王 軍，蘇奕壘，侯智星，程鐵杰，隋覺(jué)義

（1. 合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.Environmental Engineering，University of Northern British Columbia，Prince George，Canada.）

1 研究背景

冰蓋或冰塞的出現(xiàn)，改變了河流的邊界條件、水流條件和河床泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)相同流量時(shí)，冰塞上游水位顯著增高，冰塞河段上下游形成較大的水位差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)誘發(fā)凌洪災(zāi)害[1-3]。2006年，北美洲因冰塞導(dǎo)致的凌洪災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2.6億美元[4]。黃河寧蒙河段冰凌災(zāi)害發(fā)生頻繁，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，在1951—2010年間就有30年發(fā)生凌汛災(zāi)害，給沿岸居民造成了巨大的損失[5]。黑龍江流域局部河段幾乎年年形成卡封，每3年左右時(shí)間形成一次較大規(guī)模的冰壩[6]。這些冰情所誘發(fā)的高水位和流量的變化可能導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害或威脅，相關(guān)學(xué)者們給予了廣泛的研究和關(guān)注[7-9]。

橋梁作為跨江、河、海的人工建筑物，往往由于自然災(zāi)害、安全設(shè)計(jì)達(dá)不到要求以及后期防護(hù)不力等原因造成破壞。根據(jù)Imhof[10]在全球范圍內(nèi)收集的大量數(shù)據(jù)顯示，在因自然災(zāi)害導(dǎo)致橋梁破壞的總體比例中約有60%是由洪水或沖刷原因造成的。Wardhana和Hadipriono[11]研究了1989年至2000年間美國(guó)的503次橋梁毀壞，其中與水流沖刷有關(guān)的事故高達(dá)243次。Kandasamy和Melville研究表明，在Bola龍卷風(fēng)期間發(fā)生破壞的10座橋梁中有6座與橋墩沖刷有關(guān)[12]。2010年，湖南省高速公路管理局對(duì)320余座橋梁進(jìn)行水下檢查，檢查結(jié)果表明：大多數(shù)橋墩存在不同程度的沖刷現(xiàn)象，威脅著橋梁結(jié)構(gòu)和使用者的安全[13]。

寒冷地區(qū)橋梁的建設(shè)與冰塞演變過(guò)程緊密相關(guān)。1987年4月紐約州高速公路上的斯科哈里溪大橋倒塌，10人因事故喪生，5輛車(chē)墜入河中，事故的主要原因?yàn)闃蚨栈A(chǔ)被冰蓋下水流沖刷導(dǎo)致破壞[14]。密西西比河上Melvin Price船閘閘壩基礎(chǔ)的上游有一非常大的沖刷坑，在修復(fù)以后一年內(nèi)就重新再現(xiàn)，研究人員通過(guò)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，百年一遇的洪水沖刷并不會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)大的沖刷坑，但是冰蓋下的小流量沖刷出現(xiàn)了相應(yīng)最大的沖刷坑，從而影響了結(jié)構(gòu)包括橋梁的安全[15]。2011年4月，松花江下游富錦至綏濱段松花江公路大橋在凌汛期遭遇河道封凍的影響，致多處便橋、施工平臺(tái)受損（黑龍江日?qǐng)?bào)2011年4月21日）。由冰塞引發(fā)的災(zāi)害和工程事故早已引起國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的高度關(guān)注，但有關(guān)冰期橋墩局部沖刷的問(wèn)題研究還很匱乏。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，北方寒冷地區(qū)的橋梁建設(shè)也越來(lái)越多，冰期橋墩附近局部沖刷問(wèn)題的研究已不容忽視。

2 明流條件下橋墩附近局部沖刷的研究

2.1 相關(guān)規(guī)范推薦公式《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015）[16]根據(jù)有關(guān)橋墩局部沖刷的實(shí)測(cè)資料，并參考國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推薦在工程設(shè)計(jì)中采用65-1修正式和65-2式計(jì)算橋墩局部沖刷深度。

65-1修正式：

式中：hb為橋墩局部沖刷深度，m；Kε為墩型系數(shù)；B1為橋墩計(jì)算寬度，m；V為一般沖刷后墩前行近流速，為河床泥沙起動(dòng)流速，m/s，其中為河床泥沙平均粒徑、hp為一般沖刷后的最大水深；為墩前泥沙始沖流速，m/s；Kη1為河床顆粒影響系數(shù)；為指數(shù)。

65-2式：

美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（AASHTO LRFD）[17]中所采用的是HEC-18中的CSU方程計(jì)算橋墩局部沖刷深度，即

式中：hb為橋墩局部沖刷深度；h為一般沖刷后橋墩上游水深；K1、K2、K3、K4分別為墩型修正系數(shù)、水流攻角修正系數(shù)、河床條件修正系數(shù)和泥沙尺寸分布系數(shù)；b為橋墩寬度；為橋墩上游水流流動(dòng)的弗勞德數(shù)，其中V1為橋墩上游水流平均速度，g為重力加速度。祝志文[18]對(duì)中美規(guī)范推薦的橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式進(jìn)行了對(duì)比分析，研究認(rèn)為，中國(guó)規(guī)范的沖刷計(jì)算公式在參數(shù)確定方面存在一定不足，在計(jì)算實(shí)際橋墩局部沖刷深度時(shí)，計(jì)算結(jié)果偏小，對(duì)于大型橋梁建設(shè)更需要重視模型試驗(yàn)以及現(xiàn)有資料的整合。Hong和Abid[19]認(rèn)為現(xiàn)有的美國(guó)聯(lián)邦公路管理局推薦的局部沖刷深度計(jì)算方程對(duì)沖刷深度的預(yù)測(cè)過(guò)于保守，主要原因在于對(duì)試驗(yàn)條件的理想化和公式推導(dǎo)的簡(jiǎn)化。

2.2 復(fù)雜條件下橋墩局部沖刷研究齊梅蘭等[20]通過(guò)水槽試驗(yàn)觀測(cè)了床面突降條件下的溯源沖刷和墩柱局部沖刷耦合發(fā)展規(guī)律及其主要影響因素，建立了溯源與局部耦合沖刷的實(shí)時(shí)計(jì)算方法，運(yùn)用該方法可預(yù)測(cè)溯源與局部耦合沖刷時(shí)結(jié)構(gòu)物總沖刷深度的發(fā)展。喻鵬和祝志文[21]利用雷諾時(shí)均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)雙圓柱橋墩周?chē)膹?fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行分析，說(shuō)明了雙圓柱橋墩局部沖刷的發(fā)展過(guò)程和沖刷機(jī)理。

Link[22]研究了不同水流和泥沙條件對(duì)橋墩局部沖刷的影響，并對(duì)洪水期橋墩局部沖刷和泥沙淤積進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及模型計(jì)算，驗(yàn)證了超聲波傳感器用于橋墩局部沖刷監(jiān)測(cè)的有效性。Yang[23]對(duì)復(fù)雜橋墩清水沖刷進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了三種不同的樁基和水流夾角對(duì)橋墩局部沖刷的影響，確定了復(fù)雜橋墩沖刷發(fā)展的四個(gè)階段，分別為起動(dòng)階段、停滯階段、發(fā)展階段和平衡階段。趙嘉恒等[24]通過(guò)試驗(yàn)研究結(jié)合理論分析的方法推導(dǎo)了彎道中斜交橋的局部沖刷計(jì)算結(jié)果。

明流條件下橋墩局部沖刷研究已經(jīng)獲得了許多有價(jià)值的研究成果，從單個(gè)橋墩局部最大沖刷深度計(jì)算公式的提出到橋墩局部沖刷計(jì)算公式的改進(jìn)；從一般橋墩沖刷作用機(jī)理到考慮復(fù)雜組合橋墩效應(yīng)等問(wèn)題研究均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，近年來(lái)因跨海橋梁建設(shè)的需要，許多學(xué)者加大了對(duì)波浪、潮汐等因素作用下的橋墩沖刷研究[25-28]。

3 冰期橋墩局部沖刷問(wèn)題的研究

寒冷地區(qū)橋梁的建設(shè)，改變了冰塞演變的原有條件，橋墩處形成的冰橋、冰蓋和冰塞也會(huì)對(duì)橋墩附近的局部沖刷產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致橋墩局部沖刷的結(jié)果不同于明流條件，表現(xiàn)為最大沖刷深度和沖刷范圍的改變。

王軍[29]基于水槽試驗(yàn)，對(duì)浮動(dòng)冰蓋下的散粒體泥沙起動(dòng)流速進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，相同水流條件下，冰蓋下的河床泥沙更易起動(dòng)；試驗(yàn)中，通過(guò)加糙改變模擬冰蓋下表面的光滑程度，加糙后的模擬冰蓋稱(chēng)為粗糙冰蓋，相對(duì)未經(jīng)加糙的冰蓋稱(chēng)為光滑冰蓋，研究結(jié)果表明，粗糙冰蓋條件下泥沙相對(duì)于光滑蓋條件更容易起動(dòng)，反映了冰期河床的沖刷問(wèn)題是不同于明流條件的。作為冰期橋墩局部沖刷的研究基礎(chǔ)，Wang和Sui等[30-34]對(duì)冰塞與橋墩相互水力作用特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究得出了與無(wú)橋墩相比，在相同水力條件下，有橋墩時(shí)平衡冰塞厚度較小，平衡冰塞的水位增值也相應(yīng)較??；基于理論分析得到了橋墩作用下臨界流凌密度的計(jì)算公式和冰塞穩(wěn)定判別公式。

3.1 單個(gè)橋墩沖刷試驗(yàn)研究Bacuta和Dargahi[35]基于清水沖刷試驗(yàn)條件，在試驗(yàn)水槽上研究對(duì)比了明流和冰蓋條件下圓柱形橋墩的局部沖刷問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)，冰蓋流條件下的橋墩局部沖刷深度比明流條件下有所增加，這或許是目前冰期橋墩局部沖刷問(wèn)題研究可見(jiàn)的較早文獻(xiàn)。

Ackermann和Shen[36]通過(guò)水槽試驗(yàn)研究了冰蓋對(duì)圓柱形橋墩局部沖刷的影響，該研究中采用了清水沖刷和動(dòng)床沖刷兩種不同的沖刷模式，研究得出了冰蓋的存在可使局部沖刷深度較明流條件增加25%～35%的結(jié)論。Hains和Zabilansky[37-38]在CRREL試驗(yàn)室對(duì)冰蓋下橋墩局部沖刷進(jìn)行了研究，冰蓋條件分別為浮動(dòng)冰蓋和固定冰蓋，也分為光滑和粗糙兩種情況，并與明流條件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，由于冰蓋的出現(xiàn)，使近床面處水流動(dòng)能增加，沖坑深度較明流條件增大約10%；當(dāng)冰蓋糙率增大后，斷面最大流速點(diǎn)偏向于河床表面，導(dǎo)致橋墩附近局部沖刷深度進(jìn)一步加大。Munteanu[39]在明流和冰蓋兩種條件下，對(duì)圓柱形橋墩進(jìn)行了清水沖刷試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，模擬岸邊冰蓋的存在，使沖刷深度較明流條件增加很多，最大增加幅度可達(dá)到55%。Wu和Balachan?dar[40]對(duì)冰蓋條件下圓柱形橋墩局部沖刷進(jìn)行了研究，將沖刷半徑作為一個(gè)指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上建立了明流和冰蓋條件下計(jì)算橋墩沖刷深度和沖刷半徑的經(jīng)驗(yàn)方程。上述研究總體得到的認(rèn)識(shí)是冰蓋對(duì)橋墩局部沖刷的影響非常顯著，但因?yàn)楦鞣N各樣的條件限制，尚未考慮床面材料、墩型、墩徑、墩間距等因素對(duì)冰蓋條件下橋墩附近局部沖刷的影響，對(duì)明流和冰蓋條件下沖刷發(fā)展過(guò)程的不同也即時(shí)間尺度的影響尚未深入研究。

Tuthill等[41]對(duì)Montana州Milltown大壩拆除對(duì)冰情的變化影響進(jìn)行了研究，采用HEC-RAS軟件模擬計(jì)算各工況下冰塞形成和潰決過(guò)程，模擬結(jié)果表明大壩移除后并不會(huì)加劇下游的冰塞危害，但在橋墩附近容易形成冰塞并伴隨冰塞體的釋放過(guò)程，大大增加了河床的剪切力，造成上游5個(gè)橋墩局部沖刷現(xiàn)象會(huì)更加明顯。Ettema[42]認(rèn)為水流、泥沙以及邊界條件是影響冰期橋墩沖刷的主要方面，但目前大多數(shù)用于橋墩局部沖刷深度的計(jì)算公式尚未考慮封凍河道對(duì)橋墩局部沖刷的影響。以上這些結(jié)論都是基于簡(jiǎn)單的模型計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)有限的觀測(cè)資料所得到的，因此對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)含有相應(yīng)的不確定性。

Chen等[43]采用k-ε湍流模型對(duì)冰蓋下橋墩處冰塞底部的局部沖刷過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出橋墩處冰塞底部的沖刷和床面沖刷坑呈對(duì)稱(chēng)分布，并通過(guò)水槽試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者的結(jié)果較為吻合。目前針對(duì)冰蓋下橋墩局部沖刷的數(shù)值模擬研究文獻(xiàn)幾乎未見(jiàn)；Chen的數(shù)值模擬結(jié)果還不能完整的描述冰塞演變及床面沖坑形成的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

3.2 邊墩橋臺(tái)及斷面雙橋墩沖刷試驗(yàn)研究Wu等[44]使用非均勻的天然沙，分析了半圓形橋臺(tái)在粗糙和光滑冰蓋條件下最大沖刷深度與水流速度之間的關(guān)系，試驗(yàn)研究表明，相對(duì)于明流條件，冰蓋的存在加大了橋墩局部沖刷深度；低水深時(shí)冰蓋對(duì)橋墩局部沖刷深度的影響更為顯著；明流條件下，最大沖刷深度位于橋臺(tái)上游面約為50°角度位置，冰蓋條件下，最大沖刷深度位于橋臺(tái)上游面約60°的位置，通過(guò)回歸分析，認(rèn)為半圓形橋臺(tái)周?chē)淖畲鬀_刷深度可以通過(guò)以下變量來(lái)描述：

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了明流、光滑冰蓋和粗糙冰蓋條件下沖刷坑最大深度計(jì)算公式：

明流條件：

光滑冰蓋條件：

粗糙冰蓋條件：

式中：dmax為沖刷坑的最大深度，m；H為水深，m；U為行近流速，m/s；D50為不均勻泥沙的中值粒徑；g為重力加速度。

后續(xù)工作中，Wu[45-47]通過(guò)水槽試驗(yàn)對(duì)冰蓋條件下方形橋臺(tái)和半圓形橋臺(tái)局部沖刷問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比研究，假定明流條件下方形橋臺(tái)和半圓形橋臺(tái)的形狀系數(shù)分別為1.0和0.75，引入密度弗勞德數(shù)，分析橋臺(tái)幾何形狀和冰蓋粗糙度對(duì)橋臺(tái)最大沖刷深度的影響，研究得出：冰蓋情況下半圓形橋臺(tái)的形狀系數(shù)約為0.66～0.71，形狀系數(shù)對(duì)最大沖刷深度的影響小于明流條件；伴隨冰蓋粗糙度的增大，床面剪切力增大，最大沖刷深度也會(huì)增大。

Namaee[48-49]在試驗(yàn)水槽的過(guò)流斷面上布置一對(duì)并排雙橋墩，對(duì)冰蓋下的橋墩局部沖刷進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究中采用了中值粒徑分別為0.50 mm、0.47 mm、0.58 mm的非均勻沙，橋墩直徑分別為60 mm、90 mm、110 mm和170 mm，為了研究冰蓋條件下橋墩附近的局部沖刷規(guī)律，采用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀（ADV）對(duì)并排橋墩的三維流速分布進(jìn)行測(cè)量；研究發(fā)現(xiàn)，冰蓋條件下的沖刷過(guò)程顯得更為強(qiáng)烈，馬蹄形旋渦的強(qiáng)度與并排橋墩跨距及橋墩尺寸大小有關(guān)；橋墩尺寸越小，橋墩間距越大，橋墩周?chē)鸟R蹄旋渦強(qiáng)度越弱，沖刷深度越淺；通過(guò)回歸分析，得到了明流和冰蓋條件下的沖刷坑最大深度計(jì)算公式如下：

加蓋條件下：

明流條件下：

式中：ymax為沖刷坑的最大深度，m；y0為行近流的水深，m；G為橋墩間距，m；D為橋墩直徑，m；ni和nb分別為模擬冰蓋和河床的粗糙系數(shù)；為弗勞德數(shù)，其中U為行近流速（m/s）；g為重力加速度。

Namaee[50-51]在試驗(yàn)研究中，對(duì)比明流條件討論了冰蓋條件下沖刷坑保護(hù)層對(duì)橋墩局部沖刷深度的影響，分析了橋墩附近泥沙的起動(dòng)機(jī)理，試驗(yàn)觀察到明流條件下沖刷坑的幾何形狀與冰蓋條件下具有一定相似性，粗糙冰蓋條件下沖刷坑的體積和范圍要明顯大于光滑冰蓋。

冰期橋墩局部沖刷問(wèn)題的研究可以認(rèn)為尚在起步階段，上述近年來(lái)有關(guān)冰蓋條件下橋墩局部沖刷問(wèn)題的研究，已經(jīng)涉及了通過(guò)有限的改變橋墩位置、水流條件、冰蓋糙率以及床面粒徑等對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探索，并通過(guò)量綱分析的方法，得到了試驗(yàn)條件范圍內(nèi)用于冰蓋下橋墩局部沖刷深度的計(jì)算公式；但受試驗(yàn)條件的限制，研究主要是針對(duì)圓柱形橋墩、長(zhǎng)方形、半圓形邊墩橋臺(tái)和跨中并排圓柱形橋墩開(kāi)展的；試驗(yàn)中也尚未充分考慮不同橋墩墩型、墩徑、多墩組合等因素對(duì)冰蓋條件下橋墩局部沖刷的影響；更未考慮到橋墩附近冰塞演變和冰塞體厚度對(duì)局部沖刷的影響。

4 問(wèn)題與討論

寒冷地區(qū)冬季河流所出現(xiàn)的冰蓋或冰塞，使得本來(lái)就復(fù)雜的橋墩局部沖刷問(wèn)題變得更加復(fù)雜。如前所述，明流條件下的橋墩局部沖刷問(wèn)題已經(jīng)有了相對(duì)充分的研究，但冰期橋墩局部沖刷問(wèn)題研究尚在起步，已有的實(shí)際工程和研究都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，冰期較小流量導(dǎo)致的沖刷坑深度和范圍可以比明流時(shí)洪水期的沖刷坑深度和范圍更大。因此，冰期橋墩局部沖刷問(wèn)題的研究已非常迫切，限于問(wèn)題的復(fù)雜性，目前尚有很多方面需要研究。

（1）冰期橋墩局部沖刷涉及橋墩結(jié)構(gòu)、冰蓋特征和水流流態(tài)三個(gè)方面的相互影響，河床泥沙起動(dòng)和沖刷機(jī)理包括橋墩周?chē)鳒u系結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，因此，冰蓋條件下橋墩周?chē)S流場(chǎng)及其變化的機(jī)理研究、冰蓋粗糙度與泥沙運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系、橋墩沖刷坑深度和范圍的預(yù)測(cè)等，這些方面均有待于進(jìn)一步探索。

（2）冰蓋條件下，有關(guān)各種水流條件、床面材料、橋墩墩型、墩徑、墩間距、多墩組合等因素對(duì)冰期橋墩局部沖刷影響的研究尚待充實(shí)；包括明流和冰蓋條件下沖刷發(fā)展過(guò)程的區(qū)別尚待深入研究。

（3）冰蓋條件下橋墩附近河床局部沖刷問(wèn)題的數(shù)值模擬研究文獻(xiàn)幾乎未見(jiàn)；Chen的數(shù)值模擬研究的是橋墩附近的冰塞局部沖刷，如何完整的描述橋墩附近冰塞演變及床面沖坑形成的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程尚有待探索。

（4）迄今為止的研究都是在單一冰蓋厚度條件下的研究，圖1為作者近期的研究成果，在明流、冰蓋、冰塞三種條件下，使用直徑為2 cm的圓柱型橋墩在試驗(yàn)水槽中進(jìn)行了橋墩局部沖刷試驗(yàn)，由圖可見(jiàn)，在相同的水深、流速情況下，冰塞條件下的橋墩局部沖刷深度明顯大于加蓋和明流條件下的相應(yīng)深度且要大很多，沖刷深度增加了約200%左右，試驗(yàn)說(shuō)明了在冰塞條件下，由于冰塞運(yùn)動(dòng)和冰塞厚度對(duì)過(guò)水?dāng)嗝娴倪M(jìn)一步壓縮作用，冰塞條件下的橋墩局部沖刷深度比冰蓋條件要大的多。

圖1 最大沖刷坑深度隨流速變化趨勢(shì)圖

冬季，寒冷地區(qū)河流會(huì)經(jīng)歷封凍初期和開(kāi)河期兩個(gè)容易成災(zāi)的冰塞或冰壩階段，水流條件、冰塞和河床沖刷演變此時(shí)變化最為劇烈，如何結(jié)合明流條件下橋墩局部沖刷研究成果和方法、耦合冰塞演變、水流運(yùn)動(dòng)和其他相關(guān)沖刷影響因素，研究冰期橋墩局部沖刷問(wèn)題、探索橋墩附近冰塞演變與河床局部沖刷相互作用及其機(jī)理應(yīng)該是充滿(mǎn)挑戰(zhàn)和極其有意義的。