□杨淑君 □刘永军（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室)

1.引言

跨河桥墩是阻水构筑物,它在冲积河流上产生的局部冲刷一直是很有工程价值的问题。因此,桥梁设计工作者在进行桥梁基础设计时,必须考虑采取一些防护工程对桥墩周围的床面进行防护,以保证桥墩的安全与稳定。在传统防护措施的基础上近几年来出现桥墩防冲刷的一些新型防护措施，主要包括护壳防护、下游石板防护、四面体防护，还有对传统的防护措施的改良，包括桥墩开缝与下游石板相结合的防护，部分抛石灌浆防护等。

2.传统防护措施

桥墩局部冲刷传统的防护措施主要包括抛石防护、扩大桥墩基础防护、填充混凝土模袋防护，护圈防护，桥墩的部分或整体开缝防护等。

抛石防护是在桥墩周围铺设抛石，让其充当自然屏障来承受水流的冲蚀力。如图（1）所示。扩大桥墩基础防护是指在施工阶段先将钢围堰埋入河床面以下一定深度,再进行下部桩基施工,基础施工完成后在床面以上预留一定高度封顶,然后在顶面上放置桥墩的防护工程措施，如图（2）。填充混凝土模袋防护是指利用高强化纤材料编织成双层并能控制一定间距的袋体紧贴在岸坡或河床放置的工程措施，如图（3）。护圈防护是通过放置护圈来减少下降水流和马蹄形涡流的强度，如图（4）。开缝防护是很好的桥墩局部冲刷防护方法之一，桥墩开缝依据其位置不同可分为桥墩整体开缝、床面附近桥墩开缝和水面附近桥墩开缝3种形式，如图（5）。但是,传统的桥墩局部冲刷防护工程措施有一定的使用局限性和适用范围，且近几年的提出了一些新型的防护措施，这些新型的措施较传统的防护措施而言更为灵活，并通过实验证明了冲刷防护的效果更为显著。

3.新形式的防护措施

3.1 护壳防护

护壳防护是一种最新提出的防护措施，它通过在淹没结构物的表面设置两种人工粗糙护壳来降低水流强度，降低了二次流和马蹄涡流的强度并影响尾流涡旋的强度。这种方法同相同水利条件和泥沙条件下的光滑桥墩相比,冲刷深度减少了大概20%～30%。

该防护具有如下基本特征：一是护壳防护在墩台迎水面设计了人为的条型粗糙细纹，它以迎水面的中间垂线对称分布，在细纹处会产生斜涡流，使部分下降水流产生分离；二是护壳防护对剩下的表面进行了特别设计,在表面处设置许多独立的圆形结构物，称之为“高尔夫球”，它可以使层流边界层产生扰乱分离，从而降低了尾流和尾流涡旋的强度。如图6。

护壳防护只在桥墩表面进行处理，不需要考虑其它的附属工程，可以节约投资。这种流线型的护壳相对于淹没建筑物而言是独立的，不会影响结构的外观。但是这些人工细纹和“高尔夫球”具体尺寸应该多大才能更好的冲刷防护；壳体的设置范围是否需要覆盖整个桥墩等这些问题仍需要继续研究。

3.2 下游石板防护

下游石板防护就是把石板放置在桥墩的下游，埋置在河床上并延伸到整个河底横截面。如图7所示。下游石板防护减小了水流流速，削弱了尾流涡旋从而使局部冲刷减小。

Carmelo Grimaldi研究认为下游石板和桥墩之间的距离越小,石板的防冲刷的效果就越好，桥墩前方的最大冲刷深度最多可以减小26%。冲刷防护的效果会随着Ut/b，L/b的改变而改变，（U行进水流的速度，t时间，是L是石板距离桥墩的距离，b桥墩宽度，）其中，Ut/b=39339.0L/b+2514.7。当L/b=0时，防护效果最好。Gaudio，Marion和 Tregnaghi[4～6]等认为石板的最大冲刷深度发生在离石板大概是30%～40%的冲刷坑长度那么远。Gaudio等研究还认为在石板的后方会出现两个冲刷坑，所以在使用石板防护时石板附近的局部冲刷也需要考虑在内。

3.3 四面体防护

四面体防护是由4个中空的等边三角形组成，一般是由钢筋混凝土或是混凝土加入藤条制作而成。如图(h)(i)所示。Hong—Wu TANG证明在四面体防护下，桥墩附近的水流会被分为3个区域：接近河床的减速区，中间的加速区域，接近水流表面的恢复区域。影响桥墩局部冲刷的主要是接近河床的区域，四面体防护使水流的速度、紊流强度和漩涡强度都减小，从而使保护了桥墩冲刷。他还认为当时（为临界平均流速，U水流速度），冲刷深度会减小50%。与其它的防护措施相比，这种防护措施不会被河流的流向以及泥沙的运动所影响，其防护作用比牺牲桩和石板防护更灵活。

但Hong—Wu TANG对四面体防护的研究范围还只是应用在清水冲刷条件下，并不适用于动床冲刷条件下。因此，在今后的研究中，动床冲刷条件下四面体的防护稳定性和防护效果还有待进一步研究。

图1 抛石防护图

图2 扩大桥墩基础防护图

图3 填充混凝土模袋防护图

3.4 开缝防护与下游石板防护相结合

为了起到更好的防护措施，Carmelo grimaldi提出桥墩开缝防护和下游石板防护相结合的防护措施，如图10。他认为一方面下游石板可以减少桥墩的局部冲刷，若石板和桥墩相连接，可以使尾流漩涡远离桥墩的冲刷范围，并削弱马蹄形涡流。另一方面对于开缝来说，它可以减小马蹄形涡流和下降水流的强度。两种防护措施相结合将会产生更好的效果。Carmelo grimald]认为下游石板需要经过一定的时间才会产生作用，所以初始时期只有开缝防护对冲刷起到一定的防护作用，经过一段时间，石板才开始作用使冲刷的速率减小，这时它们会同时降低下降水流和马蹄形涡流的强度，并使尾流涡旋远离冲刷坑，冲刷最多可以减小49%，平均可以减小45%。结果表明，这种结合的防护效果比它们中任意一个单独的防护措施的效果都要好。

3.5 部分抛石灌浆防护

图4 开缝防护图

图5 护圈防护图

部分抛石灌浆防护是一种比较广泛采用的新型防护措施，它主要是将大小确定的抛石粘结成一个抛石团放置在桥梁墩台的附近，其抛石的大小是从22.86～38.1cm之间的。如图11所示。部分抛石灌浆防护和抛石防护的原理一样，它增加了桥墩附近的粗糙度从而降低了水流的流速。

图6 护壳防护图

图7 下游石板防护图

图8 四面体防护图

图9 四面体防护图

图10 开缝与下游石板相结图

图11 部分灌浆抛石防护图

近年来的试验研究表明影响部分灌浆抛石防护效果的主要因素为抛石团的大小，基础灌浆材料，过滤层，布设范围等。

P.F.Lagasse认为抛石团指定的均匀率允许从1.5～2.5之间波动。其基础抛石灌浆所用材料为普通硅酸盐水泥。部分抛石灌浆防护中过滤层可以是颗粒状过滤层,土工布过滤层和颗粒层和土工布复合过滤层这3种形式。抛石的缝隙会通过软管，水下浇灌或机械自动化的方法进行灌注。对于其布设范围，Lim的实验结果表明,随着布设范围的增大,抛石层的防护能力几乎线性增加。

部分抛石灌浆较传统的抛石防护的优点是在受到水流冲击时它具有一定的柔韧性,并且修复也相对比较容易。在洪水发生以后做一些周期性的检查和维护就可以使它保持一个长期的使用过程。并且它允许使用较小单位的岩石和薄的抛石层。国家合作公路的研究设计项目确认部分抛石防护是墩台冲刷防护的有效措施。在欧洲，它也被应用在河流和沿海地区的河床、河岸、海岸线和一些桥梁墩台结构等地区,用来防止冲刷和侵蚀。

4.结论和建议

防冲措施护壳防护、下游石板防护、四面体排防护、开缝与石板结合防护、部分灌浆抛石防护的桥墩局部冲刷防护工程措施的防护机理、防护效果、防护优缺点。一般能有效的减少桥梁墩台附近的冲刷，但至今还没有充分理论依据能够证明，这些新型的防护措施是完全有效的,对新型防护措施的进一步研究和实验验证，对局部冲刷的防护措施的相互结合取长补短将具有重要的现实意义。

[1]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).

[2]Robie Bonilla Gris1,Member,Sheath for Reducing Local Scour in Bridge Piers[J].International Conference on Scour and Erosion,2010.

[3]Carmelo Grimaldi1;Roberto Gaudio2;Francesco Calomino3;and António H.Cardoso，Control of Scour at Bridge Piers by a Downstream Bed Sill[J].JOURNAL OF HYDRAULIC ENGI NEERING,2009,135:1(13).

[4]Gaudio,R.,and Marion,A..“Time evolution of scouring downstream of bed sills[J].Hydraul.Res.,2003,41(3),271–284.