桥墩和桥台周围碱激活水泥在清水条件下稳定化河床区域的范围

为什么更安全的桥梁很重要

当河流泛滥时，快速流动的水会悄悄冲走桥墩和桥台周围的沙砾，这一过程称为冲刷。全球范围内，这种隐蔽的侵蚀是桥梁退化、失效并需要高昂维修的主要原因之一。随着气候变化导致洪水次数减少但更为猛烈，工程师迫切需要既有效又经济并对环境更友好的桥梁保护方法。本研究探讨了一种新方法：使用一种更环保的类水泥材料，只加固桥墩和桥台周围恰到好处的河床区域，以防止在可能危及结构的部位形成破坏性孔洞。

桥梁如何从下方被侵蚀

当河水冲向桥梁时，它会撞击支撑桥面的墩柱和桥台。水流被迫向下并绕过这些障碍物，形成绕基旋转并剥离沉积物的漩涡。随着时间推移，这些旋转流在河床上刻出深坑，尤其在洪水期间。如果坑洞足够大，可能会暴露基础并危及桥梁。传统的防护措施——比如在墩柱周围填筑碎石层——虽然有效，但体积大、施工昂贵，且常需采石与运输大量石料。普通硅酸盐水泥也可用于加固河床，但其生产带来大量碳排放和其他环境负担。

一种更绿色的河床加固方式

研究人员测试了一种不同的胶结剂，称为碱激活水泥，它由钢铁工业副产物粉磨高炉矿渣与简单碱性溶液混合而成。将其掺入河床表层现有砂体后，这种混合物会形成薄而坚固的地壳，将颗粒紧密结合，同时几乎不改变下层土体的渗透性。先前研究表明，仅添加少量该材料就能使床面沉积物抵抗流水的能力提高多达百倍，而且不会向水体释放有害物质。在他们的实验中，作者在缩尺模型的圆形与矩形桥墩及两种常见桥台形状周围塑造成厚约五厘米的处理层，然后将这些模型放入实验水槽以模拟河流流动。

确定合适的保护规模

核心问题不是加固层是否有效，而是它在不同方向上需要延伸多远，才能在不浪费材料的情况下保护桥梁安全。在使用经过严格控制的水深和两种强流量（代表高要求但仍属沉积稳定的洪水条件）下，团队进行了数十次试验。他们改变处理补丁向上游、下游和侧向的延伸范围，观察在超过一天的稳定流动后在哪些位置形成冲刷坑。所采用的设计规则很实用：允许在处理区域下游形成一个小坑，前提是该坑不会向回切入加固区下方或接近结构本体。通过反复试验，他们为每种形状和流况找出了“刚好足够”的几何尺寸。

可抑制多少侵蚀

在这些最优布置下，围绕圆形与矩形桥墩以及两种桥台的加固补丁将最大冲刷深度相比未保护床面大约减少了70%到80%。重要的是，坑的最深处被推移到下游，远离墩柱或桥台，使处理区域保持完整且稳定。随着流势增强，所需的受保护面积增大；垂直墙式桥台相比翼墙式桥台需要更大的保护区，因为前者会产生更强的向下流动。使用较粗沉积物的额外试验表明，不仅流势强弱，流速与水深的一个关键无量纲指标（弗劳德数）也会影响所需加固区域的大小。

这对实际桥梁意味着什么

对非专业读者而言，结论很直接：通过有针对性地用一种由工业副产物制成且更环保的水泥加固河床中相对薄且尺寸合适的补丁，工程师可以显著减少危险性侵蚀，并将残余冲刷推向更安全的位置。这种方法所需的材料和设备远少于石笼或护石等堆石加固，同时避免了传统水泥的许多环境缺陷。该研究还为不同墩柱和桥台形状在清水条件下提供了实用的初始尺寸建议，并指出在制定适用于真实河流的完整设计规范之前仍需进一步研究的方面——例如更高能量的流动伴随可移动床、以及不同的来流角度等。

引用: Ghaedi Haghighi, A., Zarrati, A., Karimaei Tabarestani, M. et al. Extent of stabilized streambed region by alkaline activated cement around bridge piers and abutments in clear water condition. Sci Rep 16, 9178 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40143-z

关键词: 桥梁冲刷, 河流工程, 沉积物稳定化, 碱激活水泥, 桥梁安全