CN113529590B - 一种具有减缓桥墩基础局部冲刷的多级垫层防护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种具有减缓桥墩基础局部冲刷的多级垫层防护方法，属于桥梁工程防护领域。本发明通过抬高桥墩前边界层高度，减小墩前下潜流下潜路径，在防护装置前形成与原漩涡相反的抵消漩涡，削弱墩前马蹄涡强度，防护桥墩基础冲刷；装置包括：撑吊装置，多级垫层防护装置，多级垫层防护装置的尺寸设计方法，多级垫层防护装置的安装方法。本发明的优点在于：1，能够显著减小桥墩局部冲刷深度；2，可用于桥墩前期未发生较明显冲刷或后期发生明显冲刷的防护，且具有易于安装，成本投入较少及后期维护简单的优点。

Description

一种具有减缓桥墩基础局部冲刷的多级垫层防护方法
技术领域
本发明涉及应用于桥墩基础上具有减缓冲刷的多级垫层防护措施，属于桥梁工程防护领域。
背景技术
当天然河道修建桥梁后，其作为典型的角区流动的主要形式之一，将引起水流边界层的分离并形成马蹄涡或尾涡系统。作为桥墩局部冲刷主要原因的马蹄涡将危害到桥墩基础的稳定，因此如何削弱或干扰角区马蹄涡强度成为解决桥墩冲刷防护的主要方法之一。通常认为，墩前由于压力梯度产生的下潜水流是形成马蹄涡的主要原因。其在墩前对称面处将形成不同数量的漩涡，其中主涡是局部冲刷的关键，次涡在不同水流状态(主要是水流雷诺数Re)将于主涡进行周期或非周期的融合或分离，且次涡在冲刷泥沙过程中主要起到维持沙脊以上冲刷坑坡度形态。另外，经不同学者研究，其主涡位置在不同的水流雷诺数或桩径雷诺数(ReD)下其涡心位置相对稳定，可认为位于墩前0.3D左右，具体位置需要根据具体情况分析。同时，马蹄涡的强度通常与边界层厚度及桩径雷诺数等密切相关，基本的观点认为马蹄涡强度随着边界层的增大而增强，随着桩径雷诺数增大而增大。
以上主要对马蹄涡的产生及机理进行阐述。当然实际天然情况下桥墩冲刷是十分复杂的，涉及到一般冲刷或局部冲刷的耦合作用。目前对于桥墩冲刷防护多采用被动的措施，且通常当桥墩已发生较严重冲刷后才着手防护。以最常用的碎石防护为例，其抛填防护并不能补救或改善基础的受力特性，仅可能减缓进一步冲刷的发生。同时，其防护及后期维护的代价往往是巨大的。面对这种情况，如何预先采用较小成本控制桥墩冲刷发展的防护措施成为解决问题的关键。
发明内容
本发明的目的提出一种可同时用于桥墩前期未发生明显冲刷的预防以及后期发生明显冲刷后的保护措施。
本发明采用的原理是通过抬高桥墩前边界层高度，减小墩前下潜流下潜路径，在防护装置前形成与原漩涡相反的抵消漩涡，削弱墩前马蹄涡强度。
具体而言本发明包括：撑吊装置，多级垫层防护装置，多级垫层防护装置的尺寸设计方法，多级垫层防护装置的安装方法；
1)上述的撑吊装置，包括：4台卷扬机，主吊绳，主吊环，单层拉绳，单层吊环，辅助绳，辅助吊环；
其中四台卷扬机固定在桥墩的四个方向上，主吊绳上端绕在卷扬机上，下端拴在主吊环上，主吊环扣住单层吊环，单层吊环栓着单层拉绳；主吊环还扣住辅助吊环，辅助吊环拴着辅助绳。
每个柔性圆形垫层上都安装有4个单层拉绳，4个单层拉绳捆绑着柔性圆形垫层，安装过程中4个主吊绳拉着单层吊环，通过卷扬机的工作拉着柔性圆形垫层沿着桥墩上下运动；
最上一层的辅助吊环和辅助绳上端拉在主吊环上，下端拉在下一层的单层吊环和辅助吊环上，这样当最上一层提起后辅助绳拉伸，当辅助绳拉直后相邻的下一层被提起；当继续向上提高时，各层逐级被提起。
2)上述的多级垫层防护装置：不同半径的柔性圆形垫层；上述的柔性圆形垫层按照半径大小依次套于桥墩底部；每个柔性圆形垫层套于桥墩后采用螺栓两端对接固定；上述的柔性圆形垫层采用高性能橡胶制作或聚乙烯复合材料制作。
3)多级垫层防护装置的尺寸设计，包括：
单个垫层为具有一定厚度的圆环，其内径为ri，外径为ro，厚度为d，其厚度d＝P/n；其中垫层数为n，n≥3，柔性垫层总高度为P；
上述的柔性圆形垫层内径ri略大于桥墩半径R，柔性圆形垫层内径与桥墩之间的间隙Δ＝ri-R,Δ≤5cm；
上述的柔性圆形垫层从下向上为第一层，第二层，第三层，依次类推，相应各层的外径为ro1，ro2，ro3……ron；同样，各层厚度为d1，d2，d3……dn；
上述的各柔性圆形垫层外径从下向上逐层缩小，即ro1<ro2<ro3<…<ron；
当
Figure BDA0003247260350000021
时采用ro1＝Hmax/2,Hmax为桥墩所处位置的历史最大水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
当
Figure BDA0003247260350000022
时采用ro1＝HEverage/2,HEverage为桥墩所处位置的历史平均水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
当
Figure BDA0003247260350000023
时采用ro1＝Hmin,Hmin为桥墩所处位置的历史最小水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
当
Figure BDA0003247260350000031
时采用ro1＝Hmin/2,Hmin为桥墩所处位置的历史最小水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
以上各情况下，柔性圆形垫层的各层在剖面上形成一个多级台阶，多级台阶坡度范围为1/3～2/3。
4)多级垫层防护装置的安装方法；
本设计采用垫片、螺栓和螺母将柔性圆形垫层两端闭合。上述的垫片、螺栓和螺母为不锈钢材料，在柔性圆形垫层断口合适位置左右对称贯穿4个圆孔。垫片为上、下两片，垫片厚度不宜过厚，以免增加圆形垫层之间空隙，造成不必要的影响。上、下垫层结构一致，闭合后在圆孔内形成上、下凹槽，用于埋藏螺栓和螺母，并起到固定螺丝封闭垫层的作用。
通过组合上述圆形桥墩、不同大小垫层与螺栓、螺帽及垫片组装，形成河床面以上多垫层“金字塔”阶梯型防护措施，其主要起到抬高墩前边界层高度，在减小墩前下潜流下潜路径的情况下在其结构上坡面形成与原角区漩涡相反的抵消漩涡，进而达到削弱墩前马蹄涡强度的效果以减小桥墩局部冲刷深度的可能。
其安装采用一定厚度具有柔性圆形垫层依照从大到小半径依次安装桥墩底部，在桥墩底部泥面以上形成类似“金字塔”的阶梯型防护措施。其中，一定厚度圆形垫层套于圆形或其他形状桥墩，其与桥墩之间存在一定间隙，可使其在桥墩发生一定不可避免冲刷后能自由下降，圆形垫层具有一定柔性保证其能在下降后与产生的不均匀冲刷坑地形尽可能贴合，防止防护结构边缘冲刷造成其底部泥沙淘蚀并产生不利冲刷影响。该专利拟提出防护措施工作原理主要是抬高墩前边界层高度，在减小墩前下潜流下潜路径的情况下在其结构上坡面形成与原角区漩涡相反的抵消漩涡，进而达到削弱墩前马蹄涡强度的效果以减小桥墩局部冲刷深度的可能
具体而言，本发明的效益如下：
1，本发明提出的一种新的桥墩防冲措施，能够显著减小桥墩局部冲刷深度；
2，本发明提出的措施可用于桥墩前期未发生较明显冲刷或后期发生明显冲刷的防护，且具有易于安装，成本投入较少及后期维护简单的优点，有着较高的经济与应用价值；
3，本发明通过逐级提起或者放置不同的层数控制其保护柱体的高度宽度，进而影响墩前马蹄涡的形成保护墩根部免于冲刷。
附图说明
图1实施例1多级垫层防护装置采用三层进行防护剖面示意图；
图2为图1主吊绳末端细节放大示意图；
图3实施例1多级垫层防护装置，当水位下降时将最上一层吊起状态示意图；
图4各垫层堆放示意图；
图5实施例1多级垫层防护装置，当水位进一步下降时将上两层吊起状态示意图；
图6各级垫层俯视示意图；
图7固定一次性安装的多级垫层防护装置剖面示意图；
图8柔性圆形垫层的闭合方法俯视示意图；
图9柔性圆形垫层的闭合方法侧视示意图；
图10不同厚度不同层数的多级垫层防护装置吊装方案示意图；
图11不同厚度不同层数的多级垫层防护装置一次性固定安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
一种具有减缓桥墩基础局部冲刷的多级垫层防护装置，是为了保护桥墩1构建的一种装置，具体包括：撑吊装置，多级垫层防护装置，多级垫层防护装置的尺寸设计方法，多级垫层防护装置的安装方法；
上述的撑吊装置，包括：四台卷扬机2，主吊绳3，主吊环41，单层拉绳44，单层吊环43，辅助绳45，辅助吊环42；
其中四台卷扬机2固定在桥墩1的四个方向上，主吊绳3上端绕在卷扬机2上，下端拴在主吊环41上，主吊环41扣住单层吊环43，单层吊环43栓着单层拉绳44；主吊环41还扣住辅助吊环42，辅助吊环42拴着辅助绳45。
以3层柔性圆形垫层的防护装置说明。
如图1，2，3，4，5，6所示，三个柔性圆形垫层分别是51，52，53。
如图5所示每个柔性圆形垫层上都安装有4个单层拉绳44，4个单层拉绳捆绑着柔性圆形垫层，安装过程中4个主吊绳3拉着单层吊环42，通过卷扬机的工作拉着柔性圆形垫层沿着桥墩1上下运动；
如图2所示，最上一层的辅助吊环42和辅助绳45上端拉在主吊环上，下端拉在下一层的单层吊环43和辅助吊环42上；
如图3，4所示，当最上一层提起后辅助绳45拉伸，当辅助绳45拉直后相邻的下一层被提起；当继续向上提高时，各层逐级被提起。
当桥墩处水深发生变化时，其所处位置的马蹄涡位置和强度会随之发生变化，为了使得多级垫层防护装置仍能有效消涡，通过卷扬机2的操纵，分别吊起不同的垫层，调整防护垫层的总高度，使得消涡达到最佳效果。
实施例二
如图7所示，一种具有减缓桥墩基础局部冲刷的多级垫层防护装置，其中多级垫层防护装置包括：
不同半径的柔性圆形垫层；
上述的柔性圆形垫层按照半径大小依次套于桥墩1底部；
每个柔性圆形垫层套于桥墩后采用螺栓两端对接固定；
上述的柔性圆形垫层采用高性能橡胶制作或聚乙烯复合材料制作；
如图7所示，在本实施例防护中，采用多级垫层防护装置一次性安装，固定保护。
实施例三
多级垫层防护装置的尺寸设计，包括：
单个垫层为具有一定厚度的圆环，其内径为ri，外径为ro，厚度为d，其厚度d＝P/n；其中垫层数为n，n≥3，柔性垫层总高度为P；
上述的柔性圆形垫层内径ri略大于桥墩半径R，柔性圆形垫层内径与桥墩之间的间隙Δ＝ri-R,Δ≤5cm；
上述的柔性圆形垫层从下向上为第一层，第二层，第三层，依次类推，相应各层的外径为ro1，ro2，ro3……ron；同样，各层厚度为d1，d2，d3……dn；
上述的各柔性圆形垫层外径从下向上逐层缩小，即ro1<ro2<ro3<…<ron；
当
Figure BDA0003247260350000051
时采用ro1＝Hmax/2,Hmax为桥墩所处位置的历史最大水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
当
Figure BDA0003247260350000061
时采用ro1＝HEverage/2,HEverage为桥墩所处位置的历史平均水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
当
Figure BDA0003247260350000062
时采用ro1＝Hmin,Hmin为桥墩所处位置的历史最小水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
当
Figure BDA0003247260350000063
时采用ro1＝Hmin/2,Hmin为桥墩所处位置的历史最小水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
以上各情况下，柔性圆形垫层的各层在剖面上形成一个多级台阶，多级台阶坡度范围为1/3～2/3。
4)多级垫层防护装置的安装方法；
本设计采用垫片6、螺栓61和螺母62将柔性圆形垫层两端闭合。上述的垫片、螺栓和螺母为不锈钢材料，在柔性圆形垫层断口合适位置左右对称贯穿4个圆孔。垫片6为上、下两片，垫片厚度不宜过厚，以免增加圆形垫层之间空隙，造成不必要的影响。上、下垫层结构一致，闭合后在圆孔内形成上、下凹槽，用于埋藏螺栓和螺母，并起到固定螺丝封闭垫层的作用。如图8，图9所示。
实施例四
将实施例一和实施例三组合在一起，柔性垫层总高度P可以通过卷扬机调整。
实施例五
对于实施例二中一次性安装固定的多级垫层防护装置，其尺寸设计方法与实施例三的区别在于：
柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为发生2年一遇洪水时桥墩1所处位置的水深。

Claims (2)

1.一种具有减缓桥墩基础局部冲刷的多级垫层防护方法，其特征在于：采用的原理是通过抬高桥墩前边界层高度，减小墩前下潜流下潜路径，在防护装置前形成与原漩涡相反的抵消漩涡，削弱墩前马蹄涡强度，防护桥墩基础冲刷；
所述装置包括：撑吊装置，多级垫层防护装置，多级垫层防护装置的尺寸设计方法，多级垫层防护装置的安装方法；
所述的撑吊装置，包括：4台卷扬机，主吊绳，主吊环，单层拉绳，单层吊环，辅助绳，辅助吊环；
其中四台卷扬机固定在桥墩的四个方向上，主吊绳上端绕在卷扬机上，下端拴在主吊环上，主吊环扣住单层吊环，单层吊环栓着单层拉绳；主吊环还扣住辅助吊环，辅助吊环拴着辅助绳；
每个柔性圆形垫层上都安装有4个单层拉绳，4个单层拉绳捆绑着柔性圆形垫层，安装过程中4个主吊绳拉着单层吊环，通过卷扬机的工作拉着柔性圆形垫层沿着桥墩上下运动；
最上一层的辅助吊环和辅助绳上端拉在主吊环上，下端拉在下一层的单层吊环和辅助吊环上，这样当最上一层提起后辅助绳拉伸，当辅助绳拉直后相邻的下一层被提起；当继续向上提高时，各层逐级被提起；
所述的多级垫层防护装置包括：不同半径的柔性圆形垫层；上述的柔性圆形垫层按照半径大小依次套于桥墩底部；每个柔性圆形垫层套于桥墩后采用螺栓两端对接固定；上述的柔性圆形垫层采用高性能橡胶制作或聚乙烯复合材料制作；所述的多级垫层防护装置的尺寸设计，包括：
单个垫层为具有一定厚度的圆环，其内径为ri，外径为ro，厚度为d，其厚度d＝P/n；其中垫层数为n，n≥3，柔性垫层总高度为P；
所述的柔性圆形垫层内径ri略大于桥墩半径R，柔性圆形垫层内径与桥墩之间的间隙Δ＝ri-R,Δ≤5cm；
所述的柔性圆形垫层从下向上为第一层，第二层，第三层，依次类推，相应各层的外径为ro1，ro2，ro3……ron；同样，各层厚度为d1，d2，d3……dn；
所述的各柔性圆形垫层外径从下向上逐层缩小，即ro1＜ro2＜ro3＜...＜ron；
所述的第一层的外径ro1和柔性圆形垫层总高度P满足如下条件：
当时采用ro1＝Hmax/2,Hmax为桥墩所处位置的历史最大水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
当时采用ro1＝HEverage/2,HEverage为桥墩所处位置的历史平均水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
当时采用ro1＝Hmin,Hmin为桥墩所处位置的历史最小水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
当时采用ro1＝Hmim/2,Hmin为桥墩所处位置的历史最小水深；此时采用的柔性圆形垫层总高度P≤H/2，H为现状水深；
以上各情况下，柔性圆形垫层的各层在剖面上形成一个多级台阶，多级台阶坡度范围为1/3～2/3。
2.根据权利要求1所述的一种具有减缓桥墩基础局部冲刷的多级垫层防护方法，其特征在于：
所述的多级垫层防护装置的安装方法为：采用垫片、螺栓和螺母将柔性圆形垫层两端闭合；上述的垫片、螺栓和螺母为不锈钢材料，在柔性圆形垫层断口合适位置左右对称贯穿4个圆孔，采用螺栓穿插在垫片和4个圆孔中，将防护装置的两端闭合。
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