拋石體在橋墩處的防護(hù)作用

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1、前言

　　(表1河床沉積和拋石特性)

    在一定流速范圍內(nèi)觀察拋石層的反應(yīng)，臨界近似流速在0.44m寬的河槽內(nèi)為：U／Ucs?=0.61-3.10,在1.52m寬度河槽內(nèi)為U／Ucs=1.48-2.26。在0.44m寬度河槽的水流范圍內(nèi)可以觀察到沙丘和逆沙丘形成。在穩(wěn)定，近似均勻水流條件下進(jìn)行試驗(yàn)。表2列出的是在這項(xiàng)研究中的全部試驗(yàn)條件及結(jié)果。

　　(圖1拋石體定義草圖)

    3、拋石對(duì)河床形式的反應(yīng)
    3.1 破壞機(jī)理——表面鋪設(shè)拋石層
    河床形態(tài)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過橋墩導(dǎo)致橋墩處河床面的波動(dòng)。這樣的波動(dòng)使橋墩拋石變得不穩(wěn)定。拋的運(yùn)動(dòng)有兩種形式。如果河床比拋石層底部深，那么拋石會(huì)掏槽并滑入河槽區(qū)域，可能會(huì)被埋入一個(gè)深度。一旦石料被移走，底部沉積物造成的簸增加，相鄰的石料產(chǎn)生更大的移動(dòng)。當(dāng)河床波動(dòng)，接近橋墩時(shí)，短期內(nèi)可以導(dǎo)致高紊流、高剪應(yīng)力。拋石體可能會(huì)被沖走，沖至橋墩被水處。由河床形式變化產(chǎn)生的不穩(wěn)定性破壞過程示于圖2。

(圖２河床構(gòu)造的不穩(wěn)定破壞過程)

    對(duì)于埋置形式的機(jī)理，經(jīng)河床的最低河槽位對(duì)拋石層的沉陷具有最大的影響。如果橋墩下游的河床形式逐漸加深，石層會(huì)繼續(xù)下沉。特殊水流條件下的最深河槽，其最大深度處的拋石下沉（陷）的情況可以確定。最大河床深度的水流速度是拋石層發(fā)生最大沉陷的條件。其中具有最高剪應(yīng)力的拋石尺寸是非常重要的。小尺寸石料S1破壞的相對(duì)流速較低U／Ucs。河槽形態(tài)造成紊流的地方破壞速度快，成批地被沖走，導(dǎo)致拋石層的快速崩解。Chiew，Lim(2000年)曾提到過在沉積條件下拋石對(duì)水流的反應(yīng)變化。埋入情況的差別在于拋石料與河床物質(zhì)之比的大小，從而發(fā)生不同的反應(yīng)。根據(jù)Chiew，Lim(2000)的理論，對(duì)于拋石料尺寸的研究，應(yīng)該具有足夠大的尺寸，以應(yīng)對(duì)埋置的情況，而不會(huì)發(fā)生拋石層的瓦解。研究的結(jié)果在很大程度上支持這樣的結(jié)論：在全部的水流速試驗(yàn)中，除S1石料以外，所有的石料都沉入河床沉積物中。在較高的流速情況下，河槽的剪應(yīng)力接近于石料的臨界剪應(yīng)力，有部分石料的確是由于剪力而移動(dòng)，而埋入河槽底部。
    S1拋石石料D50＝7.8mm，基于Chiew和Lim(2000)標(biāo)準(zhǔn)，臨界剪切速度的大小相似于河床物質(zhì)。如上所述，S1石料的U／Ucs值比其它所有的拋石試驗(yàn)尺寸低時(shí)受到破壞。其原因，可能是這個(gè)特殊尺寸的石料對(duì)破壞機(jī)理更具敏感性。
    3.2 拋石對(duì)水流速的反應(yīng)——表面鋪設(shè)層
    當(dāng)受到上述提到的4種形式之一或以外更多情況影響時(shí)，拋石仍然能夠?qū)蚨仗峁┮欢ǖ谋Ｗo(hù)作用，比未受保護(hù)的橋墩降低了局部的沖刷深度。對(duì)6種拋石石料尺寸逐一進(jìn)行了試驗(yàn)。通過量測(cè)試驗(yàn)后的沖刷結(jié)果，比較未受保護(hù)的沖刷深度值。未受保護(hù)的沖刷深度，用測(cè)深聲納在上游橋墩處進(jìn)行量測(cè)，確定為試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)，上游橋墩處的最大沖刷深度，相對(duì)于平均沉積河床水平。由于拋石層的設(shè)置，沖刷深度作為在橋墩上游面最低拋石位置的垂直變化進(jìn)行了量測(cè)。
    拋石層鋪設(shè)面試驗(yàn)結(jié)果示于圖3。相對(duì)局部沖刷深度（dr/dsmax）,dr為受到保護(hù)的橋墩局部沖刷深度，dsmax為未受保護(hù)橋墩的最大局部沖刷深度。U/Ucs為相對(duì)流速。還包括L1和L2的數(shù)據(jù)組，經(jīng)過選擇的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)結(jié)果的典型數(shù)據(jù)。

                                       圖３ 在圓柱形橋墩周圍床面鋪設(shè)拋石的特性

    拋石尺寸示于圖3。當(dāng)相對(duì)流速增加時(shí)，相對(duì)沖刷深度dr/dsmax也增加。最小的石料尺寸（S1、L1、L2）相對(duì)局部沖刷深度增加將近1.0，即對(duì)拋石層的沖刷接近了未受保護(hù)橋墩的數(shù)值。較大的拋石石料，也顯示出這個(gè)趨勢(shì)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和Chiew和Lim(2000)的數(shù)據(jù)，以相對(duì)流速明顯增加為前提，假定所有石料尺寸的相對(duì)局部沖刷深度可以達(dá)到1.0。
    對(duì)每一相對(duì)流速的結(jié)果進(jìn)行了比較：當(dāng)石料尺寸增大時(shí)，其局部沖刷深度相對(duì)降低，可以說沖刷保護(hù)起到作用。因此，當(dāng)拋石尺寸增加時(shí)，在一定流速范圍內(nèi)提供沖刷保護(hù)的作用也增加。規(guī)定拋石材料的尺寸，可以提供所期望的保護(hù)程度。規(guī)定出明確的水流條件范圍。
    基于流速范圍觀察拋石層可以看出，當(dāng)水流狀態(tài)和／或拋石尺寸有變化，拋石層破壞模式發(fā)生變化。這些情況顯示在圖4中。對(duì)剪力、簸和邊緣破壞在多數(shù)水流條件下進(jìn)行了觀察，然而，由于河床形態(tài)的變化造成的不穩(wěn)定可能僅發(fā)生在活動(dòng)河床條件下。簸破壞的可能性隨著相對(duì)剪力速度U*/U*cs而增加，而邊緣破壞發(fā)生在U*/U*cr值較大時(shí)，僅當(dāng)U*/U*cr＞0.35時(shí)，才會(huì)發(fā)生剪切破壞。圖中還示出，簸發(fā)生的可能性在拋石沉陷尺寸比較大時(shí)，如Chiew和Lim(2000)等指出的那樣。

                                      (圖４清水水流和活動(dòng)河床狀態(tài)下，橋墩拋石破壞條件)

    3.3破壞機(jī)理——各種鋪設(shè)深度
    鋪設(shè)深度影響拋石層的主控破壞模式?；谏鲜稣撌?，拋石層鋪設(shè)得與床面一樣高，其形式導(dǎo)致了邊緣石料的下切和漸進(jìn)破壞。石料移入河槽，并擴(kuò)散到旁側(cè)。這導(dǎo)致層逐漸變薄的過程中，河床底部物質(zhì)發(fā)生簸。拋石沉入河床物質(zhì)中并擴(kuò)散形成鎧甲層，圍繞橋墩，這個(gè)階段較穩(wěn)定，提供了對(duì)有可能受到局部沖刷的橋墩的保護(hù)。對(duì)河床物質(zhì)順?biāo)饕苿?dòng)過橋墩的情況進(jìn)行了連續(xù)性的觀察，沒有發(fā)生石料向側(cè)位移的情況。然而，如果較深處的河槽移動(dòng)過橋墩時(shí)，明顯的沉陷可能發(fā)生。最終，拋石層會(huì)下沉到底部不受紊流影響的位置。在較高位的水流，特別是沖水拋石層，觀察到不同的機(jī)理。在橋墩前端，強(qiáng)勁的下行水流和馬蹄形的渦流可以剝蝕拋石，使簸發(fā)生，橋墩處的拋石下沉至沖刷區(qū)域。邊緣的石料不會(huì)埋入河床，而通常是輸送到了橋墩前面的沖刷區(qū)域。沖刷孔被填埋，加厚了橋墩處的拋石層，從而減少了簸的影響。經(jīng)過這些過程，石料仍然對(duì)橋墩提供保護(hù)作用。
    對(duì)于較深些的鋪設(shè)位置，河床構(gòu)造淘切拋石層的可能性可降低。對(duì)于已定水流條件，不管拋石如何放置，河床構(gòu)成的高度通常是相似的，當(dāng)拋石鋪設(shè)在最大的鋪設(shè)深度，Y／D＝0.86，石料通常處于河床構(gòu)造的底部，僅在石料的頂層最接近橋墩的地方被暴露在試驗(yàn)水流條件下。接著發(fā)生的是床沙簸對(duì)橋墩迎水面的沖擊成為主要的破壞模式，直到河床的剪應(yīng)力足以沖走石料。在有些情況下，最初的拋石結(jié)構(gòu)幾乎不被擾動(dòng)，除了稍稍下沉構(gòu)成了對(duì)上游橋墩面的影響之外。
    鋪設(shè)低于原始河床層位也可以減少拋石沉入河床物質(zhì)的沉陷深度。在一特殊水流條件下，拋石層將沉入接近河槽最深處位置，無論其最初的位置如何。較深層位的優(yōu)勢(shì)是減少了石料的移動(dòng)。沒有因?yàn)樘运⒍鴵p失太多的石料，大多數(shù)石料是原封不動(dòng)地保留了下來，因此，仍然起著保護(hù)層的作用。
    3.4拋石對(duì)水流速度——各種鋪設(shè)深度的反應(yīng)
    在相對(duì)流速范圍內(nèi)選擇4個(gè)層面做拋石鋪設(shè)試驗(yàn)。（Y／D＝0，0.29,0.57,0.86）,鋪設(shè)深度Y的量測(cè)是從平均原始河床水平，到拋石層面的深度計(jì)算（圖1）。石料的上方區(qū)域，用河床物質(zhì)填充。試驗(yàn)之前就開始對(duì)拋石層底部位置做記錄，試驗(yàn)過程中，直到試驗(yàn)?zāi)┪策M(jìn)行監(jiān)測(cè)。在初期與終期最低拋石層位具有不同的沖刷深度。對(duì)沖刷結(jié)果與同水流條件下觀察到的未受保護(hù)橋墩的最大沖刷進(jìn)行對(duì)比，歸納列表（表２略）。相對(duì)流速變化在1.25-3.10之間。
    由歸納數(shù)據(jù)證實(shí)，床面鋪設(shè)拋石的沉陷隨水流速度漸進(jìn)增加。預(yù)料沖刷深度最終將達(dá)到未受保護(hù)的局部沖刷深度。然而，對(duì)于各種流速來講，拋石尺寸越大，相對(duì)局部沖刷深度越小。另外，在各流速情況下，初期鋪設(shè)層越深，沖刷越小。
    試驗(yàn)結(jié)果示于圖5，圖中相對(duì)局部沖刷深度dr/dsmax繪制相對(duì)于鋪設(shè)深度Y／D。隨著鋪設(shè)深度的增加，沖刷深度呈漸進(jìn)、線性減弱的趨勢(shì)。對(duì)于每種石料尺寸，當(dāng)相對(duì)流速增加時(shí)，沖刷深度增加。然而，在沉積河床深度內(nèi)鋪設(shè)可以適當(dāng)減少特殊水流條件下的沖刷深度。

　　(圖５表示鋪設(shè)深度與相對(duì)局部沖刷深度關(guān)系的最新試驗(yàn)數(shù)據(jù))

    試驗(yàn)結(jié)果顯示的主控趨勢(shì)為：較深的鋪設(shè)層，對(duì)局部沖刷具有較大的保護(hù)性。在活動(dòng)河床條件下，由河床形態(tài)變化造成的不穩(wěn)定性，加劇了在清水條件下經(jīng)受的剪力、簸和邊緣破壞。深度鋪設(shè)使石層不受河床構(gòu)造變化造成的淘槽，并降低石料的剪應(yīng)力。簸成為橋墩表面的主要破壞機(jī)理。
    4、考慮到鋪設(shè)深度的拋石尺寸公式Lanchlan(1999)分析了橋墩處達(dá)到最小沖刷深度所需拋石尺寸的各種影響因素。
    在目前的研究中，KD,Ks,Kα的影響不進(jìn)行研究，拋石的平均面積和層厚度的4D和2D50?保持不變。引用的關(guān)系式與許多前期開發(fā)的橋墩防護(hù)公式相似。
    首先，考慮河床面鋪設(shè)拋石層。任何預(yù)測(cè)公式的難點(diǎn)在于定義破壞條件。過去的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)通常是依拋石的尺寸排列，這樣在設(shè)計(jì)水流速度下不發(fā)生河床物質(zhì)的移動(dòng)。這一保守的方法有可能使石料尺寸過大。目前的研究已經(jīng)看出，圍橋墩在床面鋪設(shè)拋石層可以提供各種角度的保護(hù)，甚至是在受到擾動(dòng)的情況下。

　　(圖６床面鋪設(shè)拋石層的試驗(yàn)結(jié)果比較)

    在試驗(yàn)過程中，對(duì)特定水流速度下，每種石料尺寸的局部沖刷深度都做了記錄。記錄情況還不是臨界破壞條件的直接數(shù)據(jù)。要得到臨界破壞條件，在試驗(yàn)中當(dāng)未受保護(hù)的最大沖刷深度＜20％時(shí)，拋石性能認(rèn)為是合適的。超過這個(gè)數(shù)據(jù)的沖刷深度視為破壞。圖6示出的數(shù)據(jù)，表示石料尺寸所需的具有80％的局部沖刷保護(hù)作用。(圖6為床面鋪設(shè)拋石層。)
    圖6還可將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)與彼得森(1974),Parola(1991,1993),克羅得(1997)以及Chiew和Lim(2000)的先期試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行比較。這些研究的試驗(yàn)條件示于表3，與目前的研究有許多不同之處。這些前期研究具有不同的破壞定義，通常用于指導(dǎo)在某特定條件下，對(duì)拋石尺寸的破壞進(jìn)行界定。逐漸增大水的流速，直到破壞發(fā)生。一般間隔時(shí)間很短。在Chiew和Lim的數(shù)據(jù)中僅有dr/dsmax小于20％。表3還介紹了各種不同形狀橋墩的情況?？梢钥吹?，在Parola(1993)一項(xiàng)中的A、B、C表示用不同橋墩形式和／或河床條件進(jìn)行的試驗(yàn)。

　　目前的研究數(shù)據(jù)資料提供了比早期研究較大的臨界石料尺寸。在Quazi和彼得森(1974)進(jìn)行的早期研究中，采用了一種固定式槽床。如已經(jīng)提到的，在大部分活動(dòng)河床情況中，河床形式的不穩(wěn)定是最顯著的破壞機(jī)理。研究數(shù)據(jù)也顯示了石料臨界尺寸的突然增加，F(xiàn)＞0.5。這和突然增加的情況在目前的研究數(shù)據(jù)中沒有見到。在Croud（1997）的研究中，設(shè)備的流量限值不允許完全限定拋石的臨界流速。
    根據(jù)這個(gè)資料，可以得出結(jié)論，目前的研究結(jié)果提供了一個(gè)相對(duì)流速最小的臨界石料尺寸。
    當(dāng)沒有充足的數(shù)據(jù)確定KsK?α和K?D時(shí)，將它們看成一個(gè)適度的整體。正如Fotherby和Ruff(1999)的研究，已示出K?D是一個(gè)特征參數(shù)，特別是當(dāng)拋石直徑接近橋墩大時(shí)。初期試驗(yàn)中不同拋石層的平均值和厚度值指出，一個(gè)4D的平均面積和2D50的厚度具有很好的性能，因此，Kc和Kt兩項(xiàng)也就省略了。
    這項(xiàng)研究數(shù)據(jù)現(xiàn)在用于估算Kr。每種水流所需的拋石尺寸Froude數(shù)值可以看作隨增加的鋪設(shè)深度而減小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)示出了應(yīng)用的各種拋石尺寸和流速，以及破壞臨界dr/dsmax＜20％。圖7中還包括得出的各深度鋪設(shè)層公式。
    試驗(yàn)研究的臨界條件和橋墩形式：水流速增加，直到相對(duì)沖刷深度dr/dsmax=1.0。當(dāng)水流強(qiáng)度增加時(shí)，拋石層不重新集合，僅在dr/dsmax小于０.３時(shí)的數(shù)據(jù)已包括在內(nèi)。采用圓形橋墩。Croad(1997)臨界條件被認(rèn)為是拋石層完全崩解時(shí)。以圓柱形，矩形和板形橋墩試驗(yàn)。Quazi和Peterson穩(wěn)定的河床條件下，破壞定義為在單顆?；蚨囝w粒從橋墩鋪設(shè)層的前半部分移走時(shí)，發(fā)生破壞。采用園—鼻形橋墩試驗(yàn)。Parola(1991,1993)拋石設(shè)置３層，中間層涂成熒光橙色。破壞定義為橙色石的破壞，３０分鐘內(nèi)沒有移走。均勻等級(jí)拋石料放置在矩形橋墩固定的局部沖刷孔處；１９９３（Ａ）：將拋石堆設(shè)在圍矩形橋墩的河床表面；１９９３（Ｂ）：將拋石放置在固定好，預(yù)先設(shè)置的矩形橋墩周圍的沖刷孔處；１９９３（Ｃ）：將拋石放置在園形橋墩周圍的河床表面。

　?。▓D７將拋石層鋪設(shè)在沉積河床不同深度的最適合的公式）

　　公式（3）與同類型公式的比較示于圖8。這些公式都表示了床面鋪設(shè)拋石，因此，Kr不包括在內(nèi)。顯著的不同在于線的曲度，即指數(shù)F。較低Floude數(shù)時(shí)的拋石尺寸一般大于那些由過去的公式估測(cè)的數(shù)值。在Floude數(shù)值范圍內(nèi)的上端，尺寸估測(cè)與Richardson和Davis(1995),以及Parola(1995)提出的公式相似。

　?。▓D８各種拋石體尺寸預(yù)估公式與公式（３）的比較）

    圖8還示出拋石尺寸預(yù)測(cè)公式的廣泛的使用范圍。示于圖8的所有公式，除了目前的研究以外，是以石料穩(wěn)定性理論或通過清水試驗(yàn)取得的經(jīng)驗(yàn)性公式為依據(jù)。另外，試驗(yàn)研究中破壞定義的變化范圍很大。目前的以及Richardson(1995)的研究公式建議在測(cè)定橋墩拋石體的尺寸時(shí)使用。
    5、結(jié)論
    1）由于河床構(gòu)造的發(fā)展經(jīng)過橋墩造成的拋石層保護(hù)橋墩的不穩(wěn)定性是在活動(dòng)河床條件下最主要的破壞模式。其次是邊緣、剪切、簸。
    2）拋石下沉到河床沉積物中，借助河床構(gòu)造的通道，經(jīng)過橋墩，最終停留在河槽的一個(gè)位置上。石料為層狀下沉，因此，仍然可以對(duì)橋墩起到保護(hù)作用。
    3）在活動(dòng)河床條件下，相對(duì)的石料尺寸范圍內(nèi)，局部沖刷深度隨相對(duì)水流速度的增加而增加，直到達(dá)到dr/dsmax=1.0。這與Chiew和Lim(2000)的研究相一致?？梢灶A(yù)料，如果水流速度顯著增加，剩余的數(shù)據(jù)也將呈現(xiàn)這個(gè)趨勢(shì)。
    4）拋石鋪設(shè)在河床沉積物表面以下，不易受到河床構(gòu)造變化造成的不穩(wěn)定性的影響，因此，對(duì)于保護(hù)橋墩起到了更好的作用。
    5）在活動(dòng)河床條件下，較大的石料尺寸在已知的水流速度下，具有較大的沖刷保護(hù)作用。預(yù)測(cè)可提供局部沖刷保護(hù)適當(dāng)?shù)氖铣叽缡强梢宰龅降摹?br />     6）將公式3與早期拋石尺寸預(yù)測(cè)公式進(jìn)行比較看出，對(duì)一定范圍內(nèi)的水流條件下，現(xiàn)有公式提供了所需的、較適宜的石料尺寸估算，并與Richerdson和Davis(1995)的預(yù)測(cè)方法具有良好的一致性。