CN108867343B - 一种桥墩或丁坝头部局部冲刷的散粒体防护结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种局部冲刷的散粒体防护结构及施工方法，该防护结构主要运用在桥墩及丁坝头部局部冲刷防护方面。对于桥墩局部冲刷防护，该结构为铺设在桥墩周围河床上的圆环形散粒体砂砾层；对于丁坝头部局部冲刷防护，该结构为铺设在丁坝周围河床上的U形环状散粒体砂砾层。砂砾的粒径为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙中值粒径的数倍。施工方法如下：1、确定潮流稳定条件下的施工位置。2、在指定河床上从下游到上游依次铺设砂砾，首先在桥墩及丁坝周围0‑6m范围内铺设1.5‑2.5m的砂砾，然后按坡比1:3铺设***。本发明利用桥墩及丁坝头部局部冲刷机制，在桥墩及丁坝头部冲刷坑未达到平衡时在其周围铺设一定厚度和范围的砂砾层，从而良好的抑制局部冲刷。

Description

一种桥墩或丁坝头部局部冲刷的散粒体防护结构及其施工 方法

技术领域

本发明属于桥墩及丁坝头部防护领域，具体涉及一种桥墩及丁坝头部局部冲刷的散粒体防护结构及其施工方法。

背景技术

大桥桥墩及丁坝头部周围的局部冲刷是一个不可避免的问题。在河流中，桥墩及丁坝的存在将改变其附近的水流结构，使得桥墩及丁坝头部周围湍动加强，在桥墩及丁坝头部周围产生尺度较大的漩涡体系，漩涡的中心形成负压吸起床面的泥沙带入下游，引起桥墩及丁坝头部周围床面的冲刷。历史经验表明，冲刷对结构物的稳定性将造成巨大的威胁。

理论上可以将水流与桥墩的冲刷作用分为三个部分：(1)前进水流漩涡，主要是指前进的水流遇到障碍物产生的漩涡在通过障碍物时，卷动泥沙形成了冲刷坑；(2)下降水流淘底，主要指前进水流撞击桥墩后形成一部分下降水流，对墩底进行淘底；(3)尾流漩涡冲刷，主要指水流绕过障碍物后形成的漩涡，带走了墩后的部分泥沙。

桥墩及丁坝头部局部冲刷过程中，开始阶段冲刷剧烈，冲刷坑发展非常迅速，随着时间的推移，冲刷逐渐减缓，经过一定时间后，冲刷达到平衡，冲刷坑深度基本保持不变。

冲刷坑范围的扩大是由两个作用共同产生的：一是水流作用，泥沙被水流冲刷带走，冲刷坑面积不断扩大；二是冲刷坑边坡上泥沙的失稳塌落，冲刷过程中由于冲刷坑深度不断加大，使得冲刷坑的坡度时而会大于休止角，从而使冲刷坑的边坡不稳定，造成边缘的泥沙塌落，塌落的泥沙或被水流带走，或沉降到坑底，也将导致冲刷坑面积不断扩大。

因此，在桥梁及丁坝设计及施工过程中，必须考虑采用一定的工程防护措施，对桥墩及丁坝头部局部冲刷进行防护。桥梁及丁坝头部的局部冲刷防护措施主要分为两大类，即主动防护措施和被动防护措施。主动防护措施是指减小水流对桥墩及丁坝头部的冲刷能量，即减弱水流冲刷过程中的下冲流和马蹄形漩涡流，例如通过扩大桥墩的基础平面或设护脚等措施以减小水流的冲刷能量。被动防护措施是指通过提高桥墩及丁坝头部附近底床的防冲刷能力，以提高桥墩及丁坝头部底床的抗冲能力，例如在墩基处进行抛石处理或设置抛石灌浆等。本发明采用的散粒体防护结构也是被动防护措施的一种。

但是，传统的桥墩及丁坝头部局部冲刷防护措施具有一定的使用局限性且造价高，施工难度大。例如工程实际中常用的抛石防护，抛石底部的泥沙容易被淘涮，从而引起抛石位置移动，进而削弱防护效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种桥墩及丁坝头部局部冲刷的散粒体防护结构及其施工方法。该防护结构能有效地消减涡流，从而有效地防止涡流引起的局部冲刷、起到有效防护桥墩和丁坝头部局部冲刷的作用，具体技术方案如下：

一种桥墩局部冲刷的散粒体防护结构，其特征在于，该防护结构是铺设在桥墩周围的河床上的圆环形的散粒体砂砾层，所述的散粒体砂砾的粒径为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径D的倍，其中D和通过下式求得：

式中：V_c为当地二十年一遇水流流速，H₀为当地二十年一遇水流条件下的水深，ΔH为局部冲刷的原始深度，D为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径，ε_k为隐暴系数，ρ_s为泥沙密度，ρ为水的密度，g为重力加速度。

一种丁坝头部局部冲刷的散粒体防护结构，其特征在于，该防护结构是铺设在丁坝周围的河床上的U形环状的散粒体砂砾层，所述的散粒体砂砾的粒径为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径D的倍，其中D和通过下式求得：

式中：V_c为当地二十年一遇水流流速，H₀为当地二十年一遇水流条件下的水深，ΔH为局部冲刷的原始深度，D为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径，ε_k为隐暴系数，ρ_s为泥沙密度，ρ为水的密度，g为重力加速度。

优选地，所述的散粒体砂砾层铺设的范围为：桥墩及丁坝头部周围0-6m半径范围内铺设单一厚度的砂砾层，砂砾层厚度可取1.5-2.5m之间值，***按1:3的坡度铺设到河床平齐。

优选地，所述的砂砾层厚度优选为2m。

优选地，所述的不大于10。

一种上述散粒体防护结构的施工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)桥墩桩基或丁坝施工完成后，根据施工区域的潮流特性，确定低潮位期间潮流稳定条件下的施工位置；

(2)将散粒体砂砾铺设至指定的河床上，所述的散粒体砂砾的铺设从下游到上游依次进行，首先在桥墩或丁坝头部周围0-6m半径范围铺设1.5-2.5m厚的砂砾，然后按照1:3的坡度铺设外周直至与河床平齐。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的散粒体防护结构及其施工方法充分利用桥墩或丁坝头部局部冲刷基本原理，在桥墩或丁坝头部的冲刷坑还未达到冲刷平衡时在桥墩或丁坝周围铺设一定厚度的砂砾层，从而对桥墩及丁坝头部周围的局部冲刷起到抑制作用。且通过铺设的散粒体砂砾层中的砂砾粒径、铺设厚度、铺设范围的合理设定，使得对桥墩及丁坝头部的防护效果达到最佳。

附图说明

图1为本发明的桥墩防护结构的示意图；

图2为本发明的丁坝防护结构的俯视图；

图3为本发明的丁坝防护结构的纵截面示意图；

图中，1-桥墩，2-散粒体砂砾层，3-原有的泥沙层，4-***缓坡区域，5-河岸，6-丁坝。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种桥墩或丁坝头部局部冲刷的散粒体防护结构，该防护结构是铺设在桥墩1周围的河床上的圆环形的散粒体砂砾层2，或铺设在丁坝6周围的河床上的U形环状的散粒体砂砾层2，设当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径为D，这里的散粒体砂砾的粒径应该为D的倍，可采用如下的推导过程：

首先，非均匀泥沙起动流速如下：

式中：V_c为当地二十年一遇水流流速，H₀为当地二十年一遇水流条件下的水深，ΔH为局部冲刷的原始深度，D为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径，ε_k为隐暴系数，ρ_s为泥沙密度，ρ为水的密度，g为重力加速度。其中，ε_k、V_c、H₀、ΔH、ρ_s、ρ均可根据实际获得，从而根据公式(1)可求得D。

起初桥墩墩前或丁坝头部断面的流速公式如下：

式中：V为墩前或丁坝头部横断面中轴流速，q为墩前或丁坝头部流量；

如果铺设的散粒体砂砾厚度为nΔH，则可以得到铺设散粒体后泥沙的起动公式如下：

式中：V_c'为铺设散粒体后的泥沙起动流速，为散粒体粒径，为散粒体粒径与当地二十年一遇水流条件下起动泥沙中值粒径的比值。

同理我们可以得到铺设散粒体后墩前或丁坝头部横断面中轴线流速公式如下：

要使散粒体对局部冲刷起到保护作用，那么必须保证V_c'≥V，砂砾就不会被冲刷，因此由(1)(2)(3)(4)可得到

为了使防护结构能有效地消减涡流，从而有效地防止涡流引起的局部冲刷、起到有效防护桥墩或丁坝头部局部冲刷的作用，桥墩周围散粒体砂砾层铺设的范围为：0-6m半径范围铺设单一厚度的砂砾层，砂砾层厚度为1.5-2.5m，***按1:3的坡度铺设到河床平齐，即图1中的***缓坡区域。

0-6m半径范围铺设的砂砾层厚度进一步优选2m。

散粒体砂砾的中值粒径不宜过大，其目的在于防止像碎石块一样，从而使防护效果变差，因此，不大于10。

一种上述的防护结构的施工方法，具体包括如下步骤：

(1)桥墩桩基或丁坝施工完成后，根据施工区域的潮流特性，确定低潮位期间潮流稳定条件下的施工位置；

通过采用工程中常用的全站仪，并结合GPS定位技术，通过测量船测量出桥墩或丁坝***铺设的范围，如图1和图2所示。为保证对桥墩的防冲效果，在测量过程中，精度尽可能高。

(2)将散粒体砂砾铺设至指定的河床上，砂砾的铺设从下游到上游依次进行，首先在桥墩或及丁坝头部周围0-6m半径范围铺设1.5-2.5m厚的砂砾，然后按照1:3的坡度铺设外周直至与河床平齐。

施工过程中，用施工驳船(抛石船)运输散粒体砂砾至施工位置，待潮流条件适合时，开仓抛卸散粒体砂砾；

抛卸完成以后，为保证防护结构的质量，需要派1-2名潜水员下水观察，对河床上抛卸的散粒体进行铺平作业，直至符合上述要求。

在抛卸过程中，若出现潮流突变情况，应立即停止作业，相关设备和人员撤离至安全区域。在潜水员水下作业期间，应与水上人员实时通讯，保证任务的顺利完成。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种桥墩局部冲刷的散粒体防护结构，其特征在于，该防护结构是铺设在桥墩周围的河床上的圆环形的散粒体砂砾层；所述的散粒体砂砾的粒径为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径D的倍，其中D和通过下式求得：

式中：V_c为当地二十年一遇水流流速，H₀为当地二十年一遇水流条件下的水深，ΔH为局部冲刷的原始深度，D为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径，ε_k为隐暴系数，ρ_s为泥沙密度，ρ为水的密度，g为重力加速度。

2.一种丁坝头部局部冲刷的散粒体防护结构，其特征在于，该防护结构是铺设在丁坝周围的河床上的U形环状的散粒体砂砾层，所述的散粒体砂砾的粒径为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径D的倍，其中D和通过下式求得：

式中：V_c为当地二十年一遇水流流速，H₀为当地二十年一遇水流条件下的水深，ΔH为局部冲刷的原始深度，D为当地二十年一遇水流条件下起动泥沙的中值粒径，ε_k为隐暴系数，ρ_s为泥沙密度，ρ为水的密度，g为重力加速度。

3.根据权利要求1或2所述的散粒体防护结构，其特征在于，所述的散粒体砂砾层铺设的范围为：桥墩或丁坝头部周围0-6m半径范围内铺设单一厚度的砂砾层，砂砾层厚度取1.5-2.5m之间值，***按1:3的坡度铺设至与河床平齐。

4.根据权利要求3所述的散粒体防护结构，其特征在于，所述的砂砾层厚度为2m。

5.根据权利要求1或2所述的散粒体防护结构，其特征在于，所述的不大于10。

6.一种如权利要求1或2所述的散粒体防护结构的施工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)桥墩桩基或丁坝施工完成后，根据施工区域的潮流特性，确定低潮位期间潮流稳定条件下的施工位置；

(2)将散粒体砂砾铺设至指定的河床上，所述的散粒体砂砾的铺设从下游到上游依次进行，首先在桥墩或丁坝头部周围0-6m半径范围铺设1.5-2.5m厚的砂砾，然后按照1:3的坡度铺设外周直至与河床平齐。