方睿智，魏松，段海澎,2

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

桥梁失效的一个常见原因是桥墩和桥台等桥梁基础构件周围产生局部冲刷，局部冲刷是由于桥墩暴露于水流之中，致使河道过水断面减小，流速加大，同时引起墩周水流结构发生剧烈变化，从而导致墩周泥沙输移能力的增加，并最终破坏了桥梁基础周围土壤，降低了桥梁的整体稳定性和抗倾覆能力。

桥梁基础局部冲刷亦是水利工程中最重要的问题之一。准确预估桥墩最大冲刷深度是桥梁结构设计中至关重要的一部分，桥墩局部冲刷深度的准确预测不仅可以真实反映桥墩周围水流的潜在破坏程度，而且对桥墩尺寸和墩型等主要参数的确定起到决定性作用。根据工程实际情况合理采用桥墩形式，可以有效降低局部冲刷破坏程度，使得桥梁在设计年限得以安全运行。因此，考虑桥墩尺寸与墩型因素的桥梁基础局部冲刷的研究具有重要意义。

2 国外研究现状

桥墩参数主要包括墩型和横截面尺寸，准确来说，桥墩的迎水面形状、桥墩横截面长度和宽度对局部冲刷墩周水流结构会造成较大的影响。这些参数也是墩周涡系产生和水流强度变化的重要因素之一，参数中的每一个变量都会影响局部冲刷的各项指标。近些年来桥墩参数对桥梁基础局部冲刷的影响已受到多位研究者关注。

Shukri[1]探究了不同直径的圆柱形桥墩周围的局部冲刷深度，得出以下结论：在相同泥沙粒径的条件下，增大桥墩直径会加剧局部冲刷破坏程度；此外，减小泥沙的平均粒径也会增大最大冲刷深度。Chiew[2]研究了圆柱形桥墩周围的局部冲刷，结果表明，通过增加桥墩直径与河床泥沙平均粒径的无量纲比，最大冲刷深度将以线性方式增加至相应阈值，而后最大冲刷深度值与该比值无关。根据Dietz[3]的试验结果，可以看出圆柱形桥墩墩周的冲刷深度随着墩径增大而增大，他还以圆柱形桥墩为参考，对比研究了各墩型桥墩在不同水流冲击角下墩周的冲刷深度，最后发现圆柱形桥墩局部冲刷深度不受水流与桥墩的冲击角影响。而对于双排组合桥墩，Ismail 等人[4]研究了双排串列布置的圆柱形桥墩周围的局部冲刷情况，结果表明，增大桥墩直径会相应增加冲刷深度，随着两墩间距的减小，桥墩周围的冲刷深度也会增加。

尽管学者们对圆柱形桥墩局部冲刷进行了大量的研究且成果丰硕，然而，在工程实际中，除了以圆柱形桥墩，矩形桥墩也是常见墩型。在针对矩形桥墩局部冲刷的研究中，Danesh[5]等分析了矩形桥墩周围冲刷坑的各项数值，如冲刷坑的深度、表面积和体积，并将矩形桥墩的长宽相应增加，发现其对冲刷坑各项数值均有所增大。Mashahir 等人[6]改变矩形桥墩长度，探究桥墩长度与固定护圈防护效果间的关系，结果表明，增大桥墩长度会降低护圈的减冲效果，此外，增大矩形桥墩的倾斜角度会增加桥墩周围的冲刷深度，降低护圈防护效果。Fael[7]将桥墩形状系数Ks定义为特定水平横截面形状桥墩的最大冲刷深度与标准横截面形状桥墩的最大冲刷深度之比。圆端形和椭圆形桥墩Ks=1，而矩形桥墩Ks=1.2。在与圆柱形桥墩局部冲刷特性的对比研究中，Chaudhuri 和Debnath[8]探究了圆柱形和方形桥墩局部冲刷过程，得出以下结论：圆柱形桥墩的冲刷机理表明，冲刷从桥墩侧面开始；而在方形桥墩上，冲刷从上游迎水面的拐角开始，延伸至桥墩下游端。Aghaee-Shalmani和Hakimzadeh[9]对比了圆柱形桥墩和不同坡度的圆锥形桥墩的冲刷深度，结果表明坡度达到15°的圆锥形桥墩，其上下游冲刷深度分别比圆柱形桥墩减小约36%和53%。Rashid[10]采用圆柱形桥墩与其他5 种不同形状的桥墩进行综合对比时发现，与其他形状桥墩相比，八角形桥墩在减少冲刷方面具有更加令人满意的效果。Shukur 和Obeid[11]进行了不同形状桥墩局部冲刷最小化模型试验，量测了平衡阶段各桥墩平衡冲刷深度，结果表明，桥墩上游冲刷深度与桥墩迎水面形状直接相关，最大平衡冲刷深度出现在矩形桥墩墩前位置，最小平衡冲刷深度出现在流线型桥墩迎水面拐角处。

除了单一的研究桥墩参数对局部冲刷的影响，也有研究人员探究了不同墩型与局部冲刷防冲措施的组合效应。Zarrati 等人[12]在圆形和矩形桥墩周围安装了一个护圈，并提出，与双排串列的圆柱形桥墩周围的连续护圈相比，单个矩形桥墩与护圈的结合显著减少了桥墩周围的冲刷。此外，护圈和抛石的结合大大减少了桥墩周围的冲刷。Zarrati[13]等人更进一步地研究了护圈宽度对倾斜矩形桥墩周围局部冲刷深度的影响，结果表明，较宽的护圈使桥墩周围的冲刷深度进一步减小。此外，倾斜桥墩明显降低了桥墩周围护圈的防护效果。Abozeid 等人[14]将开缝的矩形桥墩和组合桥墩平衡阶段局部冲刷形态进行对比后发现，组合桥墩墩周冲刷坑范围比开缝后的矩形桥墩小得多，且组合桥墩墩周最大冲刷深度相比于开缝的矩形桥墩减少了93%。而对于倾斜布置的桥墩，Bozkus 和Cecme[15]研究了斜墩在不同水流深度下的冲刷效果，结果表明，斜墩附近的冲刷深度比直墩附近的冲刷深度要小。与单个柱式桥墩相比，组合桥墩的冲刷深度明显减小。

Talib 等人[16]还研究了桥墩形状和流速对桥墩局部冲刷最终形态的影响。结果表明，矩形桥墩最大冲刷深度出现在墩前，而流线型桥墩最大冲刷深度出现在墩侧拐角处。且流速越大，最大冲刷深度越大。此外，利用量纲分析和现有数据得到了与试验结果高度吻合的冲刷计算公式。Ahmad 等人[17]探究了考虑墩型因素下，不同水流的冲击角与局部冲刷平衡状态的关系，结果表明，增大矩形桥墩的冲击角，会使矩形桥墩局部冲刷平衡阶段最大冲刷深度也随之增大。

研究者们为了更加深入地了解局部冲刷演变过程，选择在弯槽下，探究不同形状桥墩的局部冲刷现象。Masjedi 等人[18]对180°弯道中位于不同位置的矩形桥墩墩周冲刷深度进行了调查统计，发现弯道处的矩形桥墩最大冲刷深度出现在墩前拐角处。此外，弗劳德数Fr的增加也会增大墩周所有位置的冲刷深度。Helmy 等人[19]分析了位于30°弯道水槽处不同墩型桥墩在各种水流冲击角下局部冲刷试验结果，得出以下结论：绝大多数桥墩沿着水流纵向布置时，防冲刷性能最好，而六边形桥墩需要相对于水流方向成2.5°的冲击角才能获得更好的防冲性能。

3 国内研究现状

国内现有的一些局部冲刷研究成果中，对于考虑墩型与尺寸因素方面的局部冲刷研究成果仍然有限。为了优化局部冲刷计算，上世纪70 年代，由铁道部科研院铁建所主持进行了一次长达两年的局部冲刷科学研究，期间共进行五百多次试验。对桥墩形状影响局部冲刷深度的主要方面进行优化总结，并整理出一套相对完整的墩型系数表格[20]。王飞等人[21]也采用计算流体动力学软件FLUENT，模拟了圆柱形、三角尖形、流线型三种截面形式的桥墩在一定水力和河床条件下的局部冲刷。结果表明：桥墩周围局部冲刷最大深度、墩周流场结构以及冲坑发展形态的模拟结果与试验结果吻合度高。在保持桥墩宽度一致的条件下，三角尖形桥墩的最大冲刷深度比圆柱形桥墩减小约为40%，比流线型桥墩的局部冲刷深度减小约45%。张佰战等人[22]利用现行局部冲刷计算公式，并结合大量模型试验数据和现场调查数据，综合分析其参变量的相关性。对现行规范中的计算公式进行优化调整，用实测墩宽替换计算墩宽，并将斜交桥墩墩型系数进行了修正与优化，最终得到较为全面的冲刷计算公式。

4 结语

本文全面系统地综述了考虑桥墩尺寸与墩型因素的局部冲刷的研究成果，现有研究已经具有一定的成果积累，但仍然缺乏完整的理论体系，结合现状研究成果提出以下建议：

①在大多数研究中，水槽模型试验与数值模拟所研究的对象均为常见的柱式桥墩，并未考虑复杂组合墩型（如复杂群桩承台的桥墩）。因此，在后续研究中可考虑改变桥墩形式（如锥形桥墩、重力式桥墩），探究其对桥梁基础局部冲刷的影响，使得考虑墩型因素的桥梁基础局部冲刷的研究成果更加完善，也能更好地契合工程实际状况。

②对于大多数考虑墩型因素的局部冲刷研究中，研究者们主要注重墩周最大冲刷深度的预估，但桥墩基础局部冲刷也需着重考虑墩周冲刷破坏的范围，以确保桥梁基础整体的稳定性，因此，对于桥墩局部冲刷范围预估的研究也尤为重要。

③对于考虑桥墩尺寸与墩型因素的局部冲刷研究中，多数研究者仅对比研究了各墩型平衡冲刷状态，而缺乏对局部冲刷演变过程以及墩周水流结构的对比研究。因此，需进一步探究各桥墩局部冲刷特性，分析墩型、尺寸因素与墩周水流结构、局部冲刷演变过程的关系，以进一步揭示桥梁基础局部冲刷内在规律。