抛石体在桥墩处的防护作用
1.前言
在多数河流环境中，冲刷孔围绕桥墩基础形成。由于桥墩导致的强大的旋涡运动冲走了桥墩基础周围的河床沉积物。最普遍应用的抗浸蚀作用技术是采用给河床“铠甲”装置，如抛石。以抛石充当自然屏障来承受水流的冲蚀力。
奇沃(1995)和奇沃利姆(2000)曾提出，抛石体的防护性受到某些破坏机理的影响，这些破坏机理可以使石料不稳定，并导致保护面的完全裂变。在清水条件下，下列破坏机理可能发生：
（1）剪切破坏——抛石体被水流卷走；
（2）簸破坏——在紊流和渗流作用下，较细的下部河床物质遭到侵蚀；
（3）边缘破坏——抛石层外围护石造成冲刷。
Chiew，Lim(2000)确立了一个第4破坏机理，在活动河床条件下，抛石层由于河床的运动而不稳定。随着大型沙丘的迁移，抛石层由于淘刷的作用而沉入河床沉积物中。
常常有这样的建议，在波浪形的河床上，抛石层应该被铺设在河床物质的某个深度。其合理性在于较深的层可以不受河床形式运动的影响，和被淘刷的机会。目前为止，还没有尝试对其作用进行量化的研究。
目前的研究目的，就是要证实不稳定性对河床桥墩抛石体的影响，以及估测抛石层铺设水平所产生的影响。试验采用圆柱体桥墩，在两个不同尺寸的活动河床条件下进行，用沙丘和逆沙丘模仿沉积运动。根据对当前设计方案的审查，每一层抛石围桥墩铺设呈园形排列。对于一般性平整河床，在4个不同的深度做抛石层试验。对每一层的最终铺设位置和水流速度加以关注并与未受保护的冲刷深度进行比较。
2.试验程序
试验在2个宽度分别为0.44m和1.52m的可循环试验水槽进行。丙烯酸圆形桥墩直径分别为70mm和200mm。两个水槽都采用均匀的河床沉积物，中值粒径d50=0.95mm，抛石材料在0.44m宽度的水槽，采用S1、S2、S3和S6表示。S5、S4用于1.52m宽的水槽。石料的中值粒径D50，以及其特性，示于表1。Shields函数用于计算临界应力速度U C。加注下脚标S（即：U CＳ）表示河床沉积物，加注下脚标r表示抛石。
抛石采用同心设置，围桥墩，采用直径4D的平均面积C，和2D50的层厚度t。4个不同的铺设深度为：Y／D＝0，0.29，0.57，0.86，其中Y等于最上面的抛石体深度位置。抛石体、桥墩和沉积排列定义草图请见图1。
(表1河床沉积和抛石特性)
在一定流速范围内观察抛石层的反应，临界近似流速在0.44m宽的河槽内为：U／Ucs=0.61-3.10,在1.52m宽度河槽内为U／Ucs=1.48-2.26。在0.44m宽度河槽的水流范围内可以观察到沙丘和逆沙丘形成。在稳定，近似均匀水流条件下进行试验。表2列出的是在这项研究中的全部试验条件及结果。
(图1抛石体定义草图)
3抛石对河床形式的反应
3.1 破坏机理——表面铺设抛石层
河床形态的运动经过桥墩导致桥墩处河床面的波动。这样的波动使桥墩抛石变得不稳定。抛的运动有两种形式。如果河床比抛石层底部深，那么抛石会掏槽并滑入河槽区域，可能会被埋入一个深度。一旦石料被移走，底部沉积物造成的簸增加，相邻的石料产生更大的移动。当河床波动，接近桥墩时，短期内可以导致高紊流、高剪应力。抛石体可能会被冲走，冲至桥墩被水处。由河床形式变化产生的不稳定性破坏过程示于图2。
(图２河床构造的不稳定破坏过程)
对于埋置形式的机理，经河床的最低河槽位对抛石层的沉陷具有最大的影响。如果桥墩
下游的河床形式逐渐加深，石层会继续下沉。特殊水流条件下的最深河槽，其最大深度处的抛石下沉（陷）的情况可以确定。最大河床深度的水流速度是抛石层发生最大沉陷的条件。其中具有最高剪应力的抛石尺寸是非常重要的。小尺寸石料S1破坏的相对流速较低U／Ucs。河槽形态造成紊流的地方破坏速度快，成批地被冲走，导致抛石层的快速崩解。Chiew，Lim(2000年)曾提到过在沉积条件下抛石对水流的反应变化。埋入情况的差别在于抛石料与河床物质之比的大小，从而发生不同的反应。根据Chiew，Lim(2000)的理论，对于抛石料尺寸的研究，应该具有足够大的尺寸，以应对埋置的情况，而不会发生抛石层的瓦解。研究的结果在很大程度上支持这样的结论：在全部的水流速试验中，除S1石料以外，所有的石料都沉入河床沉积物中。在较高的流速情况下，河槽的剪应力接近于石料的临界剪应力，有部分石料的确是由于剪力而移动，而埋入河槽底部。
S1抛石石料D50＝7.8mm，基于Chiew和Lim(2000)标准，临界剪切速度的大小相似于河床物质。如上所述，S1石料的U／Ucs值比其它所有的抛石试验尺寸低时受到破坏。其原因，可能是这个特殊尺寸的石料对破坏机理更具敏感性。
3.2 抛石对水流速的反应——表面铺设层
当受到上述提到的4种形式之一或以外更多情况影响时，抛石仍然能够对桥墩提供一定的保护作用，比未受保护的桥墩降低了局部的冲刷深度。对6种抛石石料尺寸逐一进行了试验。通过量测试验后的冲刷结果，比较未受保护的冲刷深度值。未受保护的冲刷深度，用测深声纳在上游桥墩处进行量测，确定为试验时段内，上游桥墩处的最大冲刷深度，相对于平均沉积河床水平。由于抛石层的设置，冲刷深度作为在桥墩上游面最低抛石位置的垂直变化进行了量测。
抛石层铺设面试验结果示于图3。相对局部冲刷深度（dr/dsmax）,dr为受到保护的桥墩局部冲刷深度，dsmax为未受保护桥墩的最大局部冲刷深度。U/Ucs为相对流速。还包括L1和L2的数据组，经过选择的数据作为试验结果的典型数据。
图３ 在圆柱形桥墩周围床面铺设抛石的特性
抛石尺寸示于图3。当相对流速增加时，相对冲刷深度dr/dsmax也增加。最小的石料尺寸（S1、L1、L2）相对局部冲刷深度增加将近1.0，即对抛石层的冲刷接近了未受保护桥墩的数值。较大的抛石石料，也显示出这个趋势。根据这些数据和Chiew和Lim(2000)的数据，以相对流速明显增加为前提，假定所有石料尺寸的相对局部冲刷深度可以达到1.0。
对每一相对流速的结果进行了比较：当石料尺寸增大时，其局部冲刷深度相对降低，可以说冲刷保护起到作用。因此，当抛石尺寸增加时，在一定流速范围内提供冲刷保护的作用也增加。规定抛石材料的尺寸，可以提供所期望的保护程度。规定出明确的水流条件范围。
基于流速范围观察抛石层可以看出，当水流状态和／或抛石尺寸有变化，抛石层破坏模式发生变化。这些情况显示在图4中。对剪力、簸和边缘破坏在多数水流条件下进行了观察，然而，由于河床形态的变化造成的不稳定可能仅发生在活动河床条件下。簸破坏的可能性随着相对剪力速度U*/U*cs而增加，而边缘破坏发生在U*/U*cr值较大时，仅当U*/U*cr＞0.35时，才会发生剪切破坏。图中还示出，簸发生的可能性在抛石沉陷尺寸比较大时，如Chiew和Lim(2000)等指出的那样。
(图４清水水流和活动河床状态下，桥墩抛石破坏条件)
3.3破坏机理——各种铺设深度
铺设深度影响抛石层的主控破坏模式。基于上述论述，抛石层铺设得与床面一样高，其形式导致了边缘石料的下切和渐进破坏。石料移入河槽，并扩散到旁侧。这导致层逐渐变薄的过程中，河床底部物质发生簸。抛石沉入河床物质中并扩散形成铠甲层，围绕桥墩，这个阶段较稳定，提供了对有可能受到局部冲刷的桥墩的保护。对河床物质顺水流移动过桥墩的情况进行了连续性的观察，没有发生石料向侧位移的情况。然而，如果较深处的河槽移动过桥墩时，明显的沉陷可能发生。最终，抛石层会下沉到底部不受紊流影响的位置。在较高位的水流，特别是冲水抛石层，观察到不同的机理。在桥墩前端，强劲的下行水流和马蹄形的涡流可以剥蚀抛石，使簸发生，桥墩处的抛石下沉至冲刷区域。边缘的石料不会埋入河床，而通常是输送到了桥墩前面的冲刷区域。冲刷孔被填埋，加厚了桥墩处的抛石层，从而减少了簸的影响。经过这些过程，石料仍然对桥墩提供保护作用。
对于较深些的铺设位置，河床构造淘切抛石层的可能性可降低。对于已定水流条件，不管抛石如何放置，河床构成的高度通常是相似的，当抛石铺设在最大的铺设深度，Y／D＝0.86，石料通常处于河床构造的底部，仅在石料的顶层最接近桥墩的地方被暴露在试验水流条件下。接着发生的是床沙簸对桥墩迎水面的冲击成为主要的破坏模式，直到河床的剪应力足以冲走石料。在有些情况下，最初的抛石结构几乎不被扰动，除了稍稍下沉构成了对上游桥墩面的影响之外。
铺设低于原始河床层位也可以减少抛石沉入河床物质的沉陷深度。在一特殊水流条件下，抛石层将沉入接近河槽最深处位置，无论其最初的位置如何。较深层位的优势是减少了石料的移动。没有因为淘刷而损失太多的石料，大多数石料是原封不动地保留了下来，因此，仍然起着保护层的作用。
3.4抛石对水流速度——各种铺设深度的反应
在相对流速范围内选择4个层面做抛石铺设试验。（Y／D＝0，0.29,0.57,0.86）,铺设深度Y的量测是从平均原始河床水平，到抛石层面的深度计算（图1）。石料的上方区域，用河床物质填充。试验之前就开始对抛石层底部位置做记录，试验过程中，直到试验末尾进行监测。在初期与终期最低抛石层位具有不同的冲刷深度。对冲刷结果与同水流条件下观察到的未受保护桥墩的最大冲刷进行对比，归纳列表（表２略）。相对流速变化在1.25-3.10之间。
由归纳数据证实，床面铺设抛石的沉陷随水流速度渐进增加。预料冲刷深度最终将达到未受保护的局部冲刷深度。然而，对于各种流速来讲，抛石尺寸越大，相对局部冲刷深度越小。另外，在各流速情况下，初期铺设层越深，冲刷越小。
试验结果示于图5，图中相对局部冲刷深度dr/dsmax绘制相对于铺设深度Y／D。随着铺设深度的增加，冲刷深度呈渐进、线性减弱的趋势。对于每种石料尺寸，当相对流速增加时，冲刷深度增加。然而，在沉积河床深度内铺设可以适当减少特殊水流条件下的冲刷深度。
(图５表示铺设深度与相对局部冲刷深度关系的最新试验数据)
试验结果显示的主控趋势为：较深的铺设层，对局部冲刷具有较大的保护性。在活动河床条件下，由河床形态变化造成的不稳定性，加剧了在清水条件下经受的剪力、簸和边缘破坏。深度铺设使石层不受河床构造变化造成的淘槽，并降低石料的剪应力。簸成为桥墩表面的主要破坏机理。
4.考虑到铺设深度的抛石尺寸公式Lanchlan(1999)分析了桥墩处达到最小冲刷深度所需抛石尺寸的各种影响因素。
在目前的研究中，KD,Ks,Kα的影响不进行研究，抛石的平均面积和层厚度的4D和2D50保持不变。引用的关系式与许多前期开发的桥墩防护公式相似。
首先，考虑河床面铺设抛石层。任何预测公式的难点在于定义破坏条件。过去的实践经验通常是依抛石的尺寸排列，这样在设计水流速度下不发生河床物质的移动。这一保守的方法有可能使石料尺寸过大。目前的研究已经看出，围桥墩在床面铺设抛石层可以提供各种角度的保护，甚至是在受到扰动的情况下。
(图６床面铺设抛石层的试验结果比较)
在试验过程中，对特定水流速度下，每种石料尺寸的局部冲刷深度都做了记录。记录情况还不是临界破坏条件的直接数据。要得到临界破坏条件，在试验中当未受保护的最大冲刷深度＜20％时，抛石性能认为是合适的。超过这个数据的冲刷深度视为破坏。图6示出的数据，表示石料尺寸所需的具有80％的局部冲刷保护作用。(图6为床面铺设抛石层。)
图6还可将这些数据点与彼得森(1974),Parola(1991,1993),克罗得(1997)以及Chiew和Lim(2000)的先期试验研究结果进行比较。这些研究的试验条件示于表3，与目前的研究有许多不同之处。这些前期研究具有不同的破坏定义，通常用于指导在某特定条件下，对抛石尺寸的破坏进行界定。逐渐增大水的流速，直到破坏发生。一般间隔时间很短。在Chiew和Lim的数据中仅有dr/dsmax小于20％。表3还介绍了各种不同形状桥墩的情况。可以看到，在Parola(1993)一项中的A、B、C表示用不同桥墩形式和／或河床条件进行的试验。
目前的研究数据资料提供了比早期研究较大的临界石料尺寸。在Quazi和彼得森(1974)进行的早期研究中，采用了一种固定式槽床。如已经提到的，在大部分活动河床情况中，河床形式的不稳定是最显著的破坏机理。研究数据也显示了石料临界尺寸的突然增加，F＞0.5。这和突然增加的情况在目前的研究数据中没有见到。在Croud（1997）的研究中，设备的流量限值不允许完全限定抛石的临界流速。
根据这个资料，可以得出结论，目前的研究结果提供了一个相对流速最小的临界石料尺寸。
当没有充足的数据确定KsKα和KD时，将它们看成一个适度的整体。正如Fotherby和Ruff(1999)的研究，已示出KD是一个特征参数，特别是当抛石直径接近桥墩大时。初期试验中不同抛石层的平均值和厚度值指出，一个4D的平均面积和2D50的厚度具有很好的性能，因此，Kc和Kt两项也就省略了。
这项研究数据现在用于估算Kr。每种水流所需的抛石尺寸Froude数值可以看作随增加的铺设深度而减小。试验数据示出了应用的各种抛石尺寸和流速，以及破坏临界dr/dsmax＜20％。图7中还包括得出的各深度铺设层公式。
试验研究的临界条件和桥墩形式：水流速增加，直到相对冲刷深度dr/dsmax=1.0。当水流强度增加时，抛石层不重新集合，仅在dr/dsmax小于０.３时的数据已包括在内。采用圆形桥墩。Croad(1997)临界条件被认为是抛石层完全崩解时。以圆柱形，矩形和板形桥墩试验。Quazi和Peterson稳定的河床条件下，破坏定义为在单颗粒或多颗粒从桥墩铺设层的前半部分移走时，发生破坏。采用园—鼻形桥墩试验。Parola(1991,1993)抛石设置３层，中间层涂成荧光橙色。破坏定义为橙色石的破坏，３０分钟内没有移走。均匀等级抛石料放置在矩形桥墩固定的局部冲刷孔处；１９９３（Ａ）：将抛石堆设在围矩形桥墩的河床表面；１９９３（Ｂ）：将抛石放置在固定好，预先设置的矩形桥墩周围的冲刷孔处；１９９３（Ｃ）：将抛石放置在园形桥墩周围的河床表面。
（图７将抛石层铺设在沉积河床不同深度的最适合的公式）
公式（3）与同类型公式的比较示于图8。这些公式都表示了床面铺设抛石，因此，Kr不包括在内。显著的不同在于线的曲度，即指数F。较低Floude数时的抛石尺寸一般大于那些由过去的公式估测的数值。在Floude数值范围内的上端，尺寸估测与Richardson和Davis(1995),以及Parola(1995)提出的公式相似。
（图８各种抛石体尺寸预估公式与公式（３）的比较）
图8还示出抛石尺寸预测公式的广泛的使用范围。示于图8的所有公式，除了目前的研究以外，是以石料稳定性理论或通过清水试验取得的经验性公式为依据。另外，试验研究中破坏定义的变化范围很大。目前的以及Richardson(1995)的研究公式建议在测定桥墩抛石体的尺寸时使用。
5．结论
1.由于河床构造的发展经过桥墩造成的抛石层保护桥墩的不稳定性是在活动河床条件下最主要的破坏模式。其次是边缘、剪切、簸。
2.抛石下沉到河床沉积物中，借助河床构造的通道，经过桥墩，最终停留在河槽的一个位置上。石料为层状下沉，因此，仍然可以对桥墩起到保护作用。
3.在活动河床条件下，相对的石料尺寸范围内，局部冲刷深度随相对水流速度的增加而增加，直到达到dr/dsmax=1.0。这与Chiew和Lim(2000)的研究相一致。可以预料，如果水流速度显著增加，剩余的数据也将呈现这个趋势。
4.抛石铺设在河床沉积物表面以下，不易受到河床构造变化造成的不稳定性的影响，因此，对于保护桥墩起到了更好的作用。
5.在活动河床条件下，较大的石料尺寸在已知的水流速度下，具有较大的冲刷保护作用。预测可提供局部冲刷保护适当的石料尺寸是可以做到的。
6.将公式3与早期抛石尺寸预测公式进行比较看出，对一定范围内的水流条件下，现有公式提供了所需的、较适宜的石料尺寸估算，并与Richerdson和Davis(1995)的预测方法具有良好的一致性。
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