创新实验之一：桥墩冲刷实验

叶居东 陈蓥 于淼 朱铁城 张徐杰 白光波 )叶居东

    桥梁是道路跨越河流的主要形式，它起到保障公路运输畅通和排泄洪水的作用。但近年来由于城市建设规模的发展，建筑工程的沙石用量剧增，邻近城区的河道采沙对跨河工程的安全造成了很大威胁。在桥梁的水毁事件中，桥墩冲刷是最主要的原因，冲刷严重影响着桥梁的整体稳定。

本实验旨在通过创新的手段对实际工程中河流冲刷桥墩进行实验模拟，探讨测量桥墩周围冲刷地形的方法，并提出相对比较理想的保护桥墩措施，确保流水经过桥墩时对其周围的泥沙产生较小的影响。从而为实际防治桥梁水毁提供实验依据，达到保护桥墩基础、维护桥墩稳定的目的。

 

1. 本实验为模型砂启动流速试验，由窦国仁泥沙起动流速公式

    其中，中砂密度，本试验中，故取。另外水深取。

由以上数据算得粒径0.5mm的中沙在7cm水深中起动流速为22.82cm/s。

本试验以重力作用为主，采用Froude数相似条件。模型几何比尺为，速度和时间比尺为。实验的原型洪水历时为24h，故模型冲刷历时t=24h/12.25 =2h。　

 

2. 本实验中水流流量由三角堰量水槽测得。三角堰的流量公式为

其中a, b为仪器的实验常数，标明于仪器铭牌上。本实验所用仪器为a=15.42，b=2.47。此外，式中h=，和分别为三角堰堰顶水位和堰顶高程（实验时为常数，可由仪器铭牌上查得，本实验中）。

 

3. 当桥墩冲刷坑内存在水体时，水体与坑壁上泥砂的交界线即为桥墩冲刷坑与水面高度相对应高程的等高线。利用这一原理，通过拍摄不同水面高度下的水面与泥砂的交界线，我们可以得到不同高程下的冲刷坑等高线。

 

许多研究者都曾对桥墩局部冲刷问题进行过大量的研究工作，并且取得了一些重要的成果。

Kwan(1988)、Kwan和Melville(1994)等人研究认为：桥墩局部存在一个与桥桩 “马蹄旋涡”类似的主旋涡，并认为该旋涡与来流下潜水流一起作为造成桥墩冲刷的主要原因：桥墩迎流面由于来流 “停滞”形成垂向压力梯度，它将驱使来流水流下潜旋转形成主旋涡，随着冲刷坑的发展，主旋涡不断扩大。

同济大学道路与交通工程教育部重点实验室的凌建明，林小平，赵鸿铎还应用大型流场分析软件FLUENT，采用现代三维运动界面追踪技术VOF(volume of fluid)方法和标准k-e模型，耦合求解对桥墩附近三维流场进行了合理模拟。得出桥墩迎水面两侧圆心角约70度左右时流速达到最大值，亦即此处的桥墩冲刷最为严重的结论。

现行的用于测量桥墩冲刷坑形态的技术产品有许多，其中比较成熟的有用于都江堰野外测量的河道断面原型观测系统（如上图所示）。该系统主要用于天然河道水下及水上地形的测量和数据分析，绘制三维地形图、并带有强大的后处理图形编辑功能、数据的存储打开以及与数据库之间的导入导出。应用于天然河道短期或长期的断面观测、桥墩冲刷检测、航道整治等。它能通过遥控远程控制设备沿断面索道或缆绳自动行走测量，自动绘制测量区域的三维地形，自动生成等高、等深线。它由1个12V的蓄电瓶供电，断面数据的图形显示能够进行相应的放大、缩小和平移以及断面点 信息的显示。

    除此之外，还有超声三维地形自动测量分析系统。它采用超声测量床面单个点的高程；超声测量组件在桥上沿断面移动，测量整个模型断面的高程；测量桥在模型上纵向行走，测量整个模型的高程。根据测量数据绘制整个模型的等高线。目前该系统正应用于南京水利科学研究院的丹东港模型试验和长江口模型试验中。该系统通过往反测量，在一定的时间周期下可以实时跟踪某一个或几个模型断面的床面变化。它采用采用图形化界面，自动控制测量流程，并对测量结果进行绘制等高线、冲淤量计算等分析处理。并提供文本、CAD图形等多输出格式。

    对于本实验所研究的桥墩局部冲刷的冲坑形态，也有前辈们做过实验。华北水利水电学院的孙东坡、王二平等人通过概化水力模型，研究了桥梁墩台周围的三维水流结构、冲坑形态和深度变化。对于流畅的测定他们运用了ADV流速仪对桥墩局部冲刷稳定后的三维流场进行精细测量。通过对测得得三维流场的分析，他们得出了如下结论：“桥墩绕流的挤压作用使两侧流流速加大，形成局部水面跌落与回升，桥墩末端形成尾流涡旋区，墩后中部形成立轴漩涡。桥墩局部冲刷的主要动力，是来自墩前大尺度的横轴环流。下潜水流在坑底沿桥墩两侧生成马蹄形漩涡使河床淘刷向两侧与下游延伸；不断地从桥墩末端释放出来尾流旋涡，又促进桥墩下游续冲刷进一步发展，同时形成燕尾型堆丘。”他们测得的冲坑形态如下图所示。

    至于桥墩冲刷得防护措施，他们对修建拦沙坝对桥墩冲刷的影响作了研究，并得出结论：修建拦沙坝后的桥梁局部冲刷水流现象与无桥梁防护坝时基本相似。但由于拦沙坝的存在形成了桥梁下游新的水流边界条件，对桥墩下游产生的壅水作用，使桥墩至拦沙坝前沿河段可以保持一个稳定的水深与相对变缓的水面坡降，从而减小了桥墩局部冲刷，河床侵蚀下切的上延也被阻拦，对桥梁起到了有效的保护作用。

本实验使用仪器系堰流实验装置，实验装置图如图1所示。另外实验中还需用到的器材有：直径0.5mm中砂、有机玻璃板、有机玻璃管、有机粘合剂（氯仿）、注射器、橡皮泥、橡胶取水球、相机、紫色染料、尺子、玻璃刀，等等。

 

1．桥墩模型的制作。切割9.5cmX9.5cm大小有机玻璃片作为桥墩承台，以能与水槽宽度尺寸吻合为宜。然后截取15cm长有机玻璃管作为桥墩，用有机粘合剂将玻璃管的一端粘结在玻璃片中心点处，并注意二者要保持垂直。

2．动床模型的布置。在水槽中取120cm长一段作为河道，两端用塑料板将其与水槽其他部分隔开，并用橡皮泥将其与水槽接触部分密封。将制作好的桥墩模型置于距河道上游顶点80cm处，将有机玻璃片底座与水槽底部用橡皮泥固定。水槽中填充厚度为5cm的中砂，轻压平整。

3．桥墩和动床模型准备完毕后，调节水槽尽头的尾门升降轮，将多孔尾门调至与水槽底部成适当的角度，开启并缓慢调节供水流量调节阀门，通过控制流量和多孔尾门的角度来调控水槽中水的流速，调节过程中仔细观察河床中泥沙的状态，当泥沙恰好开始起动时，停止调节。记录下此时三角堰水位测针的读数并测量水槽中水深大小。

依据我们的经验，开启供水流量调节阀门前，宜将多孔尾门与水槽底部所成的锐角设在一个较大的位置，这样当开启阀门后，某一流量下水槽中的水位会比较高。根据泥砂的启动流速公式，水深越大，水的起动流速越大；而且相同流量下水深越大，水流的流速越小。这样可以避免水流突然进入水槽后，由于水深太小导致泥沙的起动流速较低且水流速度过快，从而出现流速远大于起动流速而动床被破坏的情况。

4．保持供水流量调节阀门和多孔尾门的位置不变，持续2小时。在此期间用流速仪分别在桥前断面三个不同点测量此时水流的流速并记录。注意观察桥墩周围河床的冲刷情况。

5．连续冲刷2小时后，停止向水槽中供水。

依据我们的经验，停止供水前宜先将多孔尾门与水槽底部的角度调至90度，然后切断水泵电源，将供水流量调节阀门开至最大，让水槽中水的水位缓慢降落。这样可以先通过增大水深来降低水的流速，防止流速过大对冲刷坑造成的破坏，并能有效减少水位降落时对冲刷坑的扰动。

6．冲刷坑的测绘。

(1)将相机置于水槽正上方，调整其方位，使桥墩及其周围的冲刷地形处于相机的取景范围之内。标记此时相机的位置，取下相机。

(2)用橡胶取水球吸取少量清水，沿桥墩缓慢注入冲刷坑内，直至坑内水面与河床齐平，然后吸取适量染料沿桥墩注入坑内并待其扩散均匀。注意不要对坑的形态造成扰动。用可移动水位测针测量此时水面高程并记录。移开水位测针，将相机置于预先标定位置，拍摄此时冲刷坑内水面形状。

(3)取下相机，再次将可移动水位测针置于冲刷坑上方。调整测针使其读数较首次水面高程减少2mm，此时测针杆尖端应位于水面之下。用橡胶取水球小心吸取坑中水体（注意此时不要碰到河床），待液面刚好降至测针杆尖端处时，移开测针，将相机置于预先标定位置，拍摄此时冲刷坑内水面形状。若此时坑内水体因渗透流失已低于调整后的测针杆尖端，则应沿桥墩向坑内加水至水面升至测针杆尖端处。

(4)重复以上步骤，每次测针读数减少2mm，直至测针杆尖端触碰到冲刷坑底部而无法继续测量。

(5)将拍摄所得照片在计算机内用相关软件处理，得到冲刷坑内的地形图。具体方法见数据处理部分。

7．冲刷坑下游区域地形的测绘。在桥墩周围的河床内建立坐标系，在坐标系内冲刷坑下游方向的区域内选取若干点，用可移动水位测针测量相关点的高程并记录。将测量所得数据输入计算机内并进行处理，得到冲刷坑下游区域的地形图。具体处理办法见数据处理部分。

8．试验保护桥墩的方案。本实验中我们采用了加固基础的思路，提出了用大体积固态物质（混凝土）替代桥墩周围被冲刷的泥砂的方法。实验时我们以橡皮泥为混凝土模型，在桥墩与河床的接触线以下一定厚度内粘结了一个直径约为桥墩3倍，厚度约3~5mm的箍状物，用以替代桥墩周围的泥砂。然后在与前述实验相同的条件下，观察水流对桥墩周围地形的影响。

 

1．实验数据记录

(1) 三角堰水位测针读数：

(2) 水槽内水深：6.9cm

(3) 桥前断面测点流速仪读数：，，

(4) 冲刷坑内不同水位下水面照片：见附件

(5) 冲刷坑下游区域测点布置及高程：见附件

2．实验数据处理

(1) 由三角堰流量公式，求得实验条件下流量为。由水深和水槽宽度可求得此时流速的理论值。

(2)桥前断面测得平均流速为

(3) 由窦国仁起动流速公式，得实验水深条件下泥砂起动流速为

(4) 实验照片的处理：

a. 将实验中拍摄得到的照片输入计算机并按拍摄的先后顺序进行编号；

b. 用图像处理软件Photoshop对所有照片进行处理，通过调节亮度和对比度使照片中

水面的轮廓线清晰地显示出来；

    c．将照片逐张导入绘图软件AutoCAD，以每张照片中的桥墩为参照物，用多段线（pline）将照片中的水面轮廓线勾勒出来，并用 “样条曲线（S）”命令对多段线进行圆滑处理，即得相应高程下的冲刷坑等高线；

    d．最后，以桥墩为参照物，将不同高程下的等高线合并至同一图片中，得到桥墩冲刷坑内部的等高线。

(5) 冲刷坑下游区域测点高程的处理：

a．将每个测点的编号、坐标和测得高程输入Excel文件中，以高程为关键词对测点进行排序；

b．由于各测点高程的数据较为分散，故先选定需绘制等高线的高程数值，并规定高程数值属于某一等高线数值前后一个区间内的点都近似处在该等高线上；（如：欲绘制高程为17.00cm的等高线，则规定高程在区间（16.91，17.10）内的点都近似在该等高线上。）

c．确定上一步中绘制的桥墩冲刷坑等高线图与实际大小的比例，本步中各点坐标按该比例换算后，将各点输入到上一步中得到的CAD文件中；为了便于区分不同等高线附近的点，需将按区间划分的测点分图层以不同颜色绘制；

d．仔细观察并分析不同颜色的点的趋势后，结合实际拍摄的冲刷坑下游区域的照片，用多段线（pline）勾勒出经过相同颜色点的曲线，并用 “样条曲线（S）”命令对多段线进行圆滑处理，即得相应高程下的冲刷坑等高线。

3．实验成果分析

(1) 由实验流量、水深和水槽槽宽求得的水流断面平均流速20.332cm/s与流速仪测得的桥前断面平均流速20.906cm/s吻合得较好，且二者与由窦国仁泥砂起动流速公式求得的本实验泥砂起动流速22.80cm/s也得到了较好的吻合。本实验主要的理论依据得到了很好的验证。

(2) 图2为我们此次实验所得到的水流冲刷后桥墩周围的地形等高线图，图三为相应的A-A剖面图。

 

 

由图中数据可知，冲刷坑在垂直水流方向的宽度为6.9cm，流速方向的水流影响总长度为24.3cm。由图可看出，影响范围明显分三个区域：以桥墩为中心的主影响区域，即桥墩冲刷坑，记为Ⅰ区域（长度为8.7cm,最宽处为6.9cm），桥墩周围最深；紧随其后有一段明显的泥沙堆积区域，中间高两边低，记为Ⅱ区域(长度为6.9cm,最宽处约7.0cm)，后面是一段很微弱的影响区域，记为Ⅲ区域(长度约为8.7cm)。河床的水位测针读数为17.4cm，取为基准面；Ⅰ区域最深处（河床与桥墩交界线）高程为-1.43cm；Ⅱ区域最高点（中间脊线）高程为1.27cm；Ⅲ区域高差变化很小，可忽略不计。

 

本实验模型几何比尺为，速度和时间比尺为。模型与原型相对应的各项数据如下表：

 

 

    由表中数据看到，原型中洪水的流速为2.561m/s，并非很高的流速；但桥墩周围流场对桥墩基础造成的影响却很大，其中Ⅰ区域的最大宽度和最大深度分别达到13.05m和2.145m，很有可能会影响桥墩的稳定；而在更高的流速下，冲刷坑得深度和宽度会更大。为此，寻找减少水流对桥墩冲刷的方法，从而达到保护桥墩的目的，成为广大水利和桥梁工作者重要的研究内容之一。

(3) 试验保护桥墩的措施

试验方法如前所述。试验中，我们用橡皮泥所制作的箍状物不仅保护了其底下的泥砂不被流水冲走，而且对与其处于同一高程的周围泥砂也起到了很好的固定作用。试验结果表明，采用大体积固态物质替代桥墩周围泥砂能有效减少流水对桥墩基础的影响。

此外，我们小组还利用实验室的现有设备，用一近似椭圆截面的桥墩代替我们实验中的圆形截面桥墩进行了冲刷试验。结果表明，使用该桥墩能使冲刷坑深度、大小较之圆形截面桥墩缩小近一半，说明通过采用合理的桥墩截面改变桥墩周围流场也能减少流水冲刷的影响，从而达到保护自身的目的。

 

1．实验的创新点

测绘冲刷地形图是本实验的重要内容，但因实验中采用水槽尺寸较小，故所得冲刷地形范围小，高差变化不明显，很难实施测量，而进行精确测量的难度就更大了。采用传统的测点连线的方式获得等高线虽简单易行，但其也存在测量精度低，有测量盲点，图形的计算机可移植性差等缺陷。为此，我组组员充分发挥创新思维，在测绘冲刷坑的方法上寻找了很多思路，并最终选定了实验中所采用的简单易行且精确度相对较高的方案。总的来看，本实验的创新点主要体现在以下两个方面：

(1) 实验操作过程中结合冲刷地形不同部分的特点采取不同的测量方式。由于在通过测点高程来绘制等高线的方法中数据要经过两次处理，即先将测点绘制到坐标系中和通过不同高程的测点勾绘等高线两个步骤，而且处理结果中受人的主观因素影响很大，因此其精度必然受到影响。对于冲刷地形的Ⅰ区域（即冲刷坑）部分，由于其范围小，水在其中能很好的保持且高程容易控制，而水与泥砂的交界线即为相应水位高程下冲刷坑得等高线，因此我们采取了固定相机位置拍摄不同水位所对应的等高线形状的方法。这种方法使实验数据（此时为照片）的处理步骤减少为一步，且有效避免了处理过程中人为因素的影响，得到的结果显然更加客观可信。

对于冲刷地形的Ⅱ区域和Ⅲ区域部分（见图2），由于其范围相对较大，若采用Ⅰ区域的测量方法水位将很难控制，且地形容易被水干扰破坏，因此我们采取了比较传统的通过测点高程勾绘等高线的方法。但在数据的处理方式上，通过与计算机的大量结合，数据处理结果的精度有所提高。

事实上，Ⅰ区域（即冲刷坑）的地形是桥墩冲刷实验中最重要的观测对象，而Ⅱ区域和Ⅲ区域则处在相对次要的位置，我们通过采取不同的方法，既保证了Ⅰ区域地形的精确可靠，又得到了受桥墩周围流体影响的所有区域的地形分布情况，因此实验方案和实验结果是合理的。

(2) 数据处理过程中大量与计算机软件进行结合。本实验的数据处理过程中所使用的软件很多，包括Photoshop、AutoCAD等图形处理软件和Excel等文档编辑软件，还包括一些起衔接作用的小软件如截图工具等等。通过大量的计算机软件的辅助，实验数据得到了更加形象和准确的表述，不仅提高了数据的处理水平，而且使我们的工作效率也得到了很大的提升。例如，利用Excel的排序功能，我们可以迅速得到不同高度区间内的测点的编号，从而得以方便地对测点进行分组，并且避免了人工分组出现差错的可能性；再结合AutoCAD的图层，我们可以分别对不同高程的测点进行处理，而且通过不同组测点的颜色变化，我们可以在画出等高线之前就能观察地形变化的趋势，从而为等高线的勾绘提供更多的参考。

 

2．实验中存在的不足

实验过程中必然会遇到各种各样的困难，其中部分困难我们通过讨论和思考得到了解决，但也有一些缺陷很难消除或减少其影响，这导致了此次实验中也存在着一些不足。总结后大体有以下几点。

(1) 水流的渗透问题。在不同高程下冲刷坑中水面形状的拍摄过程中，由于用水位测针测量完毕到拍摄照片会有一定的时间间隔，在此期间坑内水流会通过泥砂向四周渗透，这导致拍摄所得水面形状与之前测针读数所对应高程的水面形状并非完全一致。为了减少这种影响，我们在实验操作过程中尽量减少水位测量与照片拍摄之间的时间间隔，并在远离冲刷坑一段距离的河床上滴水使泥砂尽量达到饱和。虽然这种方法在一定程度上减少了水流渗透的影响，但仍不能达到消除的要求。

(2) 水面与泥砂分界线的分辨问题。受拍摄照片过程中光线等因素的影响，在照片中水面与泥砂分界线的分辨上存在着一定的困难。最初我们仅对清水进行拍照，发现效果的不足后在水中加入了适量的紫色染色剂，以增大水体颜色与泥砂的对比度，并在计算机中对照片的显示效果进行调整，虽有所改观，但仍存在一些分辨上的困难。此外，受水的表面张力的影响，通过照片中观察到的水面与泥砂分界线与实际分界线可能存在一定的偏差，这也是实验过程中不可克服的一个问题。

(3) 泥砂的沉降问题。停止向水槽内供水后，水槽内泥砂受到水的浮力减小，受重力作用，其必然会产生一定程度的沉降。由于客观原因，我们在测量Ⅰ区域（即冲刷坑）与测量Ⅱ区域和Ⅲ区域之间间隔了较长的时间，经测量发现两次测量时河床的水位测针读数发生了一定的变化，亦即泥砂发生了沉降。这导致我们前后两次的测量数据不能得到完全的吻合，为此我们通过分析对实验数据进行了修正，尽量减少了泥砂沉降带来的影响。

(4) 以上只是我们总结的实验中存在的一些比较明显的问题，但在实验过程中不可避免的还会存在其它方面的一些缺陷，这需要我们在今后的学习过程中不断地回顾、总结，发现新的问题并寻找解决的办法，从而为取得更大的进步打下良好的基础。（完）