2024年3月25日发(作者：)
泥
2011
年
12
月
沙研究
第
6
期
JournalofSedimentResearch
透水四面体框架群防护特性及其与抛石防护的对比研究
12，3，42，3，4
，
李最森
，
唐洪武戴文鸿
（1.
浙江省水利河口研究院
，
浙江
2.
河海大学
3.
河海大学水利水电学院
，
江苏南京
；4.
河海大学
杭州
310020；
南京
210098；
南京
210098）
水文水资源与水利工程科学国家重点实验室
；
江苏
水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心
，
江苏
摘要
：
透水四面体框架群能降低其附近的水流流速
、
耗散水流的能量
，
起到减速防冲和促淤的效果
，
同时也可
以保护床沙
、
抑制局部冲刷
。
不同的抛投密度防护效果也不同
，
随着抛投密度的增加
，
其防护效果几乎线性增
强
，
但达到一定限度后将不再增加
。
抛石防护是使用历史较早
、
使用频率较高的一种桥墩局部冲刷防护措施
。
抛石防护就是将所选石料布设于桥墩周围床面上
，
用以提高桥墩周围河床床面的抗冲能力
。
抛石防护主要工
增加其起动或扬动流速
；
增大桥墩附近局部糙率
、
减小局部流速
。
本文采用多组水槽清水作原理是保护床沙
、
冲刷试验
，
对比分析了透水四面体框架群在不同抛投密度条件下的防护效果差异
，
及其与抛石防护桥墩局部
为四面体框架群和抛石防护的应用提供一些决策所必须的技术冲刷的最大深度及其整体防护效果的优劣
，
参数
。
关键词
：
透水四面体框架群防护
；
抛石防护
；
桥墩局部冲刷
；
抛投密度
；
防护效果
中图分类号
：U452.2；TV147
文献标识码
：A155X（2011）06-0075-06
文章编号
：0468-
1
前言
随着社会经济的飞速发展
，
我国在众多的河流上建造了越来越多的桥梁
，
然而桥墩附近河床面的局
从
20
世纪
50
年代至今
，
我国发生过多起由于桥墩局部冲部冲刷严重威胁到桥梁安全运营
。
根据统计
，
刷所引起的桥墩失稳和桥梁水毁事件
，
最近发生的有连阳大桥
、
西安灞河大桥
、
巴河特大桥
、
三渡水大
桥
、
台湾高屏大桥和浙江长风大桥等桥梁的水毁事件
。
而
指出全世界
1847－1975
年期间
66
座是由于洪水冲刷导致的基础迁移引起出现的重大破坏事故的
143
座桥梁中
，
兰平均每年至少有一起桥墩失事由于冲刷引起
于桥墩周围床面上的局部冲刷
［3］
［2］
［1］
。Shirole
和
Holt
统
计了美国超过
1000
座失事的桥梁
，
指出其中的
60%
由于冲刷所引起
。Melville
和
Coleman
指出在新西
。
英国在
1987
年发生了两起铁路桥水毁事件
，
都归因
。
基于桥墩局部冲刷所引起的严重后果
，
近年来桥墩局部冲刷机理及
［4－5］
冲刷防护措施的研究取得了许多成果
，
但对桥墩周围流场水力特性的认识还没有足够深刻
，
也还没有任
何一种被认为是完全行之有效的防护方法
。
本文对桥墩冲刷防护新技术
：
四面体框架群防冲技术
石防护效果的对比
，
为两者特别是前者的应用提供一些参考
。
对于冲积型河床
，
桥墩周围的局部冲刷坑的产生几乎是不可避免的
，
工程师们必须采取预防措施以
防止这种现象对桥墩的稳定产生威胁
。Yee-MengChiew
按防护机理把桥墩局部冲刷防护工程分为两
类
［6］
和传统的抛石防护措施进行了对比研究
，
分析了四面体框架群在不同抛投密度下的防护效果
，
及其与抛
：
一类是增强河床材料的防冲能力
，
这类通常采用粗颗粒防护层或者在墩基处抛石
；
另一类是减小
08-09
收稿日期
：2011-
50779014）；
江苏高校优势学科建设工程资助项目
（
水利工程
）；
水利部公益性行基金项目
：
国家自然科学基金资助项目
（51109188，
业科研专项经费项目
（200901005）；
中央高校基本科研业务费专项资金资助
（2009B02214）
作者简介
：
李最森
（1976－），
男
，
浙江龙泉人
，
博士
。
主要从事河流动力学
、
工程泥沙方面研究
通讯作者
：
戴文鸿
。E-mail：wdai@
75
冲刷能量
，
即减弱墩前向下水流和马蹄形旋涡对河床材料的冲刷能力
，
这类防护措施通常采用扩大桥墩
基础或设护圈
、
沉箱等形式
，
对桥墩局部冲刷的防护也很有效
。
另外一些设计者采用流线型桥墩来降低
以防止马蹄形旋涡的产生
。
桥墩周围的大压力场
，
抛石防护是传统的
、
使用频率较高的一种桥墩局部冲刷的防护措施
［7］
。
抛石防护就是将合理配置
用以提高桥墩周围河床床面抗冲能力
。
抛石防护主要工作原理一是抛的石料布设于桥墩周围床面上
，
石对床沙起保护作用
，
增加床沙起动或扬动所需的流速
，
二是抛石可以增大桥墩附近局部糙率
，
对于减
小桥墩附近流速也起到一定的积极作用
。
而所谓
“
透水四面体框架群防护
”
就是模拟抛石防护方法
，
用
透水四面体框架代替抛投石料对桥墩周围床面进行防护的方法
。
相对于抛石防护的以防冲的防护方法
四面体框架则具有减速和防冲两方面的功用
。
本文中桥墩局部冲刷试验是在清水冲刷条件保护床面
，
下进行
，
分别对无防护措施
、
抛石防护和不同抛投密度的透水四面体框架群防护下的冲刷深度及范围进
行对比分析
。
2
2.1
清水冲刷试验
试验装置
透水四面体框架群以及抛石防护桥墩周围床面局
部冲刷试验
，
主要在河海大学的泥沙试验室试验大厅里
进行
，
采用的循环水槽长
30.0m、
宽
2.0m、
高
0.9m。
试
长
8.0
米
、
宽
2.0
米
、
验的有效段动床部分铺设天然砂
，
深约
0.2m。
有效段上游长约
8.0m
为进口消力池和过
渡段
，
进口处设置消力栅
，
起到校直水流流向以及抑制
涡流的产生
。
动床面坡降为
1/2000。
进口流量由量水
堰控制
，
水位由尾门控制
，
上下游水位由测针读取
。
桥
冲刷深度及冲刷墩上游的行进流速由旋桨流速仪测得
，
平衡时的地形由测针测量
。
试验装置示意图见图
1。
2.2
冲刷防护措施布设方式
试验中采用的透水四面体框架群的布置方式和范围
见图
2。
桥墩周围的四面体框架的布置密度在不同的试
验工况下有所不同
。
本文中考虑到实际工程中的施工情
况
，
四面体
、
石料采用随机和均匀抛投的方式
，
四面体的
迎水面为随机分布
。
2.3
床沙
、
四面体及抛石特性
本试验所采用的床沙为天然无粘性均匀沙
，
沙粒形
状接近球形
，
可近似认为其自身形状系数为
1。
其特征
参数如下
：
中值粒径
d
50
为
0.37mm，
不均匀系数σ
g
为
33
1.2，
泥沙密度ρ
s
为
2.65×10
kg/m。
该均匀沙为细沙
。
所选用的透水四面体框架由硬塑料模制成
，
其
图
1
Fig．1
试验装置示意图
Experimentalset-up
图
2
Fig.2
四面体框架群
（
抛石
）
布置方式
Layoutoftetrahedronframegroup（riprap）
硬度和支撑强度完全能达到试验要求
。
四面体尺度特征为
：
杆件长度
0.017m、
杆件断面面积为
4.0×
3
10
－4
m
2
、
框架密度
1.2kg/m。
在试验开始之前
，
用肥皂水清洗四面体框架
，
除去框架杆件上的污渍
，
以
防止放入水中的四面体周围产生附着气泡导致透水四面体框架易被水流冲走
，
然后直接均匀抛投于桥
墩周围动床沙面上
。
3
在抛石防护试验中
，
抛石石料采用了密度为
2.65kg/m，
平均粒径为
1.0cm
的近球形卵石
，
其平均
粒径与试验中所用四面体的高度相当
。
有研究者认为抛石层放置在床面以下的防护效果比直接把抛石
倾倒在桥台周围床面上更好
，
而且在抛石防护应用中通常都要设置反滤层
，
以防止在抛石材料下面
［9］
的河床床面泥沙通过抛石之间的缝隙被淘刷
，
同时有较好级配的抛石对局部冲刷的防护更为有利
。
76
［8］
在本文中
，
为了尽可能的与四面体框架群防护在同等条件下进行比较
，
选择了将较均匀卵石直接抛投在
动床平面上的布设方式
。
2.4
试验工况
U
为行进流速
、D
为墩径
、D
50
为模型砂本文试验工况及试验结果如表
1
所示
。
其中
h
0
为行进水深
、
U
c
为泥沙启动流速
、h
s
为最大冲刷深度
。A、B
系列为不同水深条件下
，
中值粒径
、
ρ
H
为防护密度
、
不同
四面体抛投密度条件下的工况
；R
系列为不同水深条件下抛石防护工况
；H
系列为不同水深条件下透水
H、U
个别工况与
A、
四面体防护工况
；U
系列为不同水深条件下无防护的工况
。
为了便于比较
，
其中
R、
B
系列重复
。
表
1
试验工况及试验结果
Table1Experimentalconditionsandresults
试验
工况
A1
A2
A3
A4
A5
A6
B1
B2
B3
B4
R1
R2
R3
R4
H1
H2
H3
H4
U1
U2
U3
U4
h
0
/cm
20
20
20
20
20
20
17.3
17.3
17.3
17.3
20
17.3
15
12
20
17.3
15
12
20
17.3
15
12
U/cm·s
－1
22.4
22.4
22.4
22.4
22.4
22.4
25.5
25.5
25.5
25.5
22.4
25.5
29.6
37.2
22.4
25.5
29.6
37.2
22.4
25.5
29.6
37.2
D/cm
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
D/D
50
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
c/D
－
3
3
3
3
3
－
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
－
－
－
－
U/U
c
0.75
0.75
0.75
0.75
0.75
0.75
0.85
0.85
0.85
0.85
0.75
0.85
0.99
1.24
0.75
0.85
0.99
1.24
0.75
0.85
0.99
1.24
ρ
H
Pieces/cm
2
－
0.09
0.18
0.26
0.35
0.71
－
0.18
0.35
0.71
0.18
0.18
0.18
0.18
0.18
0.18
0.18
0.18
－
－
－
－
h
s
/cm
6.30
4.28
3.74
2.62
1.65
0.96
8.47
5.04
3.35
1.26
3.41
5.22
5.67
7.67
3.74
5.04
5.67
7.76
6.30
8.47
8.81
7.83
h
s
/D
0.63
0.428
0.374
0.262
0.165
0.096
0.847
0.504
0.335
0.126
0.341
0.522
0.567
0.767
0.374
0.504
0.567
0.776
0.63
0.847
0.881
0.783
时间
/min
450
450
450
450
450
450
525
525
525
525
525
525
525
525
450
525
525
525
450
525
525
525
备注
无防护
抛石防护
抛石防护
抛石防护
抛石防护
抛石防护
无防护
抛石防护
抛石防护
抛石防护
抛石防护
抛石防护
抛石防护
抛石防护
四面体防护
四面体防护
四面体防护
四面体防护
无防护
无防护
无防护
无防护
3
试验结果及分析
本文采用如图
2
所示的透水四面体框架群抛投方式
，
在不同抛投密度条件下对于防护效果的影响
进行了试验研究
。
以
A
系列工况为例
，
实验中观测到在无任何周边防护措施时
，
在水深为
20cm
的条件
下
，
冲刷坑的深度最大达到
6.3cm
即
h
s
/D=0.630，
桥墩周围的冲刷范围最广
（
见图
5
左下角小图
）。
冲
相对于有四面体框架群防护的工况
，
桥墩后的区域也处刷坑接近桥墩迎水面
45°
处达到最大冲刷深度
，
于冲刷状态
，
冲刷深度略小于墩前
，
不利于桥墩的稳定
。
当在桥墩周围
3
倍墩径
（
即
30cm）
范围内投放
1
层
72～580
个
（
ρ
H
=0.09～0.71
个
/cm
2
）
四面透水体透水框架时
，
模型主槽水流行进流速约为
22.4cm/s，
随着四面体框架抛投密度的增加
，
最大冲刷深度和冲刷范围明显减小
。
当四面体抛投密度分
0.18、0.26、0.35
和
0.71
个
/cm
2
时
，3.74、2.62、1.95
和其最大冲刷深度分别为
4.28、
别为
0.08、
0.96cm，0.37、0.26、0.20
和
0.1。
在四面体框架抛投密度达到
0.71
个
/cm
2
时
，
即
h
s
/D
为
0.43、
桥墩周
围的冲刷坑深度及范围极小
，
可达到良好的防护效果
。
相对冲刷深度与抛投密度关系曲线见图
3。
工
A5、A6
冲刷后地形等高线见图
4。
在四面体框架抛投密度较小时
，
况
A3、
四面体透水框架在水流的冲
击下
，
随着坑的发展
，
其中部分滑入冲刷坑中但仍可发挥减速促淤的作用
，
靠近桥墩侧后及后方部位的
框架仍保持在原来摆放的位置
。
泥沙逐渐淤积掩盖四面体透水框架群
，
形成倒坡抑制墩侧的加速水流
。
试验结果表明
：
对于不同相对水深的工况
，
随着整体抛投密度的增加
，
当抛投密度ρ
H
≤
0.4
个
/cm
2
2
时
，
冲刷坑深度几乎呈相同的速率线性减小
；
而当抛投密度ρ
H
≥
0.4
个
/cm
时
，
随着布设密度的增加
，
透水四面体框架群的防护效果变化并不明显
。
当透水四面体框架群的抛投密度ρ
H
趋向于某一数值时
，
77
局部冲刷坑的深度趋向于极小值
。
由此可见
，
当透水
四面体框架群的布设密度无限增大时
，
局部冲刷坑的
透水四面体框架群的防护效果最深度趋向于极小值
，
好
，
但防护工程造价会很高
，
同时也对防护范围外的河
势造成巨大的影响
。
而且并非所有的桥墩冲刷防护工
程都要求有这样的防护效果
，
因此不能通过过大增加
四面体的抛投密度来增强防护效果
，
适当的选择抛投
密度是必不可少的
。
抛石防护至今仍是大
、
中型桥梁桥墩最广泛采用
的防护形式
，
它具有取材方便
、
施工简单
、
能适应地形
变化等优点
。
为了对比抛石防护
、
四面体框架群防护
以及无防护措施情况下的桥墩周围最大冲刷深度
，
这
几种防护类型在不同水深条件下的最大冲刷深度列于表
2。
图
3
Fig.3
相对冲刷深度与抛投密度关系曲线
oftetrahedronframegroup
Relationshipbetweenscourdepthanddensity
图
4
Fig.4
不同四面体抛投密度下的冲刷地形等高线图
（
水深为
20.0cm）
Contoursoflocalscourunderdifferentdensitiesoftetrahedronframegroup（waterdepth=20.0cm）
表
2
抛石防护
、
四面体防护及无防护条件下的最大冲刷深度对比
Comparisonofscourdepthwithout/withprotection（ripraportetrahedronframegroup）
抛石防护
最大冲刷深度
/cm
7.67
5.67
5.22
3.41
四面体抛投防护
最大冲刷深度
/cm
7.76
5.67
5.04
3.74
无防护措施
最大冲刷深度
/cm
7.83
8.81
8.47
6.30
Table2
防护类型
水深
/cm
12.0
15.0
17.3
20.0
由表
2
可见
，
在水深较大
、
流速较小的时候
，
抛石防护和四面体框架群防护都能起到较好的防护效果
，
且其效果极为接近
。
在水深为
12.0cm
时
，
这时局部冲刷过程由清水冲刷转变为动床冲刷
，
由试验现象观
察到卵石不断滚入到不断刷深的冲刷坑当中
，
并随着地形的变化逐渐没入沙中
，
失去防护效果
。
而四面体
框架则有部分滑入冲刷坑中继续发挥作用并且未被泥沙淹没
，
只有部分则由于四面体框架本身重量相比
被水流带到下游床面
。
墩后四面体则较稳定持续的发挥防护作用
，
能够保证墩后区域的泥沙于卵石较轻
，
淤积或少冲
。
在水深为
15cm
时
，
抛石和四面体框架群防护下最大冲刷深度为
5.67cm，
为无防护措施时最
大冲刷深度
8.81cm
的
64.4%。
在水深为
17.3cm
时
，
抛石防护下最大冲刷深度为
5.22cm，
四面体框架群
分别为无防护措施时最大冲刷深度
8.47cm
的
61.6%
和
59.5%。
在水深为
20cm
时
，
抛防护下为
5.04cm，
石防护下最大冲刷深度为
3.41cm，
四面体框架群防护下为
3.74cm，
分别为无防护措施时最大冲刷深度
6.3cm
的
54.1%
和
59.4%。
并且由图
5
可知
，
除水深为
12.0cm（
图
5
上图
）
的工况外
，
抛石防护的桥墩周
围区域与无防护措施的情况一样
，
全处于冲刷状态
。
而四面体框架群防护的减速促淤作用
，
在其防护下墩
后区域基本处于淤积状态
，
有利于桥墩的稳定
，
如图
5
中
、
下图的情况
。
在实际工程经验中
，
抛石防护的整体性较差
，
运用过程中的维护费用和工作量较大
，
特别是当流速
78
图
5
冲刷平衡后的地形等高线图
（
上图水深为
12.0cm，
中图水深为
17.3cm，
下图水深为
20.0cm）
Fig.5Contouroflocalscourafterreachingrelativeequilibrium（waterdepth=12.0cm，
17.3cm，20.0cmfromtoptobottom）
为临界流速的
2.5
倍以上
、
河床床面有较大河床形态出现时
，
抛石将被埋置到最大冲刷坑深度处
，
导致
抛石层彻底失去防护效果
。
而四面体框架由于其透水性
、
三角锥形构架以及减速促淤的特性则更为稳
定
，
即使滑入冲刷坑也能继续发挥防护作用
，
且不易失效
。
四面体之间也能够方便的使用钢丝等材料连
结
，
使其避免流失
，
维护费用将更少
，
甚至不需维护
。
4
结论
本文首先进行了无防护
、
抛石防护和四面体框架群防护下的多组桥墩局部清水冲刷试验
，
获得较准
确的局部冲刷最大深度和冲刷平衡时的地形资料
；
对于不同相对水深的工况
，
随着透水四面体框架抛投
最大冲刷坑深度几乎呈相同的速率线性减小
；
当透水四面体框架群的抛投密度ρ
H
趋向于密度的增加
，
某一数值时
，
随着布设密度的增加
，
透水四面体框架群的防护效果变化并不明显
，
因此在防护效果与工
程造价及对周围河床影响中选择一个合适的抛投密度非常重要
。
其次分析了抛石防护和四面体框架群
防护效果的优劣
，
两者的防护效果较为接近
，
最大冲刷深度为无防护条件下的
50%～60%；
其中抛石防
护整体性较差
，
在行进流速较大及床面有较大河床形态出现时容易失去防护效果
，
而四面体框架的透水
性及其在水下的自身稳定性可以更好的维持防护效果
，
四面体间的连结可避免或减少流失
，
降低维护费
用
；
而且在四面体框架群的防护下
，
墩后区域处于淤积状态
，
有利于桥梁的安全运营
。
总之
，
抛石防护和
四面体框架群防护措施都能较好的发挥防冲作用
，
而后者具有的上述优点
，
能使其成为较好的桥墩局部
冲刷防护的新技术
，
值得进一步研究及推广
。
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Casestudyofprotectiveeffectsofriprapsortetrahedronframegroup
withdifferentdensitiesonlocalscouraroundapier
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LIZui-sen
1
，TANGHong-wu
2，
，DAIWen-hong
2，
（ngInstituteofHydraulics＆Estuary，HangzhouZhejiangProvince，310020，China；
eyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering；
eofWaterConservancy＆HydropowerEngineering；alEngineeringResearchCenterofWaterResources
EfficientUtilizationandEngineeringSafety，HohaiUniversity，Nanjing，210098，China）
Abstract：Manycountermeasuresforlocalscourprotectionaredevelopedforkeepingriver-bedfromscouring
aroundbridgepiers，suchasripraps/rmeasuresaredividedintotwotypes：
toenhancetheabilityrap
rahedronframegrouphasbothofthetwofunctions
toresistbedscouraro
study，aseriesofexperimentaltestsareconductedinaflumeandprotectiveeffectsoflocalscouraroundapier
usingripraportetrahedronframegroupwithdifferentdensitiesoflayoutarediscussed，whichprovide
informationforscourprotectiondesignaroundpies.
Keywords：riprapprotection；tetrahedronframegroupprotection；pier；localscour；effectofprotection
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