一种用于减弱桥墩基础局部冲刷的防护装置

1.本实用新型涉及桥梁防护工程技术领域，具体为一种用于减弱桥墩基础局部冲刷的防护装置。


背景技术：

2.桥梁在促进经济发展和各区域交流中起着举足轻重的作用。很大一部分桥梁的桥墩都处于湍急的河流中，由于河水、泥沙和桥墩的相互作用，会引起桥墩基础周围的局部冲刷和河床下切现象，从而导致桩基外露降低，严重时会引起桩身倾斜进而影响桥梁的整体稳定性。从现在桥梁的结构来看，局部冲刷是一种无法避免的情况，因此加大桥墩冲刷的防护力度，降低其受损程度就成为了保障桥梁结构稳定安全的关键。
3.桥梁周围水流结构包括墩前向下水流、墩前涌波和墩后漩涡。较河底流速来说，上部流速较快，形成了桥墩周围的马蹄形漩涡。每个急速旋转并向下游移动的漩涡的中心会出现负压，将河床泥沙吸起并带往下游，在桥墩下游沉积，从而形成很长的沙脊。目前，减弱桥墩局部冲刷的措施主要分为主动防护措施和被动防护措施两种。主动防护措施是从减弱下降流和马蹄涡的侵蚀力入手，比如扩大桩基础、桥墩开缝、环翼式护圈以及设置在桥墩上游的牺牲桩等。被动防护措施主要是从提高河床的抗侵蚀能力入手，比如在桥墩基础周围铺设颗粒防护材料形成护面层和抛石防护等等。
4.墩前牺牲桩防护适用于水流条件较稳定的床面，特点是结构简单、施工方便、防护效果明显。使用牺牲桩这种主动防护方式来防冲刷，虽然取得了一定效果，但是因为牺牲桩设计标准不高且基础埋深不够，牺牲桩前的下潜水流冲蚀桩周河床，使自身局部冲刷严重，甚至发生倾斜或倒塌，并且在汛期时，山区河流的水位快速上涨，桩身高度相对于水位降低，牺牲桩的防护效果有所折减，导致防护效果失效。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种用于减弱桥墩基础局部冲刷的防护装置，结构简单、施工取材方便、成本低廉，能有效减弱桥墩基础局部冲刷。
6.本实用新型是通过以下技术方案来实现：
7.一种用于减弱桥墩基础局部冲刷的防护装置，包括透水扰流桩，所述透水扰流桩设置在待防护桥墩的上游；
8.其中，所述透水扰流桩采用空心结构，透水扰流桩的内部填充有填充物，透水扰流桩的侧壁上均匀开设有多个侧缝。
9.优选地，所述透水扰流桩的顶端开设有预留孔。
10.优选地，所述透水扰流桩的横截面为圆形、椭圆形或者多边形。
11.优选地，当透水扰流桩的横截面为圆形时，所述透水扰流桩的壁厚与透水扰流桩的直径之比为0.1-0.3。
12.优选地，当透水扰流桩的横截面为圆形时，所述透水扰流桩的直径与待防护桥墩
的直径之比为0.4～1.0。
13.优选地，所述透水扰流桩与待防护桥墩的中心距为待防护桥墩的直径的2-5倍。
14.优选地，所述侧缝的宽度小于所述填充物的粒径。
15.优选地，所述侧缝的宽度为透水扰流桩的壁厚的0.5倍。
16.优选地，所述透水扰流桩为多个预制段拼接而成，每个预制段的顶部预留有榫槽注浆孔，相邻预制段之间通过凸榫与榫槽注浆孔固接。
17.优选地，所述透水扰流桩内部的填充物采用碎石。
18.与现有其他技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
19.本实用新型提供的一种用于减弱桥墩基础局部冲刷的防护装置，通过设置透水扰流桩布置在待防护桥墩的上游，透水扰流桩的侧壁开设有侧缝使其具有透水性，在阻挡来流的同时，也允许一部分水流通过缝隙穿过透水扰流桩，使得水流对透水扰流桩的荷载作用相对于传统的实心牺牲桩大大减小，对基础的强度和稳定性要求也相对于实心牺牲桩要更低，透水扰流桩内填充有填充物，使其内部的结构形式复杂，流动路径更加曲折，扰流效果更强，能有效降低墩前水流流速和下降水流对桥墩基础的局部冲刷。同时，本实用新型所述的结构设计能够在透水扰流桩和待防护桥墩之间区域形成的紊流区内扰动水流并降低紊流区水流流速和携砂能力，降低下潜水流的冲刷效果并使水流在上游携带的泥沙在墩前沉积以进一步减少桥墩的局部冲刷，本实用新型所述的透水扰流桩从控制冲刷水流入手，旨在减小冲刷的原动力，且相同水力条件下，透水桩自身的冲刷深度相对于实心牺牲桩更小，作为桥梁局部冲刷的第一道防线，自身的稳定性也有一定程度的提高，且该防护装置结构简单、施工取材方便、成本低廉。
20.本实用新型进一步的改进在于，所述透水扰流桩的顶端开设有预留孔，能够根据水面高度调节本实用新型防护装置的自身高度，遇到汛期时可以通过顶部预留榫槽注浆孔加装预制桩，从而增加防护高度，不会因为水位的上升而防护效果降低。并且其重量较轻，运输方便，不需要太复杂的施工器械和较多的施工人数，设计巧妙，结构新颖，实用性和灵活性强，满足防护需求。
附图说明
21.图1为本实用新型实施例中透水扰流桩的布置示意图；
22.图2为本实用新型实施例中透水扰流桩的布置俯视图；
23.图3为本实用新型实施例中透水扰流桩单个预制段的结构示意图；
24.图4为本实用新型实施例中透水扰流桩单个预制段的结构俯视图；
25.图5为本实用新型实施例中河道测点布置图；
26.图6a为本实用新型实施例中桥墩墩周冲刷深度图；
27.图6b为本实用新型实施例中桩周自身冲刷深度图。
28.图中：1-透水扰流桩，2-待防护桥墩，3-内壁，4-榫槽注浆孔，5-外壁，6-侧缝，7-凸榫，8-碎石。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实
施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
30.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
31.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
32.本实用新型提供的一种用于减弱桥墩基础局部冲刷的防护装置，包括透水扰流桩1，所述透水扰流桩1设置在待防护桥墩2的上游；
33.其中，所述透水扰流桩1采用空心结构，透水扰流桩1的内部填充有填充物，透水扰流桩1的侧壁上均匀开设有多个侧缝6。
34.本实用新型提供的一种用于减弱桥墩基础局部冲刷的防护装置，通过设置透水扰流桩1布置在待防护桥墩2的上游，透水扰流桩1的侧壁开设有侧缝6使其具有透水性，在阻挡来流的同时，也允许一部分水流通过缝隙穿过透水扰流桩1，使得水流对透水扰流桩1的荷载作用相对于传统的实心牺牲桩大大减小，对基础的强度和稳定性要求也相对于实心牺牲桩要更低，透水扰流桩1内填充有填充物，使其内部的结构形式复杂，流动路径更加曲折，扰流效果更强，能有效降低墩前水流流速和下降水流对桥墩基础的局部冲刷。同时，本实用新型所述的结构设计能够在透水扰流桩1和待防护桥墩2之间区域形成的紊流区内扰动水流并降低紊流区水流流速和携砂能力，降低下潜水流的冲刷效果并使水流在上游携带的泥沙在墩前沉积以进一步减少桥墩的局部冲刷，本实用新型所述的透水扰流桩1从控制冲刷水流入手，旨在减小冲刷的原动力，且相同水力条件下，透水桩自身的冲刷深度相对于实心牺牲桩更小，作为桥梁局部冲刷的第一道防线，自身的稳定性也有一定程度的提高，且该防护装置结构简单、施工取材方便、成本低廉。
35.进一步地，本实用新型所述的透水扰流桩1为预制拼接结构，预制生产工艺和设备简单，便于调运和安装；具体地，所述透水扰流桩1的顶端开设有预留孔，通过所述透水扰流桩1顶部预留榫槽注浆孔4，能够根据水面高度调节本实用新型防护装置的自身高度，遇到汛期时可以通过顶部预留榫槽注浆孔4加装预制桩，从而增加防护高度，不会因为水位的上升而防护效果降低。并且其重量较轻，运输方便，不需要太复杂的施工器械和较多的施工人数，设计巧妙，结构新颖，实用性和灵活性强，满足防护需求。
36.优选地，所述透水扰流桩1的横截面形式不局限于圆形，可根据实际情况另外选择椭圆形、正方形、矩形、三角形或其他多边形等，但不限于此。
37.其中，当透水扰流桩1的横截面为圆形时，所述透水扰流桩1的壁厚与透水扰流桩1的直径之比为0.1-0.3；当透水扰流桩1的横截面为多边形时，所述透水扰流桩1的壁厚与透水扰流桩1的边长之比为0.1-0.3，可根据实际工况进行相应设计与调整。
38.其中，当透水扰流桩1的横截面为圆形时，所述透水扰流桩1的直径与待防护桥墩2的直径之比为0.4～1.0；当透水扰流桩1的横截面为多边形时，所述透水扰流桩1的边长与待防护桥墩2的直径之比为0.4～1.0，可根据实际工况进行相应设计与调整。
39.其中，所述透水扰流桩1与待防护桥墩2的中心距为待防护桥墩2的直径的2-5倍。
40.优选地，所述侧缝6的宽度小于所述填充物的粒径，所述填充物可以直接采用从河道中获取碎石8作为填充物，或者也可以使用施工中剩余的废料来填充，取材方便，成本低廉，具有很强的应用前景。
41.实施例
42.如图1-4所示，本实用新型所述的用于减弱桥墩基础局部冲刷的防护装置，透水扰流桩1放置于待防护桥墩2的上游，主要包括圆柱型预制透水扰流桩1和填充在其中的碎石8。其中，透水扰流桩1为顶端开口和侧壁开缝的形式，顶端预留有榫槽注浆孔4，侧壁开设有多个侧缝6，待防护桥墩2为圆柱型。
43.本实施例中，透水扰流桩1的直径d1应视所保护桥墩的直径d2来确定，d1和d2之比为直径比。在控制其他条件不变的情况下，由于直径比太小时防护效果不佳，太大时防护效果溢出且浪费原材料，且直径比越大，所防护的区域越大，其防护效果越好，因此本实施例中直径比取0.4～1.0为宜。
44.本实施例中，透水扰流桩1的截面为圆形。
45.本实施例中，透水扰流桩1与待防护桥墩2的中心距为3d1左右为宜，其中，中心距为透水扰流桩1的中心到待防护桥墩2的中心之间的距离，d1为待防护桥墩2的直径。
46.本实施例中，透水扰流桩1的壁厚与透水扰流桩1的直径之比为0.2，其中，透水扰流桩1的内壁3和外壁5之间的厚度为壁厚，壁厚取值应满足透水扰流桩1自身承载力以及水流荷载作用的要求。
47.本实施例中，侧壁开缝在透水扰流桩1桩体侧壁均匀布置，每30
°
布置一个，共布置12个，侧壁开缝的宽度为壁厚的0.5倍。
48.进一步地，所述透水扰流桩1为多个预制段拼接而成，每个预制段的顶部预留有榫槽注浆孔4，相邻预制段之间通过凸榫7与榫槽注浆孔4固接。
49.本实施例中，透水扰流桩1由三根预制段吊装拼接而成，拼接时首先在顶端预留的榫槽注浆孔4中注浆，然后将另一根预制段的凸榫7对接到榫槽注浆孔4中，待其凝固后，重复上述操作，完成三根预制段的拼接。
50.本实施例中，填充在透水扰流桩1空心部分的碎石8粒径大于侧面开缝的短边长度，防止碎石8在水流的作用下从侧面开缝中脱离，碎石8可以直接从河道中获取，也可以使用施工中剩余的建筑废料来填充。
51.本实施例中，汛期水位增长时，可根据水位的高度来选择增加预制段的数量，拼接到透水扰流桩1的上方，从而使桩身高度增加，来保证防护效果。
52.本实用新型中因为透水扰流桩1不需要承担车辆荷载和桥面自身重量，只需要考虑水流的影响，满足设计标准和要求即可。同时本实用新型所述的防护装置取材简单，碎石8可以就近获取，而且组件都可以预制，质量有保证，施工周期短，可重复利用。
53.具体地，本实施例中提供本实用新型所述的防护装置与传统采用实心牺牲桩进行防护的结果对比，进一步对本实用新型中所述防护装置的有益效果加以说明。
54.如图5所示，为河道测点布置图，牺牲桩布置在桥墩上游，牺牲桩和桥墩迎水面为测点1(0
°
)，背水面为测点5(180
°
)，其它测点以此类推。
55.如图6a和6b所示，为无防护装置、实心牺牲桩和透水扰流桩1三种情况下桥墩1～8号测点的冲刷深度图，采用极坐标绘制，极坐标角代表墩周方位角，0
°
为迎水面，180
°
为背水面。极径为冲刷深度，河床原始高度为0cm。取1～8号测点的平均值为平均冲刷深度，取最大值为最大冲刷深度，得到的数据见表1。
56.表1
[0057][0058]
由图6a、6b和表1可以得出，实心牺牲桩防护的减少桥墩局部冲刷百分比为53.3％，本实施例中的透水扰流桩1防护的减少桥墩局部冲刷百分比为43.3％，透水扰流桩1的防护效果为实心牺牲桩防护的81.2％，能够显著减弱桥墩的局部冲刷，同时透水扰流桩1其自身平均冲刷深度为实心牺牲桩自身平均冲刷深度的81％，能够保证减弱效果的基础上进一步提升自身的稳定性。(提供的实验数据仅做示范参考，目的是为了本实用新型所述防护装置的效果)
[0059]
本领域技术人员在考虑说明书及实践的公开后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本技术旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书中的实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围由权利要求书确定。
[0060]
应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围内进行各种修改和改变。本实用新型的保护范围由权利要求书来限定。