CN115387206A - 一种柔性箱式格栅桥墩护底结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，包括桥墩、设于桥墩下方的承台以及用于支撑承台的若干桩基，在桥墩外侧设有与桥墩形状对应的环形透水格栅箱，且透水格栅箱内侧尺寸和桥墩外侧尺寸对应，所述透水格栅箱设置在承台上且透水格栅箱顶面与对应河流河床平齐；所述透水格栅箱内填充有石料。该护底结构能有效减缓桥墩附近的水流流速，减弱冲刷，避免桥墩被下降水流及涡旋体系冲刷底部导致的桥体失稳，具有良好的防护效果。能有效解决由于桥梁墩、承台的存在，阻挡了水流的行进，使得桥墩周围的局部流场发生改变，导致桥墩附近的泥沙运动，形成局部冲刷坑的问题。

Description

一种柔性箱式格栅桥墩护底结构

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，特别涉及一种柔性箱式格栅桥墩护底结构。

背景技术

当冲淤河流中存在阻水结构物(桥墩、丁坝、靠船墩等)时，结构物周围河床的局部冲刷对结构物的稳定有很大的影响。对于桥墩而言，由于桥墩的阻水使得过水面积减小，墩周流速增大并形成涡系结构，河床剪应力增加，墩周河床沉积物被水流搬运，以致于床面高程逐步降低形成冲刷坑，导致桥墩基础的埋深减小，承载能力降低，严重时会导致桥梁的倒塌，甚至造成生命和财产的损失，对公共安全造成很大的威胁。

目前，从防护原理分类，可以将桥墩的保护方法分为两大类：

一类是增强河床的防冲刷能力，主要是避免桥墩被下降水流及涡旋体系冲刷底部而导致失稳的工程措施，例如抛石法、扩大桥墩基础、设置混凝土六面体护底等，但抛石法整体性较差，且维护费用高昂；扩大桥墩基础则可能因为床面下切出现的裸露引起更大的冲刷；混凝土六面体加糙河床，导致水位壅高，河流过流能力下降。

另一类为减速不冲工程，通过改变桥墩自身的结构或在桥墩周围设计其它装置以抑制或削弱水流冲刷力的工程措施，如护圈防护、开缝防护等，但此类方法对河床及水流条件有一定要求。而山区河流水位变幅大，河床复杂多变都可能引起防护效果减弱或丧失。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，该护底结构能有效减缓桥墩附近的水流流速，减弱冲刷，避免桥墩被下降水流及涡旋体系冲刷底部导致的桥体失稳，具有良好的防护效果。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，包括桥墩、设于桥墩下方的承台以及用于支撑承台的若干桩基，在桥墩外侧设有与桥墩形状对应的环形透水格栅箱，且透水格栅箱内侧尺寸和桥墩外侧尺寸对应，所述透水格栅箱设置在承台上且透水格栅箱顶面与对应河流河床平齐；所述透水格栅箱内填充有石料。

进一步地，所述透水格栅箱由若干透水格栅箱单元构成，所述透水格栅箱单元为弧形格栅箱或矩形格栅箱中至少一种。

进一步地，透水格栅箱纵向上由多层透水格栅箱单元构成，相邻两层的透水格栅箱单元对应连接。

进一步地，透水格栅箱横向上由多层透水格栅箱单元构成，相邻两层的透水格栅箱单元对应连接。

进一步地，弧形格栅箱和矩形格栅箱均采用钢筋混凝土浇筑成型，且弧形格栅箱和矩形格栅箱六面均预留有若干连接孔，便于通过连接件以将相邻的透水格栅箱单元连接起来以形成一整体。

进一步地，每个弧形格栅箱的圆心角为30～60°。

进一步地，石料的中值粒径D₅₀由以下公式计算得到：

式中：U—墩前行进流速，m/s；

y₀—行进水深，m。

进一步地，透水格栅箱的宽度为2～4m，高度为2～4m。

进一步地，透水格栅箱内设有若干格栅，相邻两格栅的间距为0.2～0.5m。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在承台上设有透水格栅箱，并在透水格栅箱内填充的石料，石料不易被冲散，能有效保证透水格栅箱和石料的整体性，能有效增大桥墩附近的局部糙率，从而能有效减缓桥墩附近的水流流速，减弱冲刷。同时，能避免因扩大桥墩基础所直接受到的冲刷破坏。

2、本发明的透水格栅箱由弧形格栅箱和矩形格栅箱可拆卸构成，具有一定柔性，可随底部泥沙淘刷产生自适应变形，从而阻止和减轻河道周边的持续性冲刷，降低持续性冲刷导致的桥墩基础埋深减小、承载能力降低等问题，也可有效降低修建成本。

3、本发明的透水格栅箱为可拆卸结构，组装、维修和更换方便，当某一弧形格栅箱或矩形格栅箱出现损坏时，及时更换即可，利于延长透水格栅箱的使用寿命，降低工程成本。

附图说明

图1-本发明的侧视图。

图2-本发明的俯视图。

图3-弧形格栅箱。

图4-矩形格栅箱。

其中：1-桥墩；2-透水格栅箱；2a-矩形格栅箱；2b-弧形格栅箱；3-石料；4-连接件；5-承台；6-桩基。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1～图4，一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，包括桥墩1、设于桥墩1下方的承台5以及用于支撑承台5的若干桩基6，在桥墩1外侧设有与桥墩1形状对应的环形透水格栅箱2，且透水格栅箱2内侧尺寸和桥墩1外侧尺寸对应，所述透水格栅箱2设置在承台5上且透水格栅箱2顶面与对应河流河床平齐；所述透水格栅箱2内填充有石料3。

石料填充在透水格栅箱内，石料和透水格栅箱拥有良好的整体性，相比抛石防护，不会因内部填充石料被冲散而减弱防护效果，同时能有效增大桥墩附近的局部糙率，从而能有效减缓桥墩附近的水流流速，减弱冲刷。同时，能避免因扩大桥墩基础所直接受到的冲刷破坏。

具体实施时，所述透水格栅箱2由若干透水格栅箱单元构成，所述透水格栅箱单元为弧形格栅箱2b或矩形格栅箱2a中至少一种。

其中弧形格栅箱的结构如图3所示，矩形格栅箱的结构如图4所示，如果桥墩是圆柱墩，那么对应的透水格栅箱则由若干弧形格栅箱构成；如果桥墩是矩形墩，那么对应的透水格栅箱则由若干矩形格栅箱构成；如果桥墩为圆头墩，如图1和图2所示，那么对应的透水格栅箱则由若干弧形格栅箱和复数个矩形格栅箱构成。

这样，就可以能够根据需求调整布置方式，更好的适应水流条件及复杂和河床地形，同时组装得到透水格栅箱具有一定柔性，可随底部泥沙淘刷产生自适应变形，从而阻止和减轻河道周边的持续性冲刷，降低持续性冲刷导致的桥墩基础埋深减小、承载能力降低等问题，也可有效降低修建成本。

具体实施时，透水格栅箱纵向上由多层透水格栅箱单元构成，相邻两层的透水格栅箱单元对应连接。透水格栅箱横向上由多层透水格栅箱单元构成，相邻两层的透水格栅箱单元对应连接。

可根据冲刷范围和冲刷深度，在纵向和/横向上设置多层透水格栅箱单元。

具体实施时，弧形格栅箱2b和矩形格栅箱2a均采用钢筋混凝土浇筑成型，且弧形格栅箱2b和矩形格栅箱2a六面均预留有若干连接孔，便于通过连接件4以将相邻的透水格栅箱单元连接起来以形成一整体。所述连接件4为连接扣或/和高分子螺栓。

采用钢筋混凝土浇筑成型，能有效保证透水格栅箱的强度。

具体实施时，每个弧形格栅箱2b的圆心角为30～60°。

具体实施时，石料3的中值粒径D₅₀由以下公式计算得到：

式中：U—墩前行进流速，m/s；

y₀—行进水深，m。

具体实施时，透水格栅箱2的宽度为2～4m，高度为2～4m。

具体实施时，透水格栅箱2内设有若干格栅，相邻两格栅的间距为0.2～0.5m。

在制作透水格栅箱单元前，先将石料放置在透水格栅箱单元内，然后再采用钢筋混凝土将透水格栅箱单元浇筑成型，然后再将填充有石料的透水格栅箱单元运输至施工现场并进行拼装。

下面通过实施例对本发明所述新型柔性箱式格栅桥墩护底结构进行说明。

实施例1、对比实施例例1和对比实施例2的工程概况如下：

西南某山区河流上跨河大桥总长2.82km，主跨长1.14km，圆头式桥墩，圆头半径5m，矩形部分长20m。汛期河流墩前水深20.4m，最大行进流速4.24m/s。河床质中值粒径d₅₀为0.103mm。

针对上述工程，在该大桥桥墩根据实施例1和对比实施例1、对比实施例2分别设置柔性箱式格栅桥墩护底、无防护措施和抛石防护，并开展冲刷范围及冲刷深度的实验研究。

实施例1

本实施例采用新型柔性箱式格栅桥墩护底结构，其结构如图1、图2图3和图4所示，所述箱式格栅结构通过预制螺孔绕桥墩连接，在横向布置两层，在纵向布置两层，上部与河床面持平。根据结构要求，本发明中弧形段(采用弧形格栅箱连接构成)内侧半径5m，对应圆心角60°，外侧半径为8m；直线段(采用矩形格栅箱连接构成)长5m，宽3m。弧形格栅箱和矩形格栅箱的高度均为1.9m。其中每个格栅箱体设置5层格栅，格栅间宽度为20cm，每层格栅厚度10cm，各层均匀分布于箱体内。石料的中值粒径D₅₀按前述公式取0.25m。

实验观测结果：在前述柔性箱式格栅桥墩护底布置下，按汛期河流进行冲刷，桥墩结构未受影响，桥身周围水流流速减缓。墩前护底结构无变化，护底前侧河床受到冲刷影响，最大冲坑深度3.4m；墩后护底结构无变化，后侧河床有冲刷痕迹，最大冲坑深度0.7m。

对比实施例1

本对比实施例未采取任何防护措施，桥墩周围由于缺少了柔性箱式格栅桥墩护底所带来的糙率减小，因此受冲刷影响明显，冲刷坑最远处距桥墩14m；最大流速较实施例相比大0.16m/s，冲坑范围大了31.7％。受墩前马蹄形旋涡和墩后尾流漩涡的冲刷作用，冲刷坑明显。最大冲刷深度12.7m，桥墩失去承载能力。

对比实施例2

本对比实施例采用传统抛石防护，抛石范围取四倍桥墩半径，即抛石最远处距离桥墩b＝4R_桥墩，高度为h＝3m，抛石中值粒径D₅₀同实施例1，取0.25m，顶部与河床齐平。

实验观测结果：受汛期水流冲刷，抛石防护在初期能够起到一定的防护作用。但随着时间的增长，部分石块被水流冲散，原定抛石范围发生变化。凌乱的抛石存在增加河床侧压管压力梯度的趋势，反而增强了水流对桥墩周围的冲刷。抛石区域前侧最大冲坑深度8.6m；桥墩前侧出现冲刷坑，最大深度5.3m。该防护方式在水流冲刷下缺乏整体性，改变的抛石结构增强了水流淘刷能力，威胁到桥梁的安全。

实施例2和对比实施例3的工程概况如下：

西南某山区河流上跨河大桥总长2.46km，主跨长1.04km，圆柱式桥墩，圆柱半径4m。河流墩前水深18.3m，行进流速3.91m/s。河床质中值粒径d₅₀为0.152mm。

针对上述工程，在该大桥桥墩根据实施例2和对比实施例3分别设置柔性箱式格栅桥墩护底和桥墩开缝防护，并开展冲刷范围及冲刷深度的实验研究。

实施例

本实施例采用新型柔性箱式格栅桥墩护底结构，其结构如图1、图2、图3和图4所示，所述箱式格栅结构通过预制螺孔绕桥墩连接，在横向布置两层，在纵向布置两层，上部与床面持平。根据结构要求，本发明中弧形段(采用弧形格栅箱连接构成)内侧半径4m，外侧半径为6m，对应圆心角45°，护底单层高度为2.2m。其中格栅箱体设置6层格栅，格栅间宽度为20cm，每层厚度10cm，各层均匀分布与箱体内。石料的中值粒径D₅₀按前述公式取0.20m。

实验观测结果：在前述柔性箱式格栅桥墩护底布置下，经河流冲刷，桥墩结构未受影响，桥身周围水流流速减缓。墩前护底结构无变化，护底前侧河床受到冲刷影响，最大冲坑深度1.8m；墩后护底结构无变化，后侧河床有冲刷痕迹，最大冲坑深度0.9m。

对比实施例3

本对比实施例采用桥墩开缝防护，开缝宽度取0.5倍桥墩直径，即开缝缝宽b＝0.5R_桥墩＝2m，高度为h＝3m，最高点较水面高0.5m，其余部分处于水下区域。

实验观测结果：通过开缝防护，墩前的水流直接通过缝隙流向下游，墩前水深下降，从而引起水流面的旋滚强度增加，同时，由于旋滚与冲刷产生的马蹄形漩涡方向相反，因此有效降低了马蹄形漩涡的强度，使得床面收到的冲刷减小。最大冲坑深度4.3cm。但是，考虑到山区河流流动的复杂性，当来流角度与墩缝夹角为30°时，防护效果明显减弱，最大冲坑深度达4.6m。在山区河流中，常常会挟带石块或树枝等杂物，可能堵塞墩缝，从而使防护效果完全丧失。

最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，包括桥墩、设于桥墩下方的承台以及用于支撑承台的若干桩基，其特征在于，在桥墩外侧设有与桥墩形状对应的环形透水格栅箱，且透水格栅箱内侧尺寸和桥墩外侧尺寸对应，所述透水格栅箱设置在承台上且透水格栅箱顶面与对应河流河床平齐；所述透水格栅箱内填充有石料。

2.根据权利要求1所述的一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，其特征在于，所述透水格栅箱由若干透水格栅箱单元构成，所述透水格栅箱单元为弧形格栅箱或矩形格栅箱中至少一种。

3.根据权利要求2所述的一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，其特征在于，透水格栅箱纵向上由多层透水格栅箱单元构成，相邻两层的透水格栅箱单元对应连接。

4.根据权利要求3所述的一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，其特征在于，透水格栅箱横向上由多层透水格栅箱单元构成，相邻两层的透水格栅箱单元对应连接。

5.根据权利要求4所述的一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，其特征在于，弧形格栅箱和矩形格栅箱均采用钢筋混凝土浇筑成型，且弧形格栅箱和矩形格栅箱六面均预留有若干连接孔，便于通过连接件以将相邻的透水格栅箱单元连接起来以形成一整体。

6.根据权利要求2所述的一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，其特征在于，每个弧形格栅箱的圆心角为30～60°。

7.根据权利要求1所述的一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，其特征在于，石料的中值粒径D₅₀由以下公式计算得到：

式中：U-墩前行进流速，m/s；

y₀-行进水深，m。

8.根据权利要求1所述的一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，其特征在于，透水格栅箱的宽度为2～4m，高度为2～4m。

9.根据权利要求1所述的一种柔性箱式格栅桥墩护底结构，其特征在于，透水格栅箱内设有若干格栅，相邻两格栅的间距为0.2～0.5m。

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