桥墩基础局部冲刷防护技术的对比分析

梁发云 王 琛

（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；2.同济大学地下建筑与工程系，上海200092）

桥墩基础局部冲刷防护技术的对比分析

梁发云1，2，*王 琛1，2

（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；2.同济大学地下建筑与工程系，上海200092）

作为桥梁工程重要的减灾措施之一，桥墩基础的局部冲刷防护受到国内外越来越多的关注。按照冲刷防护的机理，可将其分为主动防护和被动防护两大类。系统总结了工程中各类常用冲刷防护方式的特点，主要包括墩前牺牲桩、护圈、抛石、下游石板、桥墩开缝、扩大墩基础以及四面体透水框架群等防护技术措施。重点对比分析了这些方法的防护原理、防护效果及其优缺点。并结合具体工程案例，对其所采用的冲刷防护措施和工程特点进行了简要的评述，分析探讨了进一步科研工作的方向。

桥墩基础，局部冲刷，冲刷防护，主动防护，被动防护

1 引 言

冲刷是水流冲蚀作用引起河床或海岸剥蚀的一种自然现象。统计资料表明，超过半数的桥梁破坏与洪水冲刷有关［1］。冲刷通常主要由三部分组成：一般冲刷、收缩冲刷和局部冲刷。其中，局部冲刷深度通常远大于一般冲刷和收缩冲刷，大约相差一个数量级［1］。因此，冲刷分析时，局部冲刷最为主要。局部冲刷一般发生在桥墩基础附近，桥墩的存在引起了水流的加速，产生了将周围沉积物带走的漩涡。

理论上可以将水流与桥墩的冲刷作用分为三个部分：①前进水流漩涡，主要是指前进的水流遇到障碍物产生的漩涡在通过障碍物时，卷动泥沙形成了冲刷坑，可采用减缓水流能量或者改变水流与桥墩的作用方式来应对；②下降水流淘底，主要指前进水流撞击桥墩后形成一部分下降水流，对墩底进行淘刷，可采用阻碍水流急速下冲的手段或增大泥沙启动时需要的动力来应对；③尾流漩涡冲坑，主要指水流绕过障碍物后形成的漩涡，带走了墩后的部分泥沙，可在下游装置收尾措施来处理应对。

现有冲刷防护措施大多是按上述思路进行设计的，在实际工程中按其位置可以分为墩前、墩周、墩后三种防护措施：①墩前阻水，旨在阻挡墩前的前进水流，干扰来流作用；②墩周加固，旨在墩周进行适当加固，起到护底防淘刷的作用；③墩后收尾，旨在减小尾流作用，降低墩后的冲刷作用。Chiew［2］则按防护机理把桥墩冲刷防护分为两大类：一类称为主动防护，从控制冲刷水流入手，旨在减小冲刷的原动力；另一类称为被动防护，从改变冲刷对象和泥沙特性入手，以提高河床材料的抗冲刷性能。下文按主动防护和被动防护的分类对常用的冲刷防护方法进行对比分析。

2 主动防护

在实际工程中，可以在河床高程附近增设底板或者护圈等，通过减小冲刷水流的原动力来提高抗冲刷性能，这种“减冲”的防护方式即主动防护。比较典型的方法有墩前牺牲桩、护圈、环翼式桥墩、护壳、桥墩开缝和下游石板等防护措施。

2.1 墩前牺牲桩

在桥墩基础的上游布置一系列小直径的群桩，如图1所示。当上游水流冲来时，先遇到这些桩，使来流的速度减小，冲刷能量相应地降低，冲刷方向被扰动，使其与桥墩基础的作用减弱，从而达到防护的目的。这一措施是从水流的消能着手，降低墩前下降水流和墩周马蹄形漩涡扰流，使得来流的冲刷主要作用在墩前的群桩上，这些桩作为牺牲桩来保护桥墩基础。

图1 墩前牺牲桩Fig.1 Sacrificial pile

Melville等［3］认为，影响墩前群桩防护效果的因素包括桩的数目、桩相对于桥墩的大小、桩头露出水面的程度，以及墩前群桩的几何排布形式。试验表明，三角形的顶角与水流来向相对的三角形排列形式效果较好。Chabert等通过试验表明，清水条件下，牺牲桩的存在对于减小冲刷起到了50%的作用，但当水流方向与群桩顶角方向发生偏移时，牺牲桩的作用会降低甚至于几乎消失［3］。因此，在实际工程中，该防护措施存在明显的缺陷，如水流方向改变或河流变化都会使得原先设计的牺牲桩防护效果大大减小。而淹没翼墙的防护措施也可归为牺牲桩防护，只是采用的牺牲物不同，其主要是将一定几何尺寸的底槛或角槛埋置于桥墩迎水面上游一定距离处，以消散来水的能量，从而起到防护作用。与牺牲桩相同，该方法受到水流方向变化的影响也较大，当水流变化达到一定程度时，可能彻底失去防护作用。

2.2 护圈

在桥墩一定高度处设置各种形式的护圈，如图2所示。护圈的存在使得桥墩周围的下降水流和马蹄形漩涡得到较好的削弱，也使得前进水流经过桥墩时的能量被削弱，从而起到防护的作用。

图2 护圈防护Fig.2 Collar

Dargahi［4］对护圈防护进行了分析，当护圈放置于床面以下时，其与河床的距离为－0.015倍水深时（河床以下以负值表示），减小漩涡的效果最好，可减少冲刷深度约50%～75%。Dargahi还观测了半圆柱体在水流作用下的效果，发现改变桥墩形状后，马蹄形漩涡依然存在，而改变护圈形状对于减小冲刷也没有明显影响［4］。因此，护圈样式和桥墩形状对减小冲刷没有显著的效果，但护圈位置对于冲刷防护效果较为敏感。Kumar等［5］认为护圈将水流分为上、下两部分，位于护圈上方区域时，该护圈可作为一个下降流的障碍，使下降水流的冲击力损失；而在护圈下方区域，下降水流和马蹄形漩涡减小，其效果取决于护圈的尺寸和位置。根据护圈防护机理的分析，影响防护效果的关键在于护圈放置的位置，然而，在河床变化较大和较快的地方，护圈的相对位置容易发生变化，其防护效果难以得到有效的维持。

2.3 环翼式桥墩

环翼式桥墩是在桥墩上合适的位置加装一定数量的挡板，形似翼状，如图3所示。该方法是从削弱水流的能力着手，通过翼状挡板改变下潜水流的方向和大小，从而削弱漩涡淘蚀与降低搬运河床颗粒的能力。

张万锋等［6］进行了水深和流量的对比试验，当流量为70 m3／h时，设置一个距离河床8 cm的挡板，防护效果最为显著，试验测得的最大冲坑深度可减小60.8%。成兰艳等［7］研究了单一挡板环翼式桥墩的防护效果，试验发现，加挡板后垂向流速明显减小，降低了下潜水流对河床的冲刷，当环翼式挡板与河床的距离约为水深的1／3时，最大冲坑深度可减小57.6%。进一步的研究表明［8］，桥墩附近的最大冲坑深度随环翼式挡板延伸长度的增大而减小，当挡板延伸长度与桥墩的半径相同时，最大冲坑深度可减小57.6%，同时桥墩中心迎水面的近底垂向流速最大可减小70.4%，明显减弱了下潜水流对河床的冲刷。

图3 环翼式桥墩Fig.3 Ring-wing pier

护壳是安置在浸入水中的桥墩外表面的一种防护手段，通过在桥墩表面附加粗糙的护壳来起到防护的作用，如图4所示。护壳能够很好地降低水流冲击，有效地防止二次流和马蹄形漩涡，降低了尾流强度，从而达到较好的防护效果。

图4 护壳防护Fig.4 Sheath

2.4 护壳

护壳在迎水面设置带有方向的人造褶皱，会产生一系列倾斜漩涡，并由水流将这些漩涡冲走，避免其下降淘刷底部泥沙，有效地减小了水流下降带来的影响；其次，护壳外表面所设置的无方向粗糙面会给护壳带来一种类似“高尔夫球”的特性，与光滑桥墩相比，可将层流变成紊流，从而改变了水流分隔线，使得下游尾流的冲刷能力大大降低。Gris［9］研究了该方法的减冲效果，试验表明，与光滑桥墩相比，有褶皱的桥墩能够很好地减小冲刷，减小的量为20%～30%。护壳防护能够较好地减小冲刷，而且具有设备简单、性价比高、适用范围广等特点。

2.5 桥墩开缝

在桥墩局部开缝使得与桥墩强烈作用的水流可以部分从缝中通过，减弱其淘刷和漩涡效果，将原本作用于迎水面的强水流分散为缝两边的两股弱作用，起到了冲刷防护的效果，如图5所示。

图5 桥墩开缝防护Fig.5 Slot in pier

Kumar等［5］认为，缝的存在可以使得朝着河床的向下水流发生偏转，这是由于缝使得底部边界层水流自身像喷射一样加速，而当缝处于河床附近位置时，会使得马蹄形漩涡解体，当处于水面附近时，缝可以很好地减小下降水流和马蹄形漩涡。Chiew［2］和Kumar等［5］进行了一系列对比试验，当水流与缝夹角0°时，缝宽与墩宽比值为0.25和0.5，随着缝长度的增大，冲刷深度会逐渐降低。Chiew［2］的试验在保持缝宽与墩宽比值为0.25时，冲刷深度随着冲刷角度的增大而增大。当角度增大到45°时，开缝减小冲刷作用的效果几乎没有了。

此外，研究成果表明，开缝也存在着一些不确定的影响，水流方向与缝的夹角导致的影响较大，当水流不稳定或者河床发生变化时，该方法的防护效果并不理想。而在长期使用中，也难免发生缝被异物或者泥沙堵住的情况，开缝的防护效果基本消失。因此，开缝防护需要进行定期的检查和维护。

2.6 下游石板

下游石板防护是在桥墩的下游某处放置一块石板，石板位于河床上，并且向整个河床截面延伸。存在于下游的石板，能够很好地减小水流的流速，从而使得尾流漩涡减小，达到减小尾流冲刷的目的，如图6所示。

Chiew和Lim［10］最初提出了采用放置于桥墩上游的牺牲石板作为一种防护措施，通过使来流流速降低实现冲刷保护。Grimaldi等［11］则提出将石板改放置于桥墩下游的防护方式，其目的是减小断面阶梯型的河床水流的倾斜、速率和侵蚀作用。Grimaldi等［11］通过试验，证明了下游石板的防护方式对于减小局部冲刷效果很好，桩与板的距离越近，防护效果越好。当石板置于距离桥墩很近位置时，最大冲刷深度将会出现在石板前面。Tregnaghi等［12］通过试验得到了均质和非均质砂土河床中，由于下游石板的存在对冲刷深度的影响程度。

图6 下游石板防护Fig.6 Downstream bed sills

3 被动防护

从被冲刷对象着手，在桥墩周围的河床铺设诸如碎石等的保护层，该类方法属于被动防护范畴，旨在增强墩周土体的抗冲刷能力，比较典型的方法有抛石、部分抛石灌浆、扩大墩基础，四面体透水框架群等。

3.1 抛石

3.1.1传统抛石防护

抛石是应用最为广泛的防护形式之一，其特点在于取材方便，工艺简单，操作实施灵活性大，如图7所示。抛石一方面增加了泥沙卷扬起动所需要的水流作用力，另一方面其粗糙的石块在一定程度上减缓了底层水流速度。但抛石防护的整体性较差，运行维护费用和工作量较大，特别是当流速急剧增大、河床床面出现较大变化时，抛石相对位置发生了变化，失去了防护作用。

图7 抛石防护Fig.7 Riprap

Richardson等［14］建议抛石防护范围至少应为2倍的桥墩宽度，提出的一种抛石粒径确定公式为美国高速公路管理局所采纳。Lagasse等［15］提出了三种抛石层布置形式，分别是置于河床表面、冲刷坑内或在桥墩附近人工开挖的坑中，并推荐将抛石置于平均河床高程一定深度以下的地方。

Chiew［16］认为，抛石破坏分为三种形式：抛石剪切破坏，是指抛石无法抵抗下降水流和马蹄形漩涡的冲刷；河床卷扬破坏，是指抛石下的河床材料通过抛石的孔隙被冲走；边缘破坏，是指粗糙的抛石层边缘失稳。抛石级配也是一个重要的问题，如果级配不良，产生的空隙使得其下泥沙可以在水流作用下轻易通过，并进而慢慢流失，使得抛石层的效果大打折扣。文献［17］的水槽试验研究表明，抛石颗粒的起动失稳有滑动和滚动两种形式，定床面上桥墩周围抛石颗粒最敏感的位置为桥墩侧后135°方向处，桥墩前位置为抛石颗粒最稳定处。齐梅兰等［18］则进一步研究了墩周绕流对抛石落距的影响。

3.1.2抛石替代方法

尽管采用抛石方法简单方便，但当缺少抛石的石材或石材粒径不能满足要求，以及有环境保护或美观要求的地方不宜采用抛石防护。此时，可采用一些能适当替代抛石的方法，较为常用的有混凝土铰链防护，混凝土硬壳单元体防护，以及混凝土石笼防护，这三种防护方式与抛石法的防护机理类似，都是阻挡下降水流带来的冲刷以及降低前进水流携走泥沙的能力。

混凝土铰链防护是利用铰链将混凝土板块连接起来而形成一个整体的防护实体，这些链接件一般是有自锁性的，并由钢杆连接。Parker［19］认为其破坏形式有两种，即边缘的铰链由于嵌入不足被掀起，以及在边缘嵌入充分的情况下，中部被掀起的破坏。混凝土铰链防护方法具有能够工厂化生产、机械化施工、质量易控制等优点，但造价较高，并需防止混凝土板块掀起产生的破坏。

混凝土硬壳单元体，也称为人造抛石，是由预制的复杂形状的混凝土块体组成。其形式多种多样，常见形式有四脚块体，A-JACK型等，其中四脚块体所受关注较多，随着块体增大，其稳定效果变得更好。A-JACK块体是由Armortec公司进行研究的，这些单元体作为桥墩防水措施时，由于其机理与抛石法一致，所以破坏形式两者也是类似的。在等重条件下，人造抛石较传统抛石稳定性好，防护效果也更好，但是其造价较高，施工时比传统抛石要复杂，需要精确地进行布置［15］。

混凝土石笼防护是将土或石块装入石笼等容器中，作为一个整体而起到防护作用。该方法在欧洲用于保护河岸已有100多年的历史，近年来这种方法在美国悄然兴起。Parker［19］提出了一些关于石笼在大型桥墩附近铺设时的建议。Yoon和Kim［20］通过试验研究了麻布袋装的混凝土石笼块群作为桥墩的防护方法的效果，得到了关于块体大小的建议公式。但由于河床演变可能会使网线断裂，将导致石块掉出而破坏。

3.1.3 部分抛石灌浆

作为冲刷防护措施，防护系统应该有足够的渗透性，避免产生过大的水压作用在防护层上，并应具有足够的弹性，可以与土层变形及边缘的冲刷协调。为解决抛石法的稳定性，并尽量发挥抛石的阻水和加固作用，部分抛石灌浆方法得到了较多的关注。该方法是由整体灌浆抛石方法演化而来的，如图8所示，将一定数量的抛石粘结形成一个抛石团，置于桥墩附近发挥作用。部分灌浆抛石在美国得到鼓励，主要是因为整体抛石灌浆将抛石间本该存在的孔隙灌浆填满，这使得抛石体的渗透性减小，可能导致破坏。而部分灌浆抛石并没有将孔隙占满，较大程度地保持了抛石的渗透性。对于桥墩防护，部分灌浆抛石由块石组成，这些块石放在墩周并且灌注孔隙占总孔隙的比例低于50%。Heibaum等［21］认为，与传统的由松散元素组成的防护方式相比较，部分灌浆抛石的稳定性提高很多。在类似防护方案中，部分灌浆的防护效果较好，它将对水流和波浪具有较高抵抗能力的大型单元结合在一起，其弹性可以适应土层变形，而且该方法比较经济，损坏后易修复。

图8 部分抛石灌浆Fig.8 Partialy grouted riprap

3.2 扩大墩基础防护

扩大桥墩基础防护是指在施工阶段先将钢围堰埋入河床以下一定深度，再进行下部桩基础施工，基础施工完成后在床面以上预留一定高度封顶，然后在其顶面上放置桥墩的防护工程措施，如图9所示。该防护措施致力于解决下降水流带来的淘刷力，防止其直接冲刷泥沙以及减弱马蹄形流的冲砂携砂能力。但是对于具有泥沙搬运特性的动床，当泥沙发生移动时，便失去了原来的作用和效果［13］。

按桥墩基础顶面所在的位置分成三类：①扩大桥墩基础顶面位于河床面之上时，出露部分实际并没有起到预计的效果，相当于仅仅是增大了桥墩的直径，当有水冲刷时，更大面积的墩土接触面导致冲刷深度增大；②当扩大桥墩基础顶面位于冲刷坑内时，扩大桥墩基础的顶面消散了部分向下水流和马蹄形旋涡的冲刷力，削减了桥墩周围的冲刷坑深度，特别是当扩大桥墩基础的顶面恰好位于河床床面处时，减冲效果最为明显；③当扩大桥墩基础顶面位于桥墩周围最大冲刷坑深度之下时，其防护作用消失，相当于没有扩大桥墩基础。该方法在理论上能够起到防护作用，但是当河床变动时其作用会变化消失，甚至起反作用，工程一般不建议采用。

图9 扩大墩基础Fig.9 Enlarged foundation

3.3 四面体透水框架群防护

四面体透水框架群是一种在桥墩周围抛投四面体的方法，如图10所示。该方法能够很好地结合主动冲刷与被动冲刷的两种防护措施，兼具两种防护措施的特点。其工作原理是利用四面体框架群对来流进行消能减冲，减小漩涡，稳固河床，从而达到防护的目的。该方法最早是运用于江河护岸和堤防等，后来逐渐引入了冲刷防护领域，这种防护技术机理新颖，造价较低，适用面广。

图10 四面体透水框架群Fig.10 Tetrahedron permeable frame

房世龙等［22］通过试验研究了四面体布设形式对减冲效果影响，得到了冲刷坑内的框架群抛投密度与墩前冲刷坑深度之间的关系。唐洪武等［23］分析长江九江段护岸工程实例，发现抛投工程区的近底流速减小50%～70%。张文捷等［24］认为，透水框架群的水流阻力特性、减速特性与透水框架的抛投方式有一定的关系。李若华等［25］通过理论分析和水槽试验，研究了穿越透水框架群水流阻力系数的变化规律。房世龙等［26］将框架群的溃败方式分为两类：①整体溃败，是指由于单个透水框架的重量较小，水流流速增大时，对透水框架的作用力增大，致使四面体的抗滑和抗翻滚稳定状态被破坏；②边缘溃败，是指由于四面体透水框架群的阻水作用，致使整个防护工程近似于一个单独的桥墩阻水，在其周围形成的水流结构和旋涡体系使得防护带边缘出现较深冲槽，致使框架体滚入冲槽中。

4 典型工程实例分析

4.1 主动防护案例—京广线黄河大桥

作为一种旨在减冲消能的防护方式，目前关于主动防护的研究很多，但在实际工程中的运用上还不是特别成熟。本文对京广线K648＋623黄河铁路大桥的案例进行简要介绍，该桥建于1958年，有2个桥台、70个桥墩，基础埋深30 m，基底为粉砂，墩周河床地质均为粉砂土，大桥位于游荡性河床范围内，容易在桥墩周围产生局部冲刷。1965年对桥基进行研究，根据黄河水文地质有关资料分析计算，确定大桥为埋深不足的浅基桥。因此，在运营过程中，每年汛期都采取预抛片石笼的防护措施进行防护，确保了大桥的安全畅通［27］。但是每年抛投的片石笼都会有较大程度的流失，经济损失较大，对桥墩基础构成威胁。后来采用了四面六边透水框架群的冲刷防护技术，该方案兼具主动和被动防护的特点，在实际应用中效果较好，减速率可达40%～70%，且框架自身重心低、不易翻滚，与抛石等实体防护技术相比，不仅能降低桥墩处水流速度，使流经框架群的含沙水流降低流速，增加桥墩基础埋深，有效地阻止了桥墩的冲刷。

4.2 被动防护案例

被动防护的典型代表是抛石法，该方法在工程上的运用十分广泛。与主动防护相比，被动防护着眼于提高河床自身的抗冲刷能力，以达到护底防冲的效果。国外对抛石法的使用较早，威池赛尔大桥采用抛石法进行防护，我国抛石法运用广泛，如郑焦铁路黄河大桥［28］也是采用抛石法进行防护。

4.2.1西江特大桥

西江特大桥位于江门市外海镇，横跨西江主干流，全长约2 500 m，主墩为双薄壁墩，副墩及过渡墩为空心墩，基础均为钻孔灌注桩，其中33号～37号主墩采用2.5－2.7 m的变截面钻孔灌注桩。2007～2008年对西江特大桥桥位进行水下地形测量，发现在34号～37号墩附近范围河床冲刷较严重，特别是35号墩处的河床在16个月内冲刷深度达到1.1 m，通车3年多累计冲刷深度达8.3 m。为消除隐患，提出采用主动性防护对34号～37号墩附近的河床进行加固处理［28］。该工程的防护方案主要依据桥梁主墩桩基周边冲刷状况及多层次防护的理念，目的是确保桥梁主墩桩基及周边土（沙）层不被冲刷（或缓解冲刷程度）。在整个防护方案中，依据防护的重要程度和处理的力度及不同的处理方式将相关区域划分为核心区、护坦区两类区域：核心区主要采用“袋装砂层＋级配石层＋护面块石层”三层防护体系；护坦区采用“级配石层＋护面块石层”二层防护。

4.2.2石泉汉江大桥

石泉汉江大桥位于210国道K1196＋200处的石泉县城，是一座与210国道和316国道呈“T”形平面交叉的双曲拱桥，1975年为防止距该桥上游750 m处电站泄洪时对桥墩造成冲刷，曾对9号墩采用钻管注浆固结砂砾的方法加固，1989年对其他墩基础采用护坦及防冲盘的方式进行了较大规模的防护加固［30］。1999年6月，在对该桥检测中发现，百米大跨处的9号墩基础冲刷深度达6.65 m，底部出现严重掏空。为了提高防冲能力，对石泉汉江大桥采用扩大基础法加固，加固体嵌入基岩1.0 m，通过在基岩上植筋来提高其抗冲刷能力。

4.2.3新沂河桥

陇海线K134＋132新沂河桥建于1956年，为28孔跨度23.5 m预应力钢筋混凝土梁。下部结构为扩大基础，分3层设置，每层lm，基底下为1.5 m厚的碎石垫层。1956年修建新沂河铁路桥时，根据淮委会函文，设计流量为5 000 m3／s，百年一遇设计水位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发生，导致经常进行修缮维护。为彻底解决新沂河桥的浅基防护，决定将原来的防护形式改用挂置混凝土块排（一种抛石替代方法）。桥墩的局部浅基防护目的是阻止水流的局部冲刷，而允许河床一般冲刷，需把混凝土块排放置在一般冲刷线下。1990年8月17日，桥下出现5 120 m3／s洪峰，水位距支承垫石顶只有0.2 m，主槽出现在第11～13孔桥下，位于防护范围内，安然渡过了洪峰，验证了挂放混凝土块排进行局部防护的有效性。

4.3 综合防护案例—苏通大桥

在一般的桥梁建设中，通常仅采用某一种冲刷防护方式。但在一些较大规模的桥梁工程中，有时需要兼用主动与被动防护，以达到良好的防冲效果。苏通大桥是目前世界上跨径最大的斜拉桥，主跨跨径为1 088 m，其主塔墩桩基平面尺度大、布桩密度高，主塔墩的局部冲刷深度大、范围广，对其进行冲刷防护是很有必要的［32］。

该工程设计确定了采用护底抗冲措施。主塔墩基础冲刷防护根据各部分所处位置和功能，将防护区域分为核心区、永久防护区和护坦区三个部分。核心区是局部冲深最大的区域，也是冲刷防护的重点区域，核心区首先要进行预防护，确保钢护筒施工的顺利进行和现有床面免遭冲刷。根据冲刷防护的功能要求，防护结构由反滤层和护面层组成。反滤层可采用袋装砂或级配石料，护面结构可采用块石、砼联锁块等。在核心区选用袋装砂作为预防护，级配石料作为反滤层；在永久防护区和护坦区直接采用袋装级配石料作为反滤层。核心区先采用袋装砂预防护，袋装级配石料反滤和块石护面与钢护筒施工结合进行。永久防护区和护坦区采用厚度lm的袋装级配石料作为反滤层，永久防护区3层块石护面，护坦区外侧5层块石，内侧3层块石。监测表明苏通大桥冲刷防护工程达到了预期的效果，取得了圆满的成功。

4 结 语

工程上现行的防护方式多以被动防护为主，其中抛石防护最为常见。如前文所述，该类方法虽然操作简便，但由于被动防护只是机械地提高墩周土体的抗冲能力，不能从冲刷产生的原因入手，经常需要进行修缮维护，代价高，工作量大，尤其是水流作用大以及作用变化较大时，抛石很容易流失，造成严重的经济损失。相反，主动防护着眼于冲刷的根源，从扰动水流结构入手，降低来流的作用，从而起到很好的防护效果，虽然一次性投入可能较被动防护要多，但从长远角度来看，修缮维护的人力和财力会被显著降低，应是未来局部冲刷防护的发展方向。

本文系统地论述了常用防护方式的作用机理，防护效果，防护优缺点和防护的工程使用案例，其中主动防护的思路新颖，发展迅速，前景广阔。为了将主动防护更好更完善地投入工程实践，相关的理论和试验研究需要继续进行，相关的试验设备和技术手段也要不断发展。如实验室测定冲刷深度，通过测定桩的自振频率的变化反演出局部冲刷深度，可以更客观地测定冲刷深度和判断防冲的效果［33］。与此同时，还应当适当地寻找主动与被动防护的契合点，将两者有机地联系起来，进行全方位的防护。

［1］ Melville B W，Coleman S E.Bridge scour［M］.Colorado：Water Resources Publications，2000.

［2］ Chiew Y M.Scour protection at bridge piers［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1992，118（9）：1260-1269.

［3］ Melville BW，Hadfield A C.Use of sacrificial piles as pier scour countermeasures［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999，6（2）：1221-1224.

［4］ Dargahi B.Controlling mechanism of local scouring［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1990，116（10）：1197-1214.

［5］ Kumar V，Rangaraju K G，Vittal N.Reduction of local scour around bridge piers using slot and collar［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（12）：1302-1305.

［6］ 张万锋，文恒，牟献友，等.环翼式桥（闸）墩防冲刷实验研究［J］.内蒙古农业大学学报（自然科学版），2011，32（3）：226-229.Zhang Wanfeng，Wen Heng，Mou Xianyou，et al.Experimental research on scouring and protective of bridge pier（brake）with wing-ring baffles［J］.Journal of Inner Mongolia Agricultural University，2011，32（3）：226-229.（in Chinese）

［7］ 成兰艳，牟献友，文恒，等.环翼式桥墩局部冲刷防护试验［J］.水利水电科技进展，2012，32（3）：14-18.Cheng Lanyan，Mou Xianyou，Wen Heng，et al.Experimental research on protection of ring-wing pier against local scour［J］.Advances in Science and Technology ofWater Resources，2012，32（3）：14-18.（in Chinese）

［8］ 成兰艳，郝拉柱，牟献友，等.环翼式桥墩环翼式挡板最佳延伸长度试验［J］.水利水电科技进展，2013，33（2）：32-36.Cheng Lanyan，Hao Lazhu，Mou Xianyou，etal.Experimental research on optimal development lengths of ring-wing baffle of ring-wing pier［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2013，33（2）：32-36.（in Chinese）

［9］ Gris R B.Sheath for reducing local scour in bridge piers［C］.International Conference on Scour and E-rosion（ICSE-5），San Francisco，California，2010：987-996.

［10］ Chiew Y，Lim S.Protection of bridge piers using a sacrificial sill［C］.Proceedings of the ICE：Water and Maritime Engineering，2003，156（1）：53-62.

［11］ Grimaldi C，Gaudio R，Calomino F，et al.Control of scour at bridge piers by a downstream bed sill［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2009，135（1）：13-21.

［12］ Tregnaghi M，Marion A，Gaudio R.Affinity and similarity of local scour holes at bed sills［J］.Water Resources Research，2007，43（11）：W11417.

［13］ 房世龙，陈红，王岗，桥墩局部冲刷防护工程特性研究综述［J］.水利水电科技发展，2007，27（4）：84-89.Fang Shilong，Chen Hong，Wang Gang.Properties of protection engineering against local scouring around piers［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2007，27（4）：84-89.（in Chinese）

［14］ Richardson K J，Davis S R.Evaluating scour at bridges［R］.Federal Highway Administration，Washington DC，1993.

［15］ Lagasse PF，Clopper PE，Zevenbergen LW，etal.Countermeasures to protect bridge piers from scour（NCHRPReport593）［R］.Transportation research Board，Washington DC，2007.

［16］ Chiew Y M.Mechanics of riprap failure at bridge piers［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1995，121（9）：635-643.

［17］ 刘春光.桥墩周围水流作用下抛石稳定性试验研究［D］.北京：北京交通大学，2012.Liu Chunguang.Experimental study of riprap stability under the action of water around the pier［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2012.（in Chinese）

［18］ 齐梅兰，魏金，刘春光.墩周绕流对抛石落距的影响［J］.水利学报，2013，44（2）：232-237.Qi Meilan，Wei Jin，Liu Chunguang.Flow-affected riprap transport distance around circular pier in the deposition process［J］.Shuili Xuebao，2013，44（2）：232-237.（in Chinese）

［19］ Parker G，Toro-Escobar C，Voigt R L.Countermeasures to protectbridge piers from scour［R］.St.Anthony Falls Laboratory，University of Minnesota，MN，1998.

［20］ Yoon T，Kim D.Bridge pier scour protection by sack gabions［C］.World Water and Environmental Resources Congress，Orlando，Florida，2001：1-8.

［21］ Heibaum M，Trentmann J.Partial grouted riprap for enhanced scour resistance［C］.International Conference on Scour and Erosion（ICSE-5），San Francisco，California，2010：1-10.

［22］ 房世龙，唐洪武.透水框架布设形式对桥墩局部冲刷防护的影响［J］.人民长江，2005，36（7）：63-65.Fang Shilong，Tang Hongwu.Influence of permeable frame arrangement way on local scour protection of bridge pier［J］.Yangtze River，2005，36（7）：63-65.（in Chinese）

［23］ 唐洪武，李福田，肖洋，等.四面体框架群护岸型式防冲促淤效果试验研究［J］.水运工程，2002，34（9）：25-28.Tang Hongwu，Li Futian，Xiao Yang，et al.Experimental study on effect of scour prevention and sedimentation promotion of bank protection of tetrahed-ron penetrating frame groups［J］.Port and Waterway Engineering，2002，34（9）：25-28.（in Chinese）

［24］ 张文捷，王玢，麻夏，等.江河护岸新技术：四面六边透水框架群［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.ZhangWenjie，Wang Bin，Ma xia，etal.New technologies of river bank protection：penetrating frame groups［M］.Beijing：China Water Power Press，2002.（in Chinese）

［25］ 李若华，王少东，曾甄.穿越四面六边透水框架群的水流阻力特性试验研究［J］.中国农村水利水电，2005，（10）：64-66.Li Ruohua，Wang Shaodong，Zeng Zhen.Experimental study on the resistance characteristic ofwater flow through the permeable frames of tetrahedron with six sides［J］.China Rural Water And Hydropower，2005，（10）：64-66.（in Chinese）

［26］ 房世龙，陈红.新型桥墩局部冲刷防护工程溃败机理研究［J］.甘肃水利水电技术，2010，46（10）：5-7.Fang Shilong，Chen Hong.Research of new protection to pier local scour［J］.Gansu Hydropower，2010，46（10）：5-7.

［27］ 马明正.京广线黄河大桥桥墩浅基防护技术［J］.铁道建筑，2005，（6）：48-49.Ma Mingzheng.Protection technique of shallow foundation of Yellow River Bridge＇s pier on Beijing-Guangzhou railway line［J］.Railway Engineering，2005，（6）：48-49.（in Chinese）

［28］ 王婷，马怀宝，陈书奎，等.郑焦铁路黄河大桥桥墩局部冲刷试验研究［J］.人民黄河，2012，34（5）：119-123. Wang Ting，Ma huaibao，Chen Shukui，et al.experimental study on local scour of the Yellow River Bridge pier of Zheng-Jiao Railway［J］.Yellow River，2012，34（5）：119-123.（in Chinese）

［29］ 陈伟锋.西江特大桥桥墩冲刷防护与加固［J］.广州航海高等专科学校学报，2011，19（2）：21-23.Chen Weifeng.The Experience of safeguard with reinforce for the piers of super major bridge crossing XiJiang River［J］.Journal of Guangzhou Maritime College，2011，19（2）：21-23.（in Chinese）

［30］ 张辉清，刘新文，尹行厚，等.石泉汉江大桥加固维修技术［J］.公路，2004，（5）：171-174.Zhang Huiqing，Liu Xinwen，Yin Xinghou，et al.Techniques of strengthening and maintenance of Hanjiang Bridge in Shiquan County［J］.Road，2004，（5）：171-174.（in Chinese）

［31］ 郦仲焕.新沂河桥的浅基防护［J］.铁道建筑，1991，（4）：13-15.Li Zhonghuan.Shallow foundation protection of Xinyi River Bridge［J］.Railway Construction，1991，（4）：13-15.（in Chinese）

［32］ 曹胜华.苏通大桥巨型群桩基础冲刷防护研究［D］.南京：河海大学，2006.Cao Shenghua.Research of Sutong Bridge huge pile foundation scour［D］.Nanjing：Hohai University，2006.（in Chinese）

［33］ 梁发云，贾承岳，王玉.冲刷深度对单桩自振频率影响的试验分析初探［J］.结构工程师，2013，29（1）：114-117.Liang Fayun，Jia Chengyue，Wang Yu.Preliminary investigation on the influences of scour depth on natural frequencies of a single pile［J］.Structural Engineers，2013，29（1）：114-117.（in Chinese）

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

国家自然科学基金资助项目（41172246）；国家重点基础研究发展计划（2013CB036304）*联系作者，E-mail：fyliang＠tongji.edu.cn