局部沖刷是水流在受到阻攔時，其結構發生急劇變化。水流的繞流使流線急劇彎曲，床面附近的漩渦劇烈淘刷迎水端和周圍的泥沙。
局部沖刷是橋墩周圍產生的沖刷坑。以米（m）計。水流因受到設在河道內的橋墩的阻擋，橋墩周圍的水流結構發生急劇變化而形成渦流，劇烈淘刷橋墩迎水端和周圍的泥沙，形成局部沖刷坑。隨著沖刷坑的不斷加深和擴大，坑底流速逐漸降低，水流挾沙能力隨之減弱，當趨向輸沙平衡時，沖刷隨即停止，局部沖刷坑達到最深。沖刷坑外緣與橋墩前端坑底的最大高差，就是最大局部沖刷深度。局部沖刷的深度，是指以一般沖刷深度的底面為基準面以下的深度。
基本介紹
- 中文名：局部沖刷
- 外文名：local erosion；partial erosion
- 原因：水流流態發生改變
- 研究方法：因次分析法和多變數相關分析法
- 深度：一般沖刷深度的底面以下的深度
- 位置：橋墩周圍
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橋墩局部沖刷
橋墩的定義
橋墩一般系指多跨橋樑的中間支撐結構物。橋樑墩台的主要作用是承受上部結構傳遞的荷載，並通過基礎又將此荷載及本身自重傳遞到地基上，它除承受上部結構的荷重外，還要承受流水壓力，水面以上的風力以及可能出現的冰荷載、船隻、漂浮物的撞擊力。橋樑墩（台）主要由墩（台）帽、墩（台）身和基礎三部分組成。橋墩按其構造可分為實體橋墩，空心橋墩、柱式橋墩、排架敦、框架敦等五種類型；按其截面形狀可分為矩形、圓形、圓端形、尖端形、矩形圓角、Ⅰ字形以及各種空心式橋墩。由於橋墩的存在改變了橋墩周圍的水流結構和泥沙狀況，破壞了原有的輸沙平衡狀態，促使橋墩周圍發生河床沖刷現象。
橋墩局部沖刷簡介
橋墩局部沖刷的產生，是由於大橋橋墩位於河道內，占據一定的過水麵積，造成河道水流流態發生改變。從水流運動條件分析，水流流經橋墩後，受橋墩的側收縮和約束過水斷面的影響，導致橋墩附近的水流結構改變，墩前上游水位壅高，下部水流受阻後轉向河底，形成下降水流，由此壅水和繞流橋墩周圍將產生局部沖刷，而橋墩的局部沖刷直接影響橋墩自身的穩定與安全，為使橋墩設計和建設達到安全，經濟的目的，有必要進行橋墩局部沖刷影響分析。
橋墩局部沖刷機理
橋墩局部沖刷深度影響因素眾多，與橋墩形狀、橋墩附近的水流強度以及河床組成密切相關，局部沖刷機理十分複雜，概括起來，主要有以下三種觀點：
（一）墩周流場的旋渦體系
將一橋墩放人三維不擾動的流速場中，墩前緣水流遇阻後由於近河底流速小。上部流速大，在河底處形成順時針旋轉的橫軸漩渦，並沿床面移向橋墩兩側與繞流形成馬蹄形漩渦系。墩周局部沖刷是由馬蹄形漩渦系產生很高的河床剪力而形成的。
（二）墩前下降水流的衝擊作用
橋墩對水流的阻礙，引起橋墩周圍水流結構的劇烈變化，在墩頭前緣形成一種“下降水流”，垂直向下沖刷床面泥沙，在墩前形成沖刷坑。
（三）水流受橋墩的壓縮作用
橋墩周圍的局部沖刷是由於橋墩壓縮了水流，改變了墩周原來的流速分布，在墩的兩側流速相對增大，從而使墩兩側首先引起沖刷。沖刷逐步發展到墩的正面。根據對局部沖刷試驗過程中的水流結構觀測分析，上述三種觀點不是孤立作用的，而是相互聯繫相互影響的，由此可以看出，橋墩對水流的壓縮和阻礙作用，使墩周流場發生變化，從而產生橋墩兩側的“集中水流”和橋墩前的“下降水流”，“集中水流”和“下降水流”是形成馬蹄形漩渦的內在原因，而馬蹄形漩渦系則是產生墩周局部沖刷的直接原因。
（一）墩周流場的旋渦體系
將一橋墩放人三維不擾動的流速場中，墩前緣水流遇阻後由於近河底流速小。上部流速大，在河底處形成順時針旋轉的橫軸漩渦，並沿床面移向橋墩兩側與繞流形成馬蹄形漩渦系。墩周局部沖刷是由馬蹄形漩渦系產生很高的河床剪力而形成的。
（二）墩前下降水流的衝擊作用
橋墩對水流的阻礙，引起橋墩周圍水流結構的劇烈變化，在墩頭前緣形成一種“下降水流”，垂直向下沖刷床面泥沙，在墩前形成沖刷坑。
（三）水流受橋墩的壓縮作用
橋墩周圍的局部沖刷是由於橋墩壓縮了水流，改變了墩周原來的流速分布，在墩的兩側流速相對增大，從而使墩兩側首先引起沖刷。沖刷逐步發展到墩的正面。根據對局部沖刷試驗過程中的水流結構觀測分析，上述三種觀點不是孤立作用的，而是相互聯繫相互影響的，由此可以看出，橋墩對水流的壓縮和阻礙作用，使墩周流場發生變化，從而產生橋墩兩側的“集中水流”和橋墩前的“下降水流”，“集中水流”和“下降水流”是形成馬蹄形漩渦的內在原因，而馬蹄形漩渦系則是產生墩周局部沖刷的直接原因。
橋墩沖刷形式分類
橋墩附近河床的沖刷主要有河床自然演變、一般沖刷和橋墩周圍的局部沖刷三種形式：（1）河流中水流和泥沙總是不停的運動，床面上的泥沙被水流衝起帶走，形成河床的沖刷，水流挾帶的泥沙沉積下來，形成河床的淤積。在水流和泥沙的相互作用下，河床不斷的沖淤變化，構成了河床的自然演變。（2）建橋後，受橋孔壓縮影響，水流自上游最大壅水斷面起急劇從上游及兩側河灘集中流入橋孔，形成收縮斷面，然後逐漸擴散，恢復天然狀態。急劇流過橋孔的水流，沖走橋孔上下游床面的泥沙，形成橋孔附近床面的沖刷，稱為一般沖刷。（3）河道中設定橋墩後，縮窄了過水寬度，橋墩周圍的水流情況會發生很大的變化。由於橋墩阻礙水流產生的水流衝擊和渦流作用，在橋墩周圍分離出三維邊界層，從而產生具有高紊動和高流速特性的局部水流，在橋墩周圍形成的局部河床變形稱為橋墩局部沖刷。橋樑設計必須計算使用期限內橋墩的局部沖刷深度，為橋墩的埋置深度提供依據。
處理手段
預測橋墩局部沖刷深度是橋樑設計的重要依據之一，自1873年Durand Claye發表的"關於橋墩局部沖刷"論文至今已有130 多年的時間。國內外不同學者，撰寫發表的關於橋墩局部沖刷深度的計算公式眾多，但由於橋墩附近水流結構十分複雜，要從理論上建立描述這一物理現象的合理數學模型還存在著諸多困難，所以現階段一般將模型試驗資料，天然實測資料，調查得到的資料，套用因次分析法和多變數相關分析法等，並與理論相結合，得到了一些計算橋墩局部沖刷的不同公式，研究利用方便適用的橋墩局部沖刷計算方法，對提高橋墩設計可靠性，保障既有線安全運營及公路新線建設均具有重要的現實意義。
橋墩沖刷是橋樑水毀的主要原因之一，其沖刷深度是確定橋墩基礎埋深的重要的依據，直接關係到橋樑的安危。因此研究橋墩的沖刷對於橋樑設計、施工、防洪以及通航論證具有十分重要的意義。橋墩沖刷的機理十分複雜，為了研究方便，通常假定沖刷分為一般沖刷和局部沖刷，並且假定一般沖刷完成後才發生局部沖刷。
事實上，沖刷模型實驗是較為常見的局部沖刷預測方法，且橋墩幾何形態與實際能夠最大限度保持一致，但實驗人力物力花費較高，無法廣泛套用於一般中小跨橋樑設計，而沖刷卻往往發生在這些普通跨徑橋樑之中。另外，規範建議的沖刷深度計算公式逐漸成為橋樑基礎沖刷深度預測的主要理論依據，該方法簡單實用，可快速對橋樑基礎沖刷病害進行預判。但是計算假設條件苛刻，參數單一，計算結果難以保證準確，更無法給出沖刷三維性態發展趨勢。所以，現階段橋樑設計一般僅以簡化為一維的沖刷深度為設計條件來進行基礎設計。但是，沖刷並不是一個簡單的一維事件，它是一個隨時間不斷變化的實時複雜三維事件。顯然，在橋樑設計中，不僅沖刷深度是關鍵設計參數，沖刷三維性態的發展趨勢，包括最深沖刷深度所對應的平面位置，更是與橋樑基礎結構力學性能、耐久性能息息相關的影響因素。近年來，國內外學者針對橋墩沖刷三維性態發展開展了一系列研究，但研究多以單圓柱（墩）沖刷為研究對象，因而研究成果不能完全套用於實際橋樑基礎結構設計中。
局部沖刷深度
沖刷深度是水流攜帶河床上的土，使河床沖刷下降的深度。隨沖刷原因不同分為一般沖刷深度與局部沖刷深度。一般沖刷深度是當河流發生洪水時，河水的流速、流量隨之增大產生之沖刷。局部沖刷深度是當水中修建墩（台）後，使流水面積縮小、流速增加，使墩（台）附近河床下降的深度。設計橋樑墩（台）基礎埋置深度時，應考慮河流的沖刷深度。
局部沖刷受水流狀態、橋墩墩形、床沙組成、河床形態等因素共同影響。按照是否有上游來沙分為清水沖刷與動床沖刷。按照沖刷的水流情況，分為單向流沖刷、潮汐往複流沖刷以及潮汐河口混合水流沖刷。
局部沖刷影響因素
影響橋墩附近局部沖刷的因素很多，包括水深、流速、流向、河床泥沙類型、乾容重、粒徑、級配等，還涉及橋墩的尺寸、形狀等。影響橋墩局部沖刷深度的因素包括下列幾方面：橋墩特徵因素、流體特徵因素、河床質特徵因素和流動特徵因素。
（一）橋墩寬度B、橋墩的長度L或橋墩的直徑R對局部
沖刷深度的影響引起橋墩沖刷的最主要的原因就是橋墩的存在壓縮了河槽水流引起單寬流量的增大，從而導致局部沖刷。因此橋墩長度L（或橋墩直徑）或長寬比L/B是影響沖刷的一個因素。一般說來，橋墩越長、橋墩越寬，在墩頭處產生的局部沖刷會越深，因為B、L（或橋墩直徑R）反映了構造物對水流的壓縮程度，壓縮越大，構造物直接阻擋水流引起水流結構的改變越大，在墩頭周圍形成強烈的渦流與河槽泥沙發生的作用越大，因而引起的沖刷深度越大。
（二）上遊行近流速對局部沖刷深度的影響
1.當行近流速V小於床沙起沖流速V0'，床面泥沙靜止不動，橋樑墩台周圍不發生局部沖刷。
（一）橋墩寬度B、橋墩的長度L或橋墩的直徑R對局部
沖刷深度的影響引起橋墩沖刷的最主要的原因就是橋墩的存在壓縮了河槽水流引起單寬流量的增大，從而導致局部沖刷。因此橋墩長度L（或橋墩直徑）或長寬比L/B是影響沖刷的一個因素。一般說來，橋墩越長、橋墩越寬，在墩頭處產生的局部沖刷會越深，因為B、L（或橋墩直徑R）反映了構造物對水流的壓縮程度，壓縮越大，構造物直接阻擋水流引起水流結構的改變越大，在墩頭周圍形成強烈的渦流與河槽泥沙發生的作用越大，因而引起的沖刷深度越大。
（二）上遊行近流速對局部沖刷深度的影響
1.當行近流速V小於床沙起沖流速V0'，床面泥沙靜止不動，橋樑墩台周圍不發生局部沖刷。
2.當V0’≤V≤V0（V0是床沙起動流速）時，在橋樑墩台周圍因繞流而使局部流速增大，該處床沙移向下游，出現沖刷坑。沖刷坑內無上游來沙補給，稱為清水沖刷。
3.流速V增大到或超過床沙起動流速V0，床面泥沙大量起動，沖刷坑內得到來沙補給，沖刷深度隨流速而增大的變化大為減弱，這種沖刷稱為動床沖刷。由於凍瘡泥沙補給，沖刷率可以推知當流速達到一定值後，不會增加局部沖刷深度。
（三）上遊行近水深H對局部沖刷深度的影響
上遊行近水深變化對局部沖深的影響很大，一般認為行近水深較小時.局部最大沖深隨水深增加而增加，而當水深進一步增加時，局部最大沖深和水深幾乎無關。
3.流速V增大到或超過床沙起動流速V0，床面泥沙大量起動，沖刷坑內得到來沙補給，沖刷深度隨流速而增大的變化大為減弱，這種沖刷稱為動床沖刷。由於凍瘡泥沙補給，沖刷率可以推知當流速達到一定值後，不會增加局部沖刷深度。
（三）上遊行近水深H對局部沖刷深度的影響
上遊行近水深變化對局部沖深的影響很大，一般認為行近水深較小時.局部最大沖深隨水深增加而增加，而當水深進一步增加時，局部最大沖深和水深幾乎無關。
局部沖刷防護措施
橋墩沖刷幾乎是不可避免的，對於沖積河床更是如此。即使基礎埋置深度足夠，採取一定的橋墩防沖刷保護措施，對於減小墩旁沖刷坑深度、提高結構的安全性和橋樑的穩定性是有顯著效果的。
（一）沖刷防護原理
橋墩防沖刷保護措施一般基於以下兩種原理：
1.增加橋墩周圍河床的防沖能力。例如.在橋墩周圍河床鋪設粗顆粒材料防護層或拋石，可以提高橋墩的防沖刷能力。
2.減小水流沖刷的能量，即減弱沖刷河床的下沖流和馬蹄形渦流。通常採用擴大橋墩基礎平面或設護腳。如在橋墩墩軸線下面設沉箱或基腳，可以起到防沖刷保護作用；另外，橋墩設計時採用流線橋墩，能降低墩周的大壓力場，防止三維邊界層分離形成馬蹄形渦流，也可以起到防沖刷保護作用。
（二）沖刷防護方法
橋墩沖刷防護方法根據防沖時期可分為施工期防沖刷和永久防沖刷，根據防沖部位可分為淺基礎防沖刷和深基礎防沖刷；根據防沖方法可分為拋石防沖等方法，以下對沖刷保護方法作簡單的介紹：
1.拋石防沖：拋石防沖是橋墩防沖刷保護經常採用的方法。採用拋石防護主要強調反濾層，設反濾層的目的是防止拋石下的泥沙顆粒通過拋石孔隙被淘刷。
2.護腳和沉箱防沖：在橋墩周圍設立護腳和沉箱.防止下沖流和馬蹄形渦流直接衝擊泥沙顆粒，使其在水中拖運泥沙的能力被削弱，從而達到防沖刷保護的目的。
（一）沖刷防護原理
橋墩防沖刷保護措施一般基於以下兩種原理：
1.增加橋墩周圍河床的防沖能力。例如.在橋墩周圍河床鋪設粗顆粒材料防護層或拋石，可以提高橋墩的防沖刷能力。
2.減小水流沖刷的能量，即減弱沖刷河床的下沖流和馬蹄形渦流。通常採用擴大橋墩基礎平面或設護腳。如在橋墩墩軸線下面設沉箱或基腳，可以起到防沖刷保護作用；另外，橋墩設計時採用流線橋墩，能降低墩周的大壓力場，防止三維邊界層分離形成馬蹄形渦流，也可以起到防沖刷保護作用。
（二）沖刷防護方法
橋墩沖刷防護方法根據防沖時期可分為施工期防沖刷和永久防沖刷，根據防沖部位可分為淺基礎防沖刷和深基礎防沖刷；根據防沖方法可分為拋石防沖等方法，以下對沖刷保護方法作簡單的介紹：
1.拋石防沖：拋石防沖是橋墩防沖刷保護經常採用的方法。採用拋石防護主要強調反濾層，設反濾層的目的是防止拋石下的泥沙顆粒通過拋石孔隙被淘刷。
2.護腳和沉箱防沖：在橋墩周圍設立護腳和沉箱.防止下沖流和馬蹄形渦流直接衝擊泥沙顆粒，使其在水中拖運泥沙的能力被削弱，從而達到防沖刷保護的目的。
壩下游局部沖刷
壩下游局部沖刷是由攔蓄水的閘壩泄放具有較大能量的水流在建築物附近所造成的沖刷。水流被攔蓄壅高，泄向下游時有大量位能轉化為動能，雖經設計者採取各種消能措施，水流仍具有比一般水流大得多的動能，將嚴重沖刷天然河床，造成程度不同的沖刷坑，即使對岩石河床也不例外，沖坑過深將危及樞紐建築物或堤岸的穩定。因此，壩下局部沖刷是水利工作者研究的重大課題之一。
