一种局部冲刷坑的促淤修复装置及方法

摘要

本发明提供一种局部冲刷坑的促淤修复装置及方法，包括：骨架，骨架围设于桩墩的四周，且骨架内圈固定于桩墩上；固定装置，用于使骨架与桩墩周围的底床固定；设置于骨架的浮体，浮体用于为骨架提供浮力；设置于骨架上的网状部件，且网状部件完全覆盖冲刷坑的坑口，以增加桩墩周围下潜流和涡流运动的阻力，弱化网状部件下的水流强度，降低网状部件下水流的挟沙能力，使得来沙通过网状部件网孔快速落入网下而淤积；网状部件置于水中为中性浮力状态。本发明从根本上消除了冲刷产生的根源，避免了冲刷产生的危害，降低了安装难度，大大减少了建设成本；本装置的水下重量轻，不会显著增加作用在桩墩等基础上的载荷，因此无需加大对地基承载力的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及水利海洋工程领域，具体地，涉及一种局部冲刷坑的促淤修复装置及方法。

背景技术

桩墩是桥梁、码头、海洋平台、海上风电的基础，现广见于江河湖海，并将随经济社会的发展而不断涌现，但往往因桩墩周围的局部冲刷而危及上部结构的安全。因此，采取相应的防冲刷措施是十分必要的。

国内外学者经过长期的研究，为解决桩墩局部冲刷问题，已发展出众多的措施，大致可以分为三类：1)被动防护也称为实体防护，即提高河床推移质的抗冲刷能力，措施主要有：抛石防护，扩大桥墩基础防护、混凝土铰链排防护、填充混凝土模袋防护、四角混凝土块防护等；2)主动防护也称减速不冲防护，即减少向下水流和马蹄形旋涡对桩体周围泥沙的冲刷，措施主要包括：护圈防护、桥墩的部分或整体开缝防护、墩前排桩防护、墩前淹没翼墙防护等；3)局部增阻促淤保护方法，不但使底床不发生冲刷，而且还起到促淤积作用，主要包括：四面体透水框架、三角网促淤防冲装置、生物及人工水草促淤防冲措施、促淤浮帘装置。但是，现有的被动防护方法都有各自的缺陷，如工程成本高，容易引发二次冲刷；主动防护方法存在难以适应天然底床高度、流向的经常变化的问题，或改变了承载结构形式、适用条件有限，或安装施工困难、增大了结构上的水动力荷载等；上述局部增阻促淤方法也存在对高流速环境下的防护能力有限、有的方法还缺乏应对流向变化的能力差等诸多不足。

比如，经检索发现，申请公布号为108468353A的中国专利，提供了一种海洋工程基础结构柔性冲刷防护结构，包括多个防护单体和连接缆索，所述多个防护单体由所述连接缆索连接成铺在海床面的柔性冲刷防护面；所述防护单体具有贯通防护单体上下表面的空腔，或者所述防护单体的外侧具有凹槽并在多个防护单体由连接缆索连接后由所述凹槽形成贯通柔性冲刷防护面的空腔，使所述柔性冲刷防护面密布贯通柔性冲刷防护面的空腔。所述的护单体的选择范围包括预制混凝土块、废旧轮胎。所述防护单体的选择范围包括预制混凝土块，所述柔性冲刷防护面至少包含多块预制混凝土块，所述预制混凝土块具有贯通预制混凝土块上下表面的空腔，或者所述制混凝土块的外侧具有凹槽并在多个防护单体由连接缆索连接后由所述凹槽形成贯通柔性冲刷防护面的空腔。所述空腔为侧壁内凹的内凹空腔。显而易见，该防护结构的重量非常重，不但施工难度大、成本高，而且传递给海洋工程基础的水下总重量大，增大了基础对地基承载力的需要，因此，反而增加了基础的不稳定性。另外，这些凹槽结构虽然增大了局部摩擦阻力，降低了行近流的总体流速，但同时也增大了临底的紊动强度，凹槽附近产生了大量的涡体，而这些涡体会直接卷起大量底沙，增大水流对泥沙的悬扬能力，因此，该防护结构非但起不到好的促淤作用，反而会增大了冲刷能力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种局部冲刷坑的促淤修复装置及方法。

本发明第一个方面提供一种局部冲刷坑的促淤修复装置，包括：

骨架，所述骨架围设于桩墩的四周，且所述骨架内圈固定于所述桩墩上；

固定装置，用于使所述骨架与所述桩墩周围的底床固定；

设置于所述骨架的浮体，所述浮体用于为所述骨架提供浮力；

设置于所述骨架上的网状部件，且所述网状部件完全覆盖所述冲刷坑的坑口，以增加所述桩墩周围下潜流和涡流运动的阻力，弱化所述网状部件下的水流强度，降低所述网状部件下水流的挟沙能力，使得来沙通过所述网状部件网孔快速落入网下而淤积；所述网状部件置于水中为中性浮力状态。

优选地，所述网状部件采用比重与水接近，其水下重量轻，从而最大限度地降低了整个修复装置的总重量，保证不会显著增大该修复装置转递给桩墩上的载荷，并且采用具有防腐蚀、抗紫外线的高强度工程材料的制成。

优选地，所述网状部件的孔径为：5d

优选地，所述网状部件的孔隙率为：20％～80％，以保证来沙颗粒基本上均会通过网孔落到网下，悬空时网上来沙不会发生不断的累积。

优选地，所述网状部件的厚度：1cm～10cm。

优选地，所述网状部件四周及中间设有连接部，所述网状部件通过所述连接部与所述骨架连接。

优选地，所述网状部件由若干扇型网格或条形拼接为一体，或者所述网状部件采用圆环形柔性网，以便更好地适应冲刷坑的椭圆外形，给该修复装置的制造和施工带来便利。

优选地，所述网状部件的孔形为圆形或方形。

优选地，所述固定装置包括：

若干地锚，所述地锚埋入底床面以下，以免其受水流冲刷而露出，一旦裸漏则地锚的锚力会显著减小，从而造成该修复装置的失稳破坏；

缆绳，所述缆绳一端与所述地锚连接，所述缆绳的另一端与所述骨架连接。

优选地，所述骨架包括：

内圈，所述内圈紧密套设于所述桩墩上，且靠近底床面的一端，将桩墩作为该修复装置的一个支撑；

设置于所述桩墩最大冲刷范围外围的外圈，所述外圈与所述内圈之间设有若干网格龙骨，所述若干网格龙骨构成环型平台，用于固定和安装所述网状部件。

本发明第二个方面提供一种局部冲刷坑的促淤修复方法，采用上述的局部冲刷坑的促淤修复装置进行。

优选地，局部冲刷坑的促淤修复方法包括：

将骨架固定在底床平面所对应的桩墩周围最大冲刷范围的位置上；

将浮体安装于所述骨架的下方，并使所述浮体的长轴朝来流反向；

将网状部件固定在所述骨架上，使冲刷坑的坑口完全覆盖，以增加所述桩墩周围下潜流和涡流运动的阻力，弱化所述网状部件下的水流强度，降低所述网状部件下水流的挟沙能力，使得来沙通过所述网状部件网孔快速落入网下而淤积；

根据底床整体冲刷变化情况、底质条件、水流波浪要素、骨架和网状部件的几何物理参数确定固定装置，确定后将固定装置埋入底床面设定高度以下，并将所述固定装置与所述骨架连接。

优选地，为增加该修复装置的稳定性和进一步降低其工程成本，在所述将骨架固定在底床平面所对应的桩墩周围最大冲刷范围的位置上之前，还包括：

预测桩墩在没有建设前所在位置的底床最低高程，将所述骨架内圈固定于预测的最低高程的桩墩外壁位置上，以防止由于水沙条件的季节变化引起底床的整体下切而导致骨架和网状部件的悬空高度过高；

根据预测的最低高程确定所述固定装置埋入底床面设定高度，即将所述固定装置埋入底床面的最低高程以下。

本发明上述装置的工作机理：用一种具有几何特征的网状部件，将已有的冲刷坑的坑口(或可能出现冲刷坑的部位)完全覆盖，覆盖前后的来水、来沙强度不但基本不变，而且网状部件覆盖会导致其下冲刷坑内的流速显著减少；当上游来沙到达网状部件上时会快速通过其网孔而落入冲刷坑内，落下的泥沙因为水流强度的减弱而不会被冲刷出坑，而是永久性地淤积在坑内；在网状部件下的冲刷坑没有被淤积满前，网状部件悬空部分不会明显堆积泥沙，因此，骨架和网状部件传递给桩墩的作用力有限，不会危及桩墩安全；上游不断的来沙淤积使冲刷坑不断变小，直到建立新的冲淤平衡，此时的桩墩局部冲刷变得非常有限，桩墩冲刷得到有效防护。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述装置，通过设置网状部件对已有冲刷坑或桩墩周围的最大冲刷范围进行全覆盖，增加了桩墩周围下潜流和涡流运动的阻力，弱化了网状部件下的水流强度，即阻隔了抵达网状部件下的水流流量，降低了网格下水流的挟沙能力，使得来沙从网孔快速落入网下的冲刷坑内，网状部件上在其悬空状态前不会明显堆积泥沙，坑内泥沙不断淤积，逐渐减少原有冲刷坑的深度，将桩墩的局部冲刷程度控制在有限范围内，从根本上消除了冲刷产生的根源，避免了冲刷产生的危害；此外，该促淤修复装置的水下重量轻，并不会显著增加作用在桩墩等基础上的载荷，不会明显加大对地基承载力的要求。

本发明上述装置，所有部件通过工厂预制，采用现场装配施工，降低了安装难度，大大减少了建设成本，为桥梁、码头、海洋平台、海上风电的基础建设提供保障。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的一种局部冲刷坑的促淤修复装置的结构示意图；

图中标记分别表示为：1为骨架、2为浮体、3为网状部件、4为连接部、5为缆绳、6为地锚。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

假设河道中一直立的直径2m的桩墩，在水流的作用下形成了一个深达6m的冲刷坑，冲刷坑半径30m，冲刷已对桩墩安全构成威胁，需要进行防冲刷保护。参照图1所示，本实施例提供一种局部冲刷坑的促淤修复装置，图中包括骨架1、固定装置、浮体2和网状部件3。

参照图1所示，骨架1设于桩墩的四周，且骨架1内圈固定于桩墩上。

固定装置用于使骨架1与桩墩周围的底床固定，防止骨架1被水流、波浪冲走。

浮体2设置于骨架1，浮体2用于为骨架1提供浮力，减少装置对桩墩施加的载荷。作为一优选方式，浮体2可以采用防腐蚀、防紫外线、发泡高分子材料制作，形状为椭球体，密度为水的0.2倍。

网状部件3设置于骨架1上，且网状部件3完全覆盖冲刷坑的坑口，以增加桩墩周围下潜流和涡流运动的阻力，弱化网状部件3下的水流强度，降低网状部件3下水流的挟沙能力，使得来沙通过网状部件3网孔快速落入网下而淤积；网状部件3置于水中为中性浮力状态。作为一优选方式，网状部件3可以由防腐蚀、抗紫外线的高强度改性的HDPE材料制成，比重为水比重的1.1倍，网孔为圆形，且网孔分布均匀，孔径为50d

在其它部分优选实施例中，网状部件3上设有连接部4，网状部件3通过连接部4与骨架1连接。连接部4可以采用卡扣或捆扎。卡扣可以采用改性的PVC材料制作。

在其它部分优选实施例中，网状部件3呈圆型，网状部件3由若干扇型网格拼接为一体，每块中性网格3彼此紧密排列，防止出现网状部件3没有铺设到的地方。由若干扇型网格拼装的呈圆型的网状部件3，以便更好地适应冲刷坑的椭圆外形，给该修复装置的制造和施工带来便利。

在其它部分优选实施例中，网状部件3的孔形为圆形或方形。

在其它部分优选实施例中，网状部件3的孔径为：5d

在其它部分优选实施例中，固定装置包括若干地锚6和缆绳5，其中，若干地锚6埋入底床面以下，以免其受水流冲刷而露出，一旦裸漏则地锚的锚力会显著减小，从而造成该修复装置的失稳破坏；地锚6选用动力鱼雷锚，锚数量为32个，锚长1m，横截面直径12cm。缆绳5一端系于地锚6上，缆绳5的另一端系于骨架1上，防止骨架1被水流、波浪冲走。缆绳5采用5mm粗的超高分子聚乙烯绳。地锚6的稳定性是防护工程成败的关键。地锚6种类选择、大小、现状及埋深需依据当地底床整体冲刷变化情况、底质条件、水流波浪要素、骨架1和中性网格的几何物理参数、经济预算等优化计算确定。经过优化计算后确定地锚6埋入底床面5m以下。地锚6为固定在底床不动的部件，可以采用动力鱼雷锚、霍尔锚、混凝土墩、石块及沙袋等。

在其它部分优选实施例中，骨架1包括内圈、外圈和若干网格龙骨，其中，内圈紧密套设于桩墩上，且靠近底床面的一端，将桩墩作为该修复装置的一个支撑；内圈直径可以为2m；外圈设置于内圈外围，外圈与内圈之间设有若干网格龙骨，若干网格龙骨构成环型平台，用于固定和安装网状部件3。骨架1采用HDPE材料包钢管制作，比重分布较均匀。骨架1的径向龙骨条的长度30m，共计16根，φ＝100mm；除内外圈外中间还设置20圈，φ＝30mm。

在另一实施例中，提供一种局部冲刷坑的促淤修复方法，采用上述的局部冲刷坑的促淤修复装置进行。

局部冲刷坑的促淤修复方法包括：

将骨架1固定在底床平面所对应的桩墩周围最大冲刷范围的位置上。

将浮体2安装于骨架1的下方，并使浮体2的长轴朝来流反向。

将网状部件3固定在骨架1上，使冲刷坑的坑口完全覆盖，以增加桩墩周围下潜流和涡流运动的阻力，弱化网状部件3下的水流强度，降低网状部件3下水流的挟沙能力，使得来沙通过网状部件3网孔快速落入网下而淤积。

根据底床整体冲刷变化情况、底质条件、水流波浪要素、骨架1和网状部件3的几何物理参数确定固定装置，确定后将固定装置埋入底床面设定高度以下，并将固定装置与骨架1连接。

优选地，为增加该修复装置的稳定性和进一步降低其工程成本，在将骨架1固定在底床平面所对应的桩墩周围最大冲刷范围的位置上之前，还包括：

预测桩墩在没有建设前所在位置的底床最低高程，将骨架1内圈固定于预测的最低高程的桩墩外壁位置上，以防止由于水沙条件的季节变化引起底床的整体下切而导致骨架1和网状部件3的悬空高度过高。

根据预测的最低高程确定固定装置埋入底床面设定高度，即将固定装置埋入底床面的最低高程以下，以防止地锚6由于水沙条件的季节变化而被冲刷裸漏而失去锚定作用。

按照上述修复方法实施后，将原有的冲刷坑的深度显著减小到约1m以内，桩墩安全得到保障。此外，该促淤修复装置的水下重量轻，并不会显著增加作用在该直径2m的桩上的载荷，不会明显加大对地基承载力的要求。

实施例2

假设一直桩立于底床泥沙粒d

骨架1由铸铁制作的空心杆件，骨架1设于桩的四周，内圈固定设置于桩的外壁上。

固定装置提供缆绳5将骨架1与桩周围的底床固定，防止骨架1被水流、波浪冲走。

浮体2设置于骨架1，浮体2用于为骨架1提供浮力，减少装置对桩墩施加的载荷。作为一优选方式，浮体2可以采用防腐蚀、防紫外线的发泡高分子材料制作，形状为椭球体，密度为水的0.3倍。

网状部件3为防腐蚀、防紫外线的凯夫拉材料制作的内径5m、外径80m的圆环形网，网状部件3的比重为水比重的1.1倍，网孔分布均匀，网绳直径3mm，孔径为6mm，孔隙率约为0.5。将网状部件3采用捆扎带固定设置于骨架1上，且网状部件3完全覆盖桩周围潜在的冲刷范围，以弱化网下的水流强度，降低网下波流的挟沙能力，使得来沙通过网孔快速落入网下而淤积。

固定装置包括若干地锚6和缆绳5，其中，若干地锚6埋入底床面以下1m；地锚6选用混凝土块，地锚6数量为32个，混凝土块尺寸为0.5m*0.5m*0.5m，横截面直径12cm。缆绳5一端系于地锚6上，缆绳5的另一端系于骨架1上，防止骨架1被水流、波浪冲走。缆绳5采用3mm粗的凯夫拉绳。

按照上述方法实施后，海洋中直径5m的直立桩的安全将得到保障。此外，该促淤修复装置的水下重量轻，并不会显著增加作用在该桩上的载荷，不会明显加大对地基承载力的要求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。