CN115787581A - 一种分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，设置在河床以上并与桥墩衔接，由多层透水型笼网由河床至水流表面呈多级台阶状、并围绕桥墩堆砌而成，各层之间固定连接，所述透水型笼网由骨料和盛装骨料的笼网构成，透水型笼网的孔隙率自底层向上层依次增大。通过在河床式桥墩周围设置分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构引导水流内部的相互作用，主动消除引起桥墩冲刷的桥墩前正面冲击水流与桥墩前后水位下降导致的冲击水流，减弱水流剪切冲击作用，消除冲刷水流大尺度剪切旋涡，利用小尺度旋涡与冲击冲刷水流的相互作用，减弱上下游水位差导致的冲击冲刷影响，减弱了水流通过桥墩区域的强剪切作用，减小或避免了桥墩的冲刷破坏。
Description
技术领域
本发明属于桥梁工程中桥墩冲刷防治技术领域，具体涉及一种分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构。
背景技术
桥梁工程中桥墩冲刷是河床式桥墩设计的重要环节，受桥墩干扰水流和泥沙运动，河道水流会对桥墩区域河床基础产生冲刷，桥墩区床面变形、床面高程下降、桥墩基础破坏等冲刷特征不断发展，严重威胁桥梁建筑物整体的安全与稳定。
影响河床式桥墩冲刷破坏的水流结构包括三部分，桥墩前正面冲击水流，桥墩前后水位下降冲击水流，桥墩两侧剪切绕流水流。水流沿河道运动至桥墩前部，水流在桥墩阻力的作用下速度沿桥墩中线向两侧逐渐减小，在正面横向方向上形成横向分布的顺时针旋涡，形成对桥墩与河床之间的强剪切作用，进而引起桥墩正面区域的冲刷；水流沿桥墩正面逐渐绕流至桥墩下游区域位置，在桥墩前后易形成一定的水位差，在桥墩上游区域形成向下冲击的水流，直接冲刷河道床面，引起对桥墩底部区域的冲刷作用；同时，这种绕流流动过程中，桥墩附近的水流流速大于河道内未受桥墩影响的水流，因此在桥墩区域内形成局部的流速差，增强水流对桥墩的剪切作用，进一步加大了水流冲刷破坏对桥墩的影响。在这三种水流作用的影响下，河床式桥墩受冲刷破坏风险大大增加，桥墩受冲刷破坏并导致桥梁整体发生破坏的情况屡见不鲜。目前常用的桥墩冲刷防护技术与措施主要为抛石防护、设立护脚、以及沉箱设施等，但传统的桥墩冲刷防治技术与设施难以改变影响水流冲刷桥墩的典型水流结构特征，导致桥梁工程中桥墩冲刷破坏现象依然突出，严重影响桥梁结构的安全，同时为维护桥墩基础的长期安全而进行的桥墩维护工程量及工程投资大大增加。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，以使水流平稳通过桥墩区域，避免水流水力冲刷引起的桥墩冲刷破坏，保障桥梁桥墩与整体结构的安全。
本发明提供的分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，设置在河床以上并与桥墩衔接，由多层透水型笼网由河床至水流表面呈多级台阶状、并围绕桥墩堆砌而成，各层之间固定连接，所述透水型笼网由骨料和盛装骨料的笼网构成，透水型笼网的孔隙率自底层向上层依次增大。
河床底部至水流表面采用阶梯式分层设计，防护范围逐渐收缩，底层透水型笼网防护起始位置越靠近上游，对于河道底部的水流剪切冲刷的流态调整越强，但应避免影响河道的行洪能力。同时，底层孔隙率小，上层孔隙率大，利用底层透水型笼网孔隙率相对于上层笼网较小，形成水流由下层向上层水流挤压的条件，引导下层水流向上层流动，从而一方面减弱底层水流直接作用于床面形成的对桥墩区域的冲刷，另一方面增强不同水层之间的相互作用，消耗水流能量，进一步减轻水流的冲刷作用。
进一步地，所述透水型笼网设置2～5层，形成2～5级台阶，各层通过混凝土加固衔接，并与桥墩通过混凝土加固连接；优选地，第一层透水型笼网与河床通过混凝土加固衔接。
进一步地，所述护脚结构整体总高度不低于0.9倍的河道防汛水位，优选为0.9～1.1倍河道防汛水位。
进一步地，上层（上一级台阶）透水型笼网的高度不小于下层（前一级台阶）透水型笼网的高度。
进一步地，透水型笼网的外形优选为圆台形，由骨料在笼网中均匀填充而成，所述笼网为钢丝材质，网眼尺寸根据骨料尺寸确定，以最小尺寸骨料不漏出为准。
进一步地，第一层（最下层，第一级台阶）透水型笼网的直径为5～6倍的桥墩直径，高度为0.1~0.3倍桥墩直径。
进一步地，最上层（最后一级台阶）透水型笼网的直径为1.2～1.3倍的桥墩直径。具体根据施工条件情况，尽可能选取较大系数值。
进一步地，第一层（最下层）透水型笼网中整个骨料的孔隙率优选为0.15～0.2，骨料尺寸优选为0.008～0.010m3。
进一步地，上层（上一级台阶）透水型笼网骨料的孔隙率为下层（下一级台阶）透水型笼网骨料孔隙率的1.2～1.3倍。
进一步地，上层（上一级台阶）透水型笼网骨料尺寸为下层（下一级台阶）透水型笼网骨料尺寸的1.5～2.0倍。
进一步地，所述透水型笼网的骨料优选为石料。
由于采用透水型笼网，水流正面流向护脚结构时逐渐流入笼网间隙，流速缓慢降低，逐渐穿过桥墩正面区域。在此过程中，在此过程中，由于骨料间隙的存在，使水流产生空隙差异水流方向和沿程空隙水流方向，水流在笼网间隙以小尺度的发生相互作用，消耗能量，降低水流自身的剪切冲刷强度；同时，由于水流在正向作用过程速度衰减过程缓慢，大大减弱在正面横向方向上形成的水流旋涡，进而减弱桥墩正面区域冲刷，也能够避免桥墩正面由于阻挡作用形成高水位，降低桥墩上下游区域的水位差，减弱水流由于水位差形成的向下冲击作用对河道床面的冲刷。由于透水型笼网为水流通过桥墩区域提供了多孔形式的通道，在减小水流速度的同时减弱了在桥墩区域内形成的局部流速差，能够显著减小局部水流剪切作用，避免水流在桥墩周围形成强绕流流态，减小局部水流对桥墩的冲刷作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过在河床式桥墩周围设置分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，以结构形式引导水流内部的相互作用，主动消除引起桥墩冲刷的桥墩前正面冲击水流与桥墩前后水位下降导致的冲击水流，减弱导致河床式桥墩冲刷破坏的水流剪切冲击作用，调整桥墩周围水流通过过程的流态，利用水流通过透水型阶梯式结构，消除冲刷水流大尺度剪切旋涡，利用小尺度旋涡与冲击冲刷水流的相互作用，减弱上下游水位差导致的冲击冲刷影响，以水流流态控制减弱了水流通过桥墩区域过程中与河床、桥墩发生的强剪切作用，减小或避免了桥墩的冲刷破坏。
2、由于采用分级透水型阶梯式结构形式，进一步实现了水流通过桥墩区域内的通道畅通，保障了河道断面的过流能力。
3、本发明提供的分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构简单，施工容易，工程量小，建设与维护成本低，适应面广，实用性强。
附图说明
图1为本发明所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构的主视图；
图2为本发明所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构的俯视图；
图3为本发明所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构对应的水流流态图（主视）；
图4为本发明所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构对应的水流流态图（俯视）；
图中，1—第一级阶梯，2—第二级阶梯，3—第三级阶梯，4—桥墩，5—水面，6—透水型笼网，7—河床，8—空间差异水流方向，9—沿程空隙水流方向。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
实施例1
本实施例所述的分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，结构如如1-4所示，设置在河床以上并与桥墩衔接，由多层透水型笼网由河床至水流表面呈多级台阶状、并围绕桥墩堆砌而成，共设置3层，即3级台阶，各层通过混凝土加固衔接，并与桥墩通过混凝土加固连接。所述透水型笼网由骨料和盛装骨料的笼网构成，所述透水型笼网的骨料优选为石料。
所述护脚结构整体总高度为0.9倍的河道防汛水位，上层（上一级台阶）透水型笼网的高度不小于下层（前一级台阶）透水型笼网的高度。透水型笼网的外形为圆台形，由骨料在笼网中均匀填充而成。第一层（最下层，第一级台阶）透水型笼网的直径为5倍的桥墩直径，高度为0.1倍桥墩直径。最上层（最后一级台阶）透水型笼网的直径为1.2倍的桥墩直径。
所述透水型笼网的孔隙率自底层向上层依次增大。第一层（最下层）透水型笼网中整个骨料的孔隙率为0.15，骨料尺寸优选为0.008m3。上层（上一级台阶）透水型笼网骨料的孔隙率为下层（下一级台阶）透水型笼网骨料孔隙率的1.2倍。上层（上一级台阶）透水型笼网骨料尺寸为下层（下一级台阶）透水型笼网骨料尺寸的2.0倍。
水流流态如3～4所示，河床底部至水流表面采用阶梯式分层设计，防护范围逐渐收缩，底层透水型笼网防护起始位置越靠近上游，对于河道底部的水流剪切冲刷的流态调整越强，但应避免影响河道的行洪能力。同时，底层孔隙率小，上层孔隙率大，利用底层透水型笼网孔隙率相对于上层笼网较小，形成水流由下层向上层水流挤压的条件，引导下层水流向上层流动，从而一方面减弱底层水流直接作用于床面形成的对桥墩区域的冲刷，另一方面增强不同水层之间的相互作用，消耗水流能量，进一步减轻水流的冲刷作用。
由于采用透水型笼网，水流正面流向护脚结构时逐渐流入笼网间隙，流速缓慢降低，逐渐穿过桥墩正面区域。在此过程中，由于骨料间隙的存在，使水流产生空隙差异水流方向和沿程空隙水流方向，水流在笼网间隙以小尺度的发生相互作用，消耗能量，降低水流自身的剪切冲刷强度；同时，由于水流在正向作用过程速度衰减过程缓慢，大大减弱在正面横向方向上形成的水流旋涡，进而减弱桥墩正面区域冲刷，也能够避免桥墩正面由于阻挡作用形成高水位，降低桥墩上下游区域的水位差，减弱水流由于水位差形成的向下冲击作用对河道床面的冲刷。由于透水型笼网为水流通过桥墩区域提供了多孔形式的通道，在减小水流速度的同时减弱了在桥墩区域内形成的局部流速差，能够显著减小局部水流剪切作用，避免水流在桥墩周围形成强绕流流态，减小局部水流对桥墩的冲刷作用。
实施例2
本实施例1与实施例1的不同之处在于，透水型笼网设置4层。所述护脚结构整体总高度为1.1倍河道防汛水位。
第一层（最下层，第一级台阶）透水型笼网的直径为6倍的桥墩直径，高度为0.3倍桥墩直径。最上层（最后一级台阶）透水型笼网的直径为1.3倍的桥墩直径。进一步地，第一层（最下层）透水型笼网中整个骨料的孔隙率为0.2，骨料尺寸为0.008m3。上层（上一级台阶）透水型笼网骨料的孔隙率为下层（下一级台阶）透水型笼网骨料孔隙率的1.3倍。
Claims (10)
1.一种分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，设置在河床以上并与桥墩衔接，由多层透水型笼网由河床至水流表面呈多级台阶状、并围绕桥墩堆砌而成，各层之间固定连接，所述透水型笼网由骨料和盛装骨料的笼网构成，透水型笼网的孔隙率自底层向上层依次增大。
2.根据权利要求1所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，所述透水型笼网设置2～5层，形成2～5级台阶，各层通过混凝土加固衔接，并与桥墩通过混凝土加固连接。
3.根据权利要求1所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，所述护脚结构整体总高度不低于0.9倍的河道防汛水位，优选为0.9～1.1倍河道防汛水位。
4.根据权利要求1所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，上层透水型笼网的高度不小于下层透水型笼网的高度。
5.根据权利要求1所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，透水型笼网的外形优选为圆台形，由骨料在笼网中均匀填充而成。
6.根据权利要求5所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，第一层透水型笼网的直径为5～6倍的桥墩直径，高度为0.1~0.3倍桥墩直径。
7.根据权利要求5所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，最上层透水型笼网的直径为1.2～1.3倍的桥墩直径。
8.根据权利要求1~7中任一权利要求所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，第一层透水型笼网中整个骨料的孔隙率为0.15～0.2，骨料尺寸为0.008～0.010m3。
9.根据权利要求1~7中任一权利要求所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，上层透水型笼网骨料的孔隙率为下层透水型笼网骨料孔隙率的1.2～1.3倍。
10.根据权利要求1~7中任一权利要求所述分级透水型阶梯式桥墩防冲护脚结构，其特征在于，上层透水型笼网骨料尺寸为下层透水型笼网骨料尺寸的1.5～2.0倍。
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