竖直对

称面内的防护工程实施区域内不同位置处的近底流速和冲淤地形进行了细致的测量。

利用抛石对桥墩进行防护时, 抛石石料选择的是小体积的块石, 块石粒径为25～35 cm, 抛石层平均厚度在

100 cm左右, 防护范围为裙装桥墩外侧至2.5倍桥墩直径处, 防护宽度约为10.75 m。利用透水扭工字块体

进行防护时, 构成透水扭工字块体的每根杆件长50 cm, 为了便于现场预制成型, 杆件横截面采用正方形,

边长为10 cm, 防护范围与抛石防护相同, 施工方式为船载随机抛投。防护工程施工完成后, 对经过一个汛

期桥墩周围地形进行了实际测量, 结果如图1所示。

 图1 采用不同防护措施时桥墩周围的冲淤地形
图1 采用不同防护措施时桥墩周围的冲淤地形   下载原图

从采用两种不同防护方式时桥墩周围水下冲淤地形可以看出, 采用透水扭工字块体防护时桥墩周围的冲刷

范围基本控制在2.0倍桥墩直径以内, 最大冲刷深度约为1.2 m, 而采用抛石防护时桥墩周围的冲刷范围已

经超过了2.5倍桥墩直径, 最大冲刷深度约为6.6 m, 由此可见, 透水扭工字块体的防护效果不仅优于抛石

防护, 而且能使桥墩周围的最大冲刷深度有效削减80%多。

通过汛期典型洪水事件对桥墩周围水下地形开展的实施监测结果也表明, 抛石防护时桥墩上游和两侧的冲

刷范围均大于2.5倍桥墩直径, 这主要是由于桥址断面处的一般冲刷和收缩性冲刷导致抛石体系顶面高于河

床面, 不透水的抛石防护体系自身成为一个直径更大的淹没式的桥墩, 在抛石防护体系周围水流三维边界

层分离的程度更大, 也使桥墩周围旋涡体系的强度增大。比如桥墩上游向下水流强度增大, 使得抛石防护

时出现在桥墩迎水面处的最大冲刷深度达6.2 m。再比如抛石体系两侧马蹄形旋涡强度增大在短时间内就形

成较深的冲沟, 冲沟的迅速形成和发展又使得绕流和螺旋流的强度不断加大, 冲沟进而不断扩大、不断加

深, 最终导致了抛石防护体系内块石的翻滚、脱落和流失。

为了更深入地揭示透水扭工字块体的防护效果, 防护工程施工完成后, 在汛期典型洪水事件中还对采用透

水扭工字块体防护时桥墩上下游近底流速、桥墩周围水下冲淤地形进行了实时监测。监测结果表明, 由于

自身的透水能力允许部分水流穿越防护体系, 在此过程中构成透水扭工字块体的杆件就对水流产生了干扰

作用, 这种干扰不仅能够使得水流的紊动能量在很大程度上得到消耗, 也使得行近水流的流速被有效削减

60%, 致使防护体系内部的近底流速小于河床泥沙的起动流速, 保证了河床床面泥沙不被冲走, 也使得上游

水流带来的泥沙部分落淤在防护体系内部。

在对比研究抛石防护和透水扭工字块体防护效果的同时, 还对透水扭工字块体投放密度、投放范围和防护

效果之间的关系进行了初步的研究, 结果表明透水架体防护效果随着投放密度的增加而增大, 防护工程施

工完成时, 块体的投放密度为2.2个/m2, 此时实地测量发现透水扭工字块体能够削减行近流速50%左右, 而

在洪峰流量通过时, 通过加大桥墩周围1.0 m范围内的投放密度到3.6个/m2, 防护范围内的近底流速削减最

大达到81.3%, 而投放范围大于2.5倍桥墩直径之后, 对防护效果的影响较小, 只是对防护体系的边缘破坏

有一定程度的抑制作用。

3 结束语
透水扭工字块体重量较大、重心较低、结构稳定性较好, 不会因水流冲积出现翻滚、流失而改变防护体系

的整体防护效果, 非常适用于桥梁水下基础冲刷防护。本文对施工完成后的一个汛期内若干个典型洪水事

件中透水扭工字块体的防护效果研究表明, 与传统的抛石防护方式不同, 透水扭工字块体能在一定程度上

允许水流穿越, 进而能够有效削减行近水流的冲刷力, 实现较好的防护效果。