橋墩基礎(chǔ)局部沖刷防護(hù)技術(shù)的對比分析

梁發(fā)云 王 琛

（1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092）

橋墩基礎(chǔ)局部沖刷防護(hù)技術(shù)的對比分析

梁發(fā)云1，2，*王 琛1，2

（1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092）

作為橋梁工程重要的減災(zāi)措施之一，橋墩基礎(chǔ)的局部沖刷防護(hù)受到國內(nèi)外越來越多的關(guān)注。按照沖刷防護(hù)的機(jī)理，可將其分為主動防護(hù)和被動防護(hù)兩大類。系統(tǒng)總結(jié)了工程中各類常用沖刷防護(hù)方式的特點(diǎn)，主要包括墩前犧牲樁、護(hù)圈、拋石、下游石板、橋墩開縫、擴(kuò)大墩基礎(chǔ)以及四面體透水框架群等防護(hù)技術(shù)措施。重點(diǎn)對比分析了這些方法的防護(hù)原理、防護(hù)效果及其優(yōu)缺點(diǎn)。并結(jié)合具體工程案例，對其所采用的沖刷防護(hù)措施和工程特點(diǎn)進(jìn)行了簡要的評述，分析探討了進(jìn)一步科研工作的方向。

橋墩基礎(chǔ)，局部沖刷，沖刷防護(hù)，主動防護(hù)，被動防護(hù)

1 引 言

沖刷是水流沖蝕作用引起河床或海岸剝蝕的一種自然現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)資料表明，超過半數(shù)的橋梁破壞與洪水沖刷有關(guān)［1］。沖刷通常主要由三部分組成：一般沖刷、收縮沖刷和局部沖刷。其中，局部沖刷深度通常遠(yuǎn)大于一般沖刷和收縮沖刷，大約相差一個數(shù)量級［1］。因此，沖刷分析時，局部沖刷最為主要。局部沖刷一般發(fā)生在橋墩基礎(chǔ)附近，橋墩的存在引起了水流的加速，產(chǎn)生了將周圍沉積物帶走的漩渦。

理論上可以將水流與橋墩的沖刷作用分為三個部分：①前進(jìn)水流漩渦，主要是指前進(jìn)的水流遇到障礙物產(chǎn)生的漩渦在通過障礙物時，卷動泥沙形成了沖刷坑，可采用減緩水流能量或者改變水流與橋墩的作用方式來應(yīng)對；②下降水流淘底，主要指前進(jìn)水流撞擊橋墩后形成一部分下降水流，對墩底進(jìn)行淘刷，可采用阻礙水流急速下沖的手段或增大泥沙啟動時需要的動力來應(yīng)對；③尾流漩渦沖坑，主要指水流繞過障礙物后形成的漩渦，帶走了墩后的部分泥沙，可在下游裝置收尾措施來處理應(yīng)對。

現(xiàn)有沖刷防護(hù)措施大多是按上述思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在實(shí)際工程中按其位置可以分為墩前、墩周、墩后三種防護(hù)措施：①墩前阻水，旨在阻擋墩前的前進(jìn)水流，干擾來流作用；②墩周加固，旨在墩周進(jìn)行適當(dāng)加固，起到護(hù)底防淘刷的作用；③墩后收尾，旨在減小尾流作用，降低墩后的沖刷作用。Chiew［2］則按防護(hù)機(jī)理把橋墩沖刷防護(hù)分為兩大類：一類稱為主動防護(hù)，從控制沖刷水流入手，旨在減小沖刷的原動力；另一類稱為被動防護(hù)，從改變沖刷對象和泥沙特性入手，以提高河床材料的抗沖刷性能。下文按主動防護(hù)和被動防護(hù)的分類對常用的沖刷防護(hù)方法進(jìn)行對比分析。

2 主動防護(hù)

在實(shí)際工程中，可以在河床高程附近增設(shè)底板或者護(hù)圈等，通過減小沖刷水流的原動力來提高抗沖刷性能，這種“減沖”的防護(hù)方式即主動防護(hù)。比較典型的方法有墩前犧牲樁、護(hù)圈、環(huán)翼式橋墩、護(hù)殼、橋墩開縫和下游石板等防護(hù)措施。

2.1 墩前犧牲樁

在橋墩基礎(chǔ)的上游布置一系列小直徑的群樁，如圖1所示。當(dāng)上游水流沖來時，先遇到這些樁，使來流的速度減小，沖刷能量相應(yīng)地降低，沖刷方向被擾動，使其與橋墩基礎(chǔ)的作用減弱，從而達(dá)到防護(hù)的目的。這一措施是從水流的消能著手，降低墩前下降水流和墩周馬蹄形漩渦擾流，使得來流的沖刷主要作用在墩前的群樁上，這些樁作為犧牲樁來保護(hù)橋墩基礎(chǔ)。

圖1 墩前犧牲樁Fig.1 Sacrificial pile

Melville等［3］認(rèn)為，影響墩前群樁防護(hù)效果的因素包括樁的數(shù)目、樁相對于橋墩的大小、樁頭露出水面的程度，以及墩前群樁的幾何排布形式。試驗(yàn)表明，三角形的頂角與水流來向相對的三角形排列形式效果較好。Chabert等通過試驗(yàn)表明，清水條件下，犧牲樁的存在對于減小沖刷起到了50%的作用，但當(dāng)水流方向與群樁頂角方向發(fā)生偏移時，犧牲樁的作用會降低甚至于幾乎消失［3］。因此，在實(shí)際工程中，該防護(hù)措施存在明顯的缺陷，如水流方向改變或河流變化都會使得原先設(shè)計(jì)的犧牲樁防護(hù)效果大大減小。而淹沒翼墻的防護(hù)措施也可歸為犧牲樁防護(hù)，只是采用的犧牲物不同，其主要是將一定幾何尺寸的底檻或角檻埋置于橋墩迎水面上游一定距離處，以消散來水的能量，從而起到防護(hù)作用。與犧牲樁相同，該方法受到水流方向變化的影響也較大，當(dāng)水流變化達(dá)到一定程度時，可能徹底失去防護(hù)作用。

2.2 護(hù)圈

在橋墩一定高度處設(shè)置各種形式的護(hù)圈，如圖2所示。護(hù)圈的存在使得橋墩周圍的下降水流和馬蹄形漩渦得到較好的削弱，也使得前進(jìn)水流經(jīng)過橋墩時的能量被削弱，從而起到防護(hù)的作用。

圖2 護(hù)圈防護(hù)Fig.2 Collar

Dargahi［4］對護(hù)圈防護(hù)進(jìn)行了分析，當(dāng)護(hù)圈放置于床面以下時，其與河床的距離為－0.015倍水深時（河床以下以負(fù)值表示），減小漩渦的效果最好，可減少沖刷深度約50%～75%。Dargahi還觀測了半圓柱體在水流作用下的效果，發(fā)現(xiàn)改變橋墩形狀后，馬蹄形漩渦依然存在，而改變護(hù)圈形狀對于減小沖刷也沒有明顯影響［4］。因此，護(hù)圈樣式和橋墩形狀對減小沖刷沒有顯著的效果，但護(hù)圈位置對于沖刷防護(hù)效果較為敏感。Kumar等［5］認(rèn)為護(hù)圈將水流分為上、下兩部分，位于護(hù)圈上方區(qū)域時，該護(hù)圈可作為一個下降流的障礙，使下降水流的沖擊力損失；而在護(hù)圈下方區(qū)域，下降水流和馬蹄形漩渦減小，其效果取決于護(hù)圈的尺寸和位置。根據(jù)護(hù)圈防護(hù)機(jī)理的分析，影響防護(hù)效果的關(guān)鍵在于護(hù)圈放置的位置，然而，在河床變化較大和較快的地方，護(hù)圈的相對位置容易發(fā)生變化，其防護(hù)效果難以得到有效的維持。

2.3 環(huán)翼式橋墩

環(huán)翼式橋墩是在橋墩上合適的位置加裝一定數(shù)量的擋板，形似翼狀，如圖3所示。該方法是從削弱水流的能力著手，通過翼狀擋板改變下潛水流的方向和大小，從而削弱漩渦淘蝕與降低搬運(yùn)河床顆粒的能力。

張萬鋒等［6］進(jìn)行了水深和流量的對比試驗(yàn)，當(dāng)流量為70 m3／h時，設(shè)置一個距離河床8 cm的擋板，防護(hù)效果最為顯著，試驗(yàn)測得的最大沖坑深度可減小60.8%。成蘭艷等［7］研究了單一擋板環(huán)翼式橋墩的防護(hù)效果，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加擋板后垂向流速明顯減小，降低了下潛水流對河床的沖刷，當(dāng)環(huán)翼式擋板與河床的距離約為水深的1／3時，最大沖坑深度可減小57.6%。進(jìn)一步的研究表明［8］，橋墩附近的最大沖坑深度隨環(huán)翼式擋板延伸長度的增大而減小，當(dāng)擋板延伸長度與橋墩的半徑相同時，最大沖坑深度可減小57.6%，同時橋墩中心迎水面的近底垂向流速最大可減小70.4%，明顯減弱了下潛水流對河床的沖刷。

圖3 環(huán)翼式橋墩Fig.3 Ring-wing pier

護(hù)殼是安置在浸入水中的橋墩外表面的一種防護(hù)手段，通過在橋墩表面附加粗糙的護(hù)殼來起到防護(hù)的作用，如圖4所示。護(hù)殼能夠很好地降低水流沖擊，有效地防止二次流和馬蹄形漩渦，降低了尾流強(qiáng)度，從而達(dá)到較好的防護(hù)效果。

圖4 護(hù)殼防護(hù)Fig.4 Sheath

2.4 護(hù)殼

護(hù)殼在迎水面設(shè)置帶有方向的人造褶皺，會產(chǎn)生一系列傾斜漩渦，并由水流將這些漩渦沖走，避免其下降淘刷底部泥沙，有效地減小了水流下降帶來的影響；其次，護(hù)殼外表面所設(shè)置的無方向粗糙面會給護(hù)殼帶來一種類似“高爾夫球”的特性，與光滑橋墩相比，可將層流變成紊流，從而改變了水流分隔線，使得下游尾流的沖刷能力大大降低。Gris［9］研究了該方法的減沖效果，試驗(yàn)表明，與光滑橋墩相比，有褶皺的橋墩能夠很好地減小沖刷，減小的量為20%～30%。護(hù)殼防護(hù)能夠較好地減小沖刷，而且具有設(shè)備簡單、性價比高、適用范圍廣等特點(diǎn)。

2.5 橋墩開縫

在橋墩局部開縫使得與橋墩強(qiáng)烈作用的水流可以部分從縫中通過，減弱其淘刷和漩渦效果，將原本作用于迎水面的強(qiáng)水流分散為縫兩邊的兩股弱作用，起到了沖刷防護(hù)的效果，如圖5所示。

圖5 橋墩開縫防護(hù)Fig.5 Slot in pier

Kumar等［5］認(rèn)為，縫的存在可以使得朝著河床的向下水流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是由于縫使得底部邊界層水流自身像噴射一樣加速，而當(dāng)縫處于河床附近位置時，會使得馬蹄形漩渦解體，當(dāng)處于水面附近時，縫可以很好地減小下降水流和馬蹄形漩渦。Chiew［2］和Kumar等［5］進(jìn)行了一系列對比試驗(yàn)，當(dāng)水流與縫夾角0°時，縫寬與墩寬比值為0.25和0.5，隨著縫長度的增大，沖刷深度會逐漸降低。Chiew［2］的試驗(yàn)在保持縫寬與墩寬比值為0.25時，沖刷深度隨著沖刷角度的增大而增大。當(dāng)角度增大到45°時，開縫減小沖刷作用的效果幾乎沒有了。

此外，研究成果表明，開縫也存在著一些不確定的影響，水流方向與縫的夾角導(dǎo)致的影響較大，當(dāng)水流不穩(wěn)定或者河床發(fā)生變化時，該方法的防護(hù)效果并不理想。而在長期使用中，也難免發(fā)生縫被異物或者泥沙堵住的情況，開縫的防護(hù)效果基本消失。因此，開縫防護(hù)需要進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)。

2.6 下游石板

下游石板防護(hù)是在橋墩的下游某處放置一塊石板，石板位于河床上，并且向整個河床截面延伸。存在于下游的石板，能夠很好地減小水流的流速，從而使得尾流漩渦減小，達(dá)到減小尾流沖刷的目的，如圖6所示。

Chiew和Lim［10］最初提出了采用放置于橋墩上游的犧牲石板作為一種防護(hù)措施，通過使來流流速降低實(shí)現(xiàn)沖刷保護(hù)。Grimaldi等［11］則提出將石板改放置于橋墩下游的防護(hù)方式，其目的是減小斷面階梯型的河床水流的傾斜、速率和侵蝕作用。Grimaldi等［11］通過試驗(yàn)，證明了下游石板的防護(hù)方式對于減小局部沖刷效果很好，樁與板的距離越近，防護(hù)效果越好。當(dāng)石板置于距離橋墩很近位置時，最大沖刷深度將會出現(xiàn)在石板前面。Tregnaghi等［12］通過試驗(yàn)得到了均質(zhì)和非均質(zhì)砂土河床中，由于下游石板的存在對沖刷深度的影響程度。

圖6 下游石板防護(hù)Fig.6 Downstream bed sills

3 被動防護(hù)

從被沖刷對象著手，在橋墩周圍的河床鋪設(shè)諸如碎石等的保護(hù)層，該類方法屬于被動防護(hù)范疇，旨在增強(qiáng)墩周土體的抗沖刷能力，比較典型的方法有拋石、部分拋石灌漿、擴(kuò)大墩基礎(chǔ)，四面體透水框架群等。

3.1 拋石

3.1.1傳統(tǒng)拋石防護(hù)

拋石是應(yīng)用最為廣泛的防護(hù)形式之一，其特點(diǎn)在于取材方便，工藝簡單，操作實(shí)施靈活性大，如圖7所示。拋石一方面增加了泥沙卷揚(yáng)起動所需要的水流作用力，另一方面其粗糙的石塊在一定程度上減緩了底層水流速度。但拋石防護(hù)的整體性較差，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和工作量較大，特別是當(dāng)流速急劇增大、河床床面出現(xiàn)較大變化時，拋石相對位置發(fā)生了變化，失去了防護(hù)作用。

圖7 拋石防護(hù)Fig.7 Riprap

Richardson等［14］建議拋石防護(hù)范圍至少應(yīng)為2倍的橋墩寬度，提出的一種拋石粒徑確定公式為美國高速公路管理局所采納。Lagasse等［15］提出了三種拋石層布置形式，分別是置于河床表面、沖刷坑內(nèi)或在橋墩附近人工開挖的坑中，并推薦將拋石置于平均河床高程一定深度以下的地方。

Chiew［16］認(rèn)為，拋石破壞分為三種形式：拋石剪切破壞，是指拋石無法抵抗下降水流和馬蹄形漩渦的沖刷；河床卷揚(yáng)破壞，是指拋石下的河床材料通過拋石的孔隙被沖走；邊緣破壞，是指粗糙的拋石層邊緣失穩(wěn)。拋石級配也是一個重要的問題，如果級配不良，產(chǎn)生的空隙使得其下泥沙可以在水流作用下輕易通過，并進(jìn)而慢慢流失，使得拋石層的效果大打折扣。文獻(xiàn)［17］的水槽試驗(yàn)研究表明，拋石顆粒的起動失穩(wěn)有滑動和滾動兩種形式，定床面上橋墩周圍拋石顆粒最敏感的位置為橋墩側(cè)后135°方向處，橋墩前位置為拋石顆粒最穩(wěn)定處。齊梅蘭等［18］則進(jìn)一步研究了墩周繞流對拋石落距的影響。

3.1.2拋石替代方法

盡管采用拋石方法簡單方便，但當(dāng)缺少拋石的石材或石材粒徑不能滿足要求，以及有環(huán)境保護(hù)或美觀要求的地方不宜采用拋石防護(hù)。此時，可采用一些能適當(dāng)替代拋石的方法，較為常用的有混凝土鉸鏈防護(hù)，混凝土硬殼單元體防護(hù)，以及混凝土石籠防護(hù)，這三種防護(hù)方式與拋石法的防護(hù)機(jī)理類似，都是阻擋下降水流帶來的沖刷以及降低前進(jìn)水流攜走泥沙的能力。

混凝土鉸鏈防護(hù)是利用鉸鏈將混凝土板塊連接起來而形成一個整體的防護(hù)實(shí)體，這些鏈接件一般是有自鎖性的，并由鋼桿連接。Parker［19］認(rèn)為其破壞形式有兩種，即邊緣的鉸鏈由于嵌入不足被掀起，以及在邊緣嵌入充分的情況下，中部被掀起的破壞?；炷零q鏈防護(hù)方法具有能夠工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化施工、質(zhì)量易控制等優(yōu)點(diǎn)，但造價較高，并需防止混凝土板塊掀起產(chǎn)生的破壞。

混凝土硬殼單元體，也稱為人造拋石，是由預(yù)制的復(fù)雜形狀的混凝土塊體組成。其形式多種多樣，常見形式有四腳塊體，A-JACK型等，其中四腳塊體所受關(guān)注較多，隨著塊體增大，其穩(wěn)定效果變得更好。A-JACK塊體是由Armortec公司進(jìn)行研究的，這些單元體作為橋墩防水措施時，由于其機(jī)理與拋石法一致，所以破壞形式兩者也是類似的。在等重條件下，人造拋石較傳統(tǒng)拋石穩(wěn)定性好，防護(hù)效果也更好，但是其造價較高，施工時比傳統(tǒng)拋石要復(fù)雜，需要精確地進(jìn)行布置［15］。

混凝土石籠防護(hù)是將土或石塊裝入石籠等容器中，作為一個整體而起到防護(hù)作用。該方法在歐洲用于保護(hù)河岸已有100多年的歷史，近年來這種方法在美國悄然興起。Parker［19］提出了一些關(guān)于石籠在大型橋墩附近鋪設(shè)時的建議。Yoon和Kim［20］通過試驗(yàn)研究了麻布袋裝的混凝土石籠塊群作為橋墩的防護(hù)方法的效果，得到了關(guān)于塊體大小的建議公式。但由于河床演變可能會使網(wǎng)線斷裂，將導(dǎo)致石塊掉出而破壞。

3.1.3 部分拋石灌漿

作為沖刷防護(hù)措施，防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該有足夠的滲透性，避免產(chǎn)生過大的水壓作用在防護(hù)層上，并應(yīng)具有足夠的彈性，可以與土層變形及邊緣的沖刷協(xié)調(diào)。為解決拋石法的穩(wěn)定性，并盡量發(fā)揮拋石的阻水和加固作用，部分拋石灌漿方法得到了較多的關(guān)注。該方法是由整體灌漿拋石方法演化而來的，如圖8所示，將一定數(shù)量的拋石粘結(jié)形成一個拋石團(tuán)，置于橋墩附近發(fā)揮作用。部分灌漿拋石在美國得到鼓勵，主要是因?yàn)檎w拋石灌漿將拋石間本該存在的孔隙灌漿填滿，這使得拋石體的滲透性減小，可能導(dǎo)致破壞。而部分灌漿拋石并沒有將孔隙占滿，較大程度地保持了拋石的滲透性。對于橋墩防護(hù)，部分灌漿拋石由塊石組成，這些塊石放在墩周并且灌注孔隙占總孔隙的比例低于50%。Heibaum等［21］認(rèn)為，與傳統(tǒng)的由松散元素組成的防護(hù)方式相比較，部分灌漿拋石的穩(wěn)定性提高很多。在類似防護(hù)方案中，部分灌漿的防護(hù)效果較好，它將對水流和波浪具有較高抵抗能力的大型單元結(jié)合在一起，其彈性可以適應(yīng)土層變形，而且該方法比較經(jīng)濟(jì)，損壞后易修復(fù)。

圖8 部分拋石灌漿Fig.8 Partialy grouted riprap

3.2 擴(kuò)大墩基礎(chǔ)防護(hù)

擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)是指在施工階段先將鋼圍堰埋入河床以下一定深度，再進(jìn)行下部樁基礎(chǔ)施工，基礎(chǔ)施工完成后在床面以上預(yù)留一定高度封頂，然后在其頂面上放置橋墩的防護(hù)工程措施，如圖9所示。該防護(hù)措施致力于解決下降水流帶來的淘刷力，防止其直接沖刷泥沙以及減弱馬蹄形流的沖砂攜砂能力。但是對于具有泥沙搬運(yùn)特性的動床，當(dāng)泥沙發(fā)生移動時，便失去了原來的作用和效果［13］。

按橋墩基礎(chǔ)頂面所在的位置分成三類：①擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)頂面位于河床面之上時，出露部分實(shí)際并沒有起到預(yù)計(jì)的效果，相當(dāng)于僅僅是增大了橋墩的直徑，當(dāng)有水沖刷時，更大面積的墩土接觸面導(dǎo)致沖刷深度增大；②當(dāng)擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)頂面位于沖刷坑內(nèi)時，擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)的頂面消散了部分向下水流和馬蹄形旋渦的沖刷力，削減了橋墩周圍的沖刷坑深度，特別是當(dāng)擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)的頂面恰好位于河床床面處時，減沖效果最為明顯；③當(dāng)擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)頂面位于橋墩周圍最大沖刷坑深度之下時，其防護(hù)作用消失，相當(dāng)于沒有擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)。該方法在理論上能夠起到防護(hù)作用，但是當(dāng)河床變動時其作用會變化消失，甚至起反作用，工程一般不建議采用。

圖9 擴(kuò)大墩基礎(chǔ)Fig.9 Enlarged foundation

3.3 四面體透水框架群防護(hù)

四面體透水框架群是一種在橋墩周圍拋投四面體的方法，如圖10所示。該方法能夠很好地結(jié)合主動沖刷與被動沖刷的兩種防護(hù)措施，兼具兩種防護(hù)措施的特點(diǎn)。其工作原理是利用四面體框架群對來流進(jìn)行消能減沖，減小漩渦，穩(wěn)固河床，從而達(dá)到防護(hù)的目的。該方法最早是運(yùn)用于江河護(hù)岸和堤防等，后來逐漸引入了沖刷防護(hù)領(lǐng)域，這種防護(hù)技術(shù)機(jī)理新穎，造價較低，適用面廣。

圖10 四面體透水框架群Fig.10 Tetrahedron permeable frame

房世龍等［22］通過試驗(yàn)研究了四面體布設(shè)形式對減沖效果影響，得到了沖刷坑內(nèi)的框架群拋投密度與墩前沖刷坑深度之間的關(guān)系。唐洪武等［23］分析長江九江段護(hù)岸工程實(shí)例，發(fā)現(xiàn)拋投工程區(qū)的近底流速減小50%～70%。張文捷等［24］認(rèn)為，透水框架群的水流阻力特性、減速特性與透水框架的拋投方式有一定的關(guān)系。李若華等［25］通過理論分析和水槽試驗(yàn)，研究了穿越透水框架群水流阻力系數(shù)的變化規(guī)律。房世龍等［26］將框架群的潰敗方式分為兩類：①整體潰敗，是指由于單個透水框架的重量較小，水流流速增大時，對透水框架的作用力增大，致使四面體的抗滑和抗翻滾穩(wěn)定狀態(tài)被破壞；②邊緣潰敗，是指由于四面體透水框架群的阻水作用，致使整個防護(hù)工程近似于一個單獨(dú)的橋墩阻水，在其周圍形成的水流結(jié)構(gòu)和旋渦體系使得防護(hù)帶邊緣出現(xiàn)較深沖槽，致使框架體滾入沖槽中。

4 典型工程實(shí)例分析

4.1 主動防護(hù)案例—京廣線黃河大橋

作為一種旨在減沖消能的防護(hù)方式，目前關(guān)于主動防護(hù)的研究很多，但在實(shí)際工程中的運(yùn)用上還不是特別成熟。本文對京廣線K648＋623黃河鐵路大橋的案例進(jìn)行簡要介紹，該橋建于1958年，有2個橋臺、70個橋墩，基礎(chǔ)埋深30 m，基底為粉砂，墩周河床地質(zhì)均為粉砂土，大橋位于游蕩性河床范圍內(nèi)，容易在橋墩周圍產(chǎn)生局部沖刷。1965年對橋基進(jìn)行研究，根據(jù)黃河水文地質(zhì)有關(guān)資料分析計(jì)算，確定大橋?yàn)槁裆畈蛔愕臏\基橋。因此，在運(yùn)營過程中，每年汛期都采取預(yù)拋片石籠的防護(hù)措施進(jìn)行防護(hù)，確保了大橋的安全暢通［27］。但是每年拋投的片石籠都會有較大程度的流失，經(jīng)濟(jì)損失較大，對橋墩基礎(chǔ)構(gòu)成威脅。后來采用了四面六邊透水框架群的沖刷防護(hù)技術(shù)，該方案兼具主動和被動防護(hù)的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中效果較好，減速率可達(dá)40%～70%，且框架自身重心低、不易翻滾，與拋石等實(shí)體防護(hù)技術(shù)相比，不僅能降低橋墩處水流速度，使流經(jīng)框架群的含沙水流降低流速，增加橋墩基礎(chǔ)埋深，有效地阻止了橋墩的沖刷。

4.2 被動防護(hù)案例

被動防護(hù)的典型代表是拋石法，該方法在工程上的運(yùn)用十分廣泛。與主動防護(hù)相比，被動防護(hù)著眼于提高河床自身的抗沖刷能力，以達(dá)到護(hù)底防沖的效果。國外對拋石法的使用較早，威池賽爾大橋采用拋石法進(jìn)行防護(hù)，我國拋石法運(yùn)用廣泛，如鄭焦鐵路黃河大橋［28］也是采用拋石法進(jìn)行防護(hù)。

4.2.1西江特大橋

西江特大橋位于江門市外海鎮(zhèn)，橫跨西江主干流，全長約2 500 m，主墩為雙薄壁墩，副墩及過渡墩為空心墩，基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁，其中33號～37號主墩采用2.5－2.7 m的變截面鉆孔灌注樁。2007～2008年對西江特大橋橋位進(jìn)行水下地形測量，發(fā)現(xiàn)在34號～37號墩附近范圍河床沖刷較嚴(yán)重，特別是35號墩處的河床在16個月內(nèi)沖刷深度達(dá)到1.1 m，通車3年多累計(jì)沖刷深度達(dá)8.3 m。為消除隱患，提出采用主動性防護(hù)對34號～37號墩附近的河床進(jìn)行加固處理［28］。該工程的防護(hù)方案主要依據(jù)橋梁主墩樁基周邊沖刷狀況及多層次防護(hù)的理念，目的是確保橋梁主墩樁基及周邊土（沙）層不被沖刷（或緩解沖刷程度）。在整個防護(hù)方案中，依據(jù)防護(hù)的重要程度和處理的力度及不同的處理方式將相關(guān)區(qū)域劃分為核心區(qū)、護(hù)坦區(qū)兩類區(qū)域：核心區(qū)主要采用“袋裝砂層＋級配石層＋護(hù)面塊石層”三層防護(hù)體系；護(hù)坦區(qū)采用“級配石層＋護(hù)面塊石層”二層防護(hù)。

4.2.2石泉漢江大橋

石泉漢江大橋位于210國道K1196＋200處的石泉縣城，是一座與210國道和316國道呈“T”形平面交叉的雙曲拱橋，1975年為防止距該橋上游750 m處電站泄洪時對橋墩造成沖刷，曾對9號墩采用鉆管注漿固結(jié)砂礫的方法加固，1989年對其他墩基礎(chǔ)采用護(hù)坦及防沖盤的方式進(jìn)行了較大規(guī)模的防護(hù)加固［30］。1999年6月，在對該橋檢測中發(fā)現(xiàn)，百米大跨處的9號墩基礎(chǔ)沖刷深度達(dá)6.65 m，底部出現(xiàn)嚴(yán)重掏空。為了提高防沖能力，對石泉漢江大橋采用擴(kuò)大基礎(chǔ)法加固，加固體嵌入基巖1.0 m，通過在基巖上植筋來提高其抗沖刷能力。

4.2.3新沂河橋

隴海線K134＋132新沂河橋建于1956年，為28孔跨度23.5 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁。下部結(jié)構(gòu)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，分3層設(shè)置，每層lm，基底下為1.5 m厚的碎石墊層。1956年修建新沂河鐵路橋時，根據(jù)淮委會函文，設(shè)計(jì)流量為5 000 m3／s，百年一遇設(shè)計(jì)水位27.9 m，三百年一遇最高洪水位28.0 m［31］。由于新沂河常有洪水發(fā)生，導(dǎo)致經(jīng)常進(jìn)行修繕維護(hù)。為徹底解決新沂河橋的淺基防護(hù)，決定將原來的防護(hù)形式改用掛置混凝土塊排（一種拋石替代方法）。橋墩的局部淺基防護(hù)目的是阻止水流的局部沖刷，而允許河床一般沖刷，需把混凝土塊排放置在一般沖刷線下。1990年8月17日，橋下出現(xiàn)5 120 m3／s洪峰，水位距支承墊石頂只有0.2 m，主槽出現(xiàn)在第11～13孔橋下，位于防護(hù)范圍內(nèi)，安然渡過了洪峰，驗(yàn)證了掛放混凝土塊排進(jìn)行局部防護(hù)的有效性。

4.3 綜合防護(hù)案例—蘇通大橋

在一般的橋梁建設(shè)中，通常僅采用某一種沖刷防護(hù)方式。但在一些較大規(guī)模的橋梁工程中，有時需要兼用主動與被動防護(hù)，以達(dá)到良好的防沖效果。蘇通大橋是目前世界上跨徑最大的斜拉橋，主跨跨徑為1 088 m，其主塔墩樁基平面尺度大、布樁密度高，主塔墩的局部沖刷深度大、范圍廣，對其進(jìn)行沖刷防護(hù)是很有必要的［32］。

該工程設(shè)計(jì)確定了采用護(hù)底抗沖措施。主塔墩基礎(chǔ)沖刷防護(hù)根據(jù)各部分所處位置和功能，將防護(hù)區(qū)域分為核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)和護(hù)坦區(qū)三個部分。核心區(qū)是局部沖深最大的區(qū)域，也是沖刷防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域，核心區(qū)首先要進(jìn)行預(yù)防護(hù)，確保鋼護(hù)筒施工的順利進(jìn)行和現(xiàn)有床面免遭沖刷。根據(jù)沖刷防護(hù)的功能要求，防護(hù)結(jié)構(gòu)由反濾層和護(hù)面層組成。反濾層可采用袋裝砂或級配石料，護(hù)面結(jié)構(gòu)可采用塊石、砼聯(lián)鎖塊等。在核心區(qū)選用袋裝砂作為預(yù)防護(hù)，級配石料作為反濾層；在永久防護(hù)區(qū)和護(hù)坦區(qū)直接采用袋裝級配石料作為反濾層。核心區(qū)先采用袋裝砂預(yù)防護(hù)，袋裝級配石料反濾和塊石護(hù)面與鋼護(hù)筒施工結(jié)合進(jìn)行。永久防護(hù)區(qū)和護(hù)坦區(qū)采用厚度lm的袋裝級配石料作為反濾層，永久防護(hù)區(qū)3層塊石護(hù)面，護(hù)坦區(qū)外側(cè)5層塊石，內(nèi)側(cè)3層塊石。監(jiān)測表明蘇通大橋沖刷防護(hù)工程達(dá)到了預(yù)期的效果，取得了圓滿的成功。

4 結(jié) 語

工程上現(xiàn)行的防護(hù)方式多以被動防護(hù)為主，其中拋石防護(hù)最為常見。如前文所述，該類方法雖然操作簡便，但由于被動防護(hù)只是機(jī)械地提高墩周土體的抗沖能力，不能從沖刷產(chǎn)生的原因入手，經(jīng)常需要進(jìn)行修繕維護(hù)，代價高，工作量大，尤其是水流作用大以及作用變化較大時，拋石很容易流失，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。相反，主動防護(hù)著眼于沖刷的根源，從擾動水流結(jié)構(gòu)入手，降低來流的作用，從而起到很好的防護(hù)效果，雖然一次性投入可能較被動防護(hù)要多，但從長遠(yuǎn)角度來看，修繕維護(hù)的人力和財(cái)力會被顯著降低，應(yīng)是未來局部沖刷防護(hù)的發(fā)展方向。

本文系統(tǒng)地論述了常用防護(hù)方式的作用機(jī)理，防護(hù)效果，防護(hù)優(yōu)缺點(diǎn)和防護(hù)的工程使用案例，其中主動防護(hù)的思路新穎，發(fā)展迅速，前景廣闊。為了將主動防護(hù)更好更完善地投入工程實(shí)踐，相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究需要繼續(xù)進(jìn)行，相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)手段也要不斷發(fā)展。如實(shí)驗(yàn)室測定沖刷深度，通過測定樁的自振頻率的變化反演出局部沖刷深度，可以更客觀地測定沖刷深度和判斷防沖的效果［33］。與此同時，還應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)貙ふ抑鲃优c被動防護(hù)的契合點(diǎn)，將兩者有機(jī)地聯(lián)系起來，進(jìn)行全方位的防護(hù)。

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Review on Countermeasures to Bridge Piers from Local Scour

LIANG Fayun1，2，*WANG Chen1，2（1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

As an important disaster alleviation method in bridge engineering，local scours of bridge pier have attracted widel attention by domestic and overseas researchers.Based on the principle of bridge scour，countermeasures for bridge scour were divided into two typical sorts：active countermeasures and passive countermeasures.Most efficacious local scour protections both in laboratories and projects are summarized in this paper.Thosemeasures include sacrificial piles，collars，riprap protection，downstream bed sills，slots，foundation enlargement，tetrahedron permeable frame protection and some others.The basic principal，advantages and disadvantages of these countermeasures are provided in the present paper.Furthermore，some typical projects are introduced and the countermeasures for bridge piers are also reviewed briefly.The directions of further research works are also discussed.

bridge pier，local scour，countermeasures for scour，activemethod，passivemethod

2013-10-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41172246）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2013CB036304）*聯(lián)系作者，E-mail：fyliang＠#edu.cn