桥墩局部冲刷防护工程特性研究综述

冲刷对桥墩安全性的影响研究摘要：桥墩冲刷是桥墩设计的关键环节，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。

文章通过对桥墩局部冲刷特征及冲刷机理的研究，分析了桥墩特征、流体特征等因素对桥墩局部冲刷的影响，并提出了有效的防冲刷保护措施。

由于桥墩冲刷影响因素众多，难以较准确地预估，加之随着水文现象的变化，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。

所以目前桥墩冲刷研究仍具有重要意义。

研究结果显示，桥墩周围的局部冲刷深度与河床土粒径和墩前行近流速有明确的影响关系，影响曲线还显示当平均粒径较小，或墩前行近流速较大时影响尤为强烈;水下探测的结果显示各墩都发生了不同程度的冲刷破坏，以4#墩最为严重;基底冲刷淘空面积对桥墩各检算项目都有明确的影响，且随着冲刷的加剧，墩顶弹性水平位移和基底合力偏心矩首先达到容许值，此时各墩的冲刷淘空面积占基底总面积的百分比大致都在20%以内，而有限元分析的结论与此基本一致;冲刷防护的理论和实践都在不断取得进展，而现有各种冲刷防护工程措施都有其特点和适用条件，应依据水流条件、河床条件和水下探测结果选择具体防护措施。

关键词：桥墩，水下探测，局部冲刷，冲刷防护1 引言 (2)1.1研究背景 (2)1.2研究必要性 (3)1.3研究内容与意义 (2)2文献综述 (4)2.1局部冲刷及其影响因素 (4)2 .2水下探测方法研究 (7)2.3桥墩冲刷防护研究 (9)3桥墩局部冲刷机理3.1墩周流场的旋涡体系3.2墩前下降水流的冲击作用3.3水流受桥墩的压缩作用4局部冲刷防护措施4.1冲刷防护原理4.2冲刷防护方法5冲刷对桥墩安全性的影响研究 (36)5.1沉降计算理论 (36)5.1.2变换域控制方程..........................，. (38)5.1.3变换域中的解 (41)5.1.4物理域中的解 (42)5.1.5闭合形式的调和函数 (46)5.2横观各向同性条件下的沉降计算 (49)5.2.1计算方法 (49)5.2.2计算过程与结果 (51)5.3冲刷对桥墩安全性的影响分析 (52)5.3.1冲刷对墩顶的弹性水平位移的影响 (52)5.3.2冲刷对桥墩倾覆稳定性的影响 (54)5.3.3冲刷对基底压应力的影响 (55)5.3.4冲刷对合力偏心矩的影响 (56)5.3.5总结 (56)5.4地基参数对桥墩冲刷稳定性的影响分析 (57)5.4.1各向异性比对桥墩冲刷稳定性的影响 (57)5.4.2压缩模量对桥墩冲刷稳定性的影响.......................................，. (58)1 引言1.1研究背景冲刷是引起桥梁墩台失稳破坏的主要因素之一，近年来发生了不少因冲刷而导致的桥梁毁坏事件，造成了巨大的人员和财产损失。

桥墩局部冲刷的机理及防护措施现状综述摘要：桥墩局部冲刷及防护措施是关注度很高的课题，属于航道建设中的重要环节。

多年来，国内外众多学者对桥墩局部冲刷机理及防护措施的研究取得了很大的进展。

本文采取综述的方法客观地列举了近几年国内外学者在桥墩冲刷和防护问题上采取的研究方法、研究内容和研究成果。

关键词：桥墩；局部冲刷；防护；文献综述引言：桥墩是支撑桥跨结构并将恒载和车辆活载传至地基的亚建筑、桥台设在桥梁两侧。

其多数建造于地基之上，部分结构埋在岩土中，部分置于流体中，因其阻碍、妨碍、扰乱、改变了原有的流体结构和状态，而变得晃动、紊动和涡旋等，并因之承受流体较为复杂和强烈的作用力，且进一步加剧流体结构和状态的变化。

继而，一方面使桥墩部分墩身磨损和侵蚀及消蚀;另一方面，使桥墩埋置于岩土中墩身周围的泥沙因流体运动的剧烈改变导致所在底床原有地形发生变化的现象和过程，被人们称为桥墩的局部冲刷。

1.桥墩局部冲刷研究历史我国桥梁建设历史悠久，早在一千四百多年前就建造有如赵州桥等一定规模的桥梁，对于桥梁的建设早具丰富经验，但对于桥墩局部冲刷问题的研究始于河流动力学和泥沙理论得到创建后的年代。

在此之前一般只是套用苏联或美国的科研成果;我国早期对于桥墩局部冲刷的研究只是在于单纯的现场观测，1959年国家交通部组织各省对已建桥渡的桥墩所在底床进行了局部冲刷观测研究，并形成一定的数据表以供交通管理部门和设计部门决策参考。

20世纪五六十年代和十年“文革”期间因为政治原因，一些科研工作者被错误打倒或下放到农村或基层改造，从而在河流动力学和泥沙理论等方面的研究一度被停滞和徘徊不前，只是20世纪70年代末期这些科学家们得到重用后，才得到大力推动和发展。

桥墩的局部冲刷的研究也是如此，20世纪80年代，开始有了对桥墩局部冲刷研究的模型试验。

其后，桥墩局部冲刷研究因改革开放时代要求，开始大量借鉴国外研究成果和资料，也有在对国内外观测资料整理分析和归纳及总结，如朱炳祥所为。

桥墩局部冲刷机理及防护措施摘要：桥墩的局部冲刷造成墩周泥沙被侵蚀掏空，桥墩埋深降低，是导致桥梁水毁的主要因素之一。

从而，桥墩局部冲刷及其防护的研究极为重要和必要。

文章通过对桥墩局部冲刷特征及冲刷机理进行了探讨，并提出了有效的防冲刷保护措施。

关键词：局部冲刷；防护措施；冲刷机理；影响因素0引言桥墩作为桥梁的主要组成部分，是支承桥跨结构并将恒截和车辆活载传至地基的构筑物，其建造于地基上，部分埋置于岩土(包括泥沙和淤泥等) 之中，部分置于流体中，因其阻碍、妨碍、扰乱、改变了原有的流体结构和状态，而变得晃动、紊动和涡旋等，并因之承受流体较为复杂和强烈的作用力，且进一步加剧流体结构和状态的变化。

继而，一方面使桥墩部分墩身磨损和侵蚀及消蚀(这一过程极为缓慢和不易观测显现) ; 另一方面，使桥墩埋置于岩土中墩身的泥沙( 广义岩土的一部分) 因流体(主要指水流) 运动的剧烈改变而产生“掏起”“冲刷”“搬运”“甩抛”“沉落”等，而导致所在底床原有地形发生变化的现象和过程，被人们称为桥墩的局部冲刷。

局部有两方面的含义: 其一，将范围局限于桥墩底部周围附近，不考虑在空间上无限地延展扩散，其原因在于床底质在流体的动力作用下必将发生冲淤变化，该冲淤变化的空间范围是较宽广的，无法全面进行分析研究，也没有必要; 其二，局部将时间的范围限定在一定的时期内，指剧烈冲刷变化到相对平静缓和之一时段范围内。

桥墩的局部冲刷将减少桥墩埋置河(海)床底质深度，危及桥墩基础的安全，有损桥梁的安全使用寿命。

进而对桥墩的防护措施研究至关重要。

1桥墩冲刷机理1.1桥墩周围水流结构研究目前国内外学者们对于墩周水流结构的研究普遍认为桥墩水流结构主要包括墩前下降水流、墩周马蹄形漩涡、墩侧边界分离层和墩后尾涡4个部分。

Dargahi[1]在试验中采用氢气泡流动显示技术和热膜测量的方法对圆柱体周围的流场进行了测量，发现在圆柱上游的水流特征主要是三维边界层的分离，在柱体两侧分离区域内形成准周期性脱落的马蹄形漩涡，且涡的数量与雷诺数相关。

桥墩局部冲刷的机理及防护措施发布时间：2022-09-25T06:05:04.553Z 来源：《中国科技信息》2022年第33卷10期作者：刘港庆1[导读] 桥墩属桥梁基础部分，其整体稳定性与可靠性直接影响着桥梁质量。

但是桥梁在实际使用过程中，刘港庆1(1. 重庆交通大学河海学院，重庆 400041)摘要：桥墩属桥梁基础部分，其整体稳定性与可靠性直接影响着桥梁质量。

但是桥梁在实际使用过程中，桥墩必然会受到水流的冲刷，从而使其功能与性能受到影响，甚至会出现结构受损的情况。

本文阐述桥墩局部冲刷的研究现状、机理，总结了局部冲刷的研究方法内容和相关防护措施，为今后对于桥墩局部冲刷的研究提供参考。

关键词：桥墩局部冲刷；机理；防护措施桥墩在桥梁建筑物中起着一个支承桥跨结构的作用。

但桥墩的涉水部分必然会导致泥沙与水流产生相互作用，进而影响桥梁建筑物本身的安全与稳定。

对桥梁桥墩局部冲刷的机理研究和防护措施的采取是保证桥梁安全运行的必要手段。

我们必须足够重视桥墩局部冲刷的机理以及防护措施。

1、研究现状由于桥墩的阻碍作用，水流会在桥墩周围产生涡流而引起冲刷现象。

按照冲刷的水流现象，一般将冲刷分为：单向流冲刷；潮汐往复流冲刷；潮汐河口混合水流冲刷。

但我们普遍研究单向流作用下引起的桥墩局部冲刷。

经过一个世纪的国内外学者的研究，对于单向流作用下的桥墩局部冲刷问题已经取得相对成熟的研究结果[1]。

从以前的基于小缩尺比的水槽实验到现在的流体动力学模拟，方法在不断的发展。

中国学者刘振卿在CFD计算软件Fluent中使用标准K-ε湍流模型对圆柱形墩的周围三维复杂场做了数值模拟方法[2]；Jain等人提出了桥墩局部冲刷的计算公式；高冬光等学者也提出了较为代表性的与桥墩局部冲刷相关的公式[3]。

张胡等人建立FLOW-3D洪流共同作用下的三维桥墩冲刷及防护数学模型[4]；卢中一等人采用正态冲刷模型的研究成果应用于桥墩的冲刷和防护[5]；梁森栋等人运用HEC-18公式研究复合桥墩的冲刷[6]。

2020.1048铜陵长江公路大桥桥墩局部冲刷及安全防护实践曹海燕一、概述长江安徽段河道全长416km，沿江安庆、池州、铜陵、芜湖、马鞍山等地已建跨江大桥10座。

在河道内建造桥墩，距桥墩一定范围内会形成壅水和冲刷,对河道及岸坡稳定可能造成不利影响，且近堤段桥墩桩基础施工，对堤防渗流稳定可能产生影响，从而影响大桥安全运行和防洪工程安全。

因此，在河道管理范围内新建桥梁时，应对建桥造成的不利影响采取相应补救措施。

对于发生了冲刷危害、需防护加固的桥梁，由于桥墩局部冲刷的影响因素多，维护中发现，该滤网极易被污物堵塞，特别是在有油烟、潮湿的环境下运行，堵塞更加密实和顽固，这时必须使用清洁剂进行多次清洗，污层才能去除干净。

滤网堵塞，空调的运行效果差，而且耗能、过热，过早引起元器件老化，缩短使用寿命。

吸尘器连续工作不要超过1h，累计工作时间达到6h，或感觉到电机运行声音沉闷、排风温度升高和吸尘无力时，需及时对吸尘器进行清理，包括：集尘袋的清倒、料袋清洁，电机、风扇及滤网浮沉的清除，集料箱灰尘的清除，吸嘴及管道毛发和阻碍吸风通畅异物的清除。

吸尘器的及时清洁和合理维护，不仅能提高吸尘器的工作效率，还能延长其使用寿命。

二、注意事项泵站系统构成复杂，电气设备众多，要真正做好所有设备维保，达到设备的清洁效果，就要制定出具体的实施细则，标明设备的名称、实施内容、达到的标准和清洁周期，但具体操作时还应注意以下几点：（1）所有的操作必须停电进行，大多数泵站都属于季节性运行的排涝和抗旱泵站，其他时间都处于待命状态，停电检修和维保应不成问题。

（2）除尘使用的压缩空气必须干燥清洁，除电机、变压器和绝缘子等一次设备可以使用压力为0.4MPa 以下空压机、鼓风机清洁外，其他盘柜的端子、电子元器件建议使用皮老虎类的手动工具，也可选择电吹风类的中档温风进行清洁；风力除尘可配合使用小毛刷进行，小毛刷宽度最好不超过2cm，且不易掉毛，操作时应动作轻慢，尽量避免刷把等坚硬部分碰撞接线和电子元件，以免造成设备的意外损坏；严禁直接用吸尘器对盘柜端子和线路板及电子元器件吸尘。

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《河南水利与南水北调》2 0 1 2 年 第 6 期
工程设计 Hቤተ መጻሕፍቲ ባይዱNAN
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
工程设计 HENAN
《河南水利与南水北调》2 0 1 2 年 第 6 期
桥墩局部冲刷的新型防护措施综述
□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)
摘 要:系统地总结了近年来桥墩局部冲刷的一些新型的防护工程措施, 如护壳防护、下游石板防护、四面体防护、开缝与下游 石板相结合的防护，部分抛石灌浆防护, 并对这些传统防护工程措施的防护机理、防护效果和防护优缺点进行了论述和评价。
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。

V V0 hb h0 0.014 b K K 2
V V0 ' hb h0 ' V0 V0
3/4
（有底沙补给） （无底沙补给）
K K 2
式中， h0 为圆柱桥墩的极限冲刷深度（m） ； 为泥沙 沉速；其他参数同前，均可由相应的图表查出。 （2）美国现行推荐公式 2000 年，以 Richardron 为首的专家组发表了联邦公 路局所推荐的有关桥梁冲刷预测的河流稳定性估算方法。美 国水利工程通报（HEC-18）推荐的桥梁局部冲刷公式如下：
hs K K B10.6 V V0'
： 当 V＞V0（动床冲刷）
V V0 ' hs K K B10.6 V V0 ' ' V0 V0 ，一般冲刷后床面算 式中， hs 为桥墩局部冲刷深度（m）
nHale Waihona Puke 起； K 为墩型系数，可查规范表得到； B1 为桥墩计算宽度； V 为一般冲刷后垂线平均流速； V0 为河床泥沙启动流速；d 为河床质平均粒径；V0 为墩前泥沙起冲流速； K 为河床颗粒 影响系数。 （ 2 ） 65-2 式 （ 修 正 ） ， 《公路桥位勘测设计规范 （JTJ062-91） 》关于桥墩冲刷计算的常用公式。 图4 桥墩局部冲刷示意图 2．流体特征因素影响 水流是引起桥墩冲刷动力因素。桥墩局部冲刷坑深度与 水流强度成反比。水流对桥墩局部冲刷的影响主要表现在以 下 3 个方面： ① 当行近流速小于床沙起动流速时，会出现清水冲刷， 即在桥梁墩台周围出现冲刷坑，而无上游来沙补给。 ② 当行近流速大于床沙起动流速时，会出现动床冲刷。 即桥墩周围泥沙整体发生运动， 冲刷坑内可以得到来沙补给。 这时，冲刷深度与流速成反比，当流速达到一定值后，局部 冲刷深度不再增加。 ③ 当行近流速小于床沙起冲流速时，床面泥沙静止不 动，桥梁墩台周围不发生局部冲刷。 3．河床质特征因素影响 河床组成条件则是桥墩局部冲刷的被动因素，与水流条 件之间形成相互协调的稳定关系，形成较为稳定的冲刷坑深 度。当河床组成抗冲能力弱，则桥墩局部冲刷坑大，河床组 成抗冲能力强，则桥墩局部冲刷坑就会较小。一旦水流条件 发生改变，则冲刷坑深度也会发生改变，形成新的稳定协调 关系。 四、桥墩局部冲刷计算分析 水下冲刷尤其是由桥墩引起的局部河床冲刷一直是国内 外学者关注的研究课题，研究者们根据影响桥墩冲刷的因素 的主要参数建立了很多预测冲刷深度的公式，大都采用了半 理论半经验的方法，目前尚未发现纯理论的推导公式。公式 理论依据主要有绕流挤压流动模式、墩周漩涡束紊流合流速 理论、纵向泥沙平衡理论、马蹄形漩涡理论、墩周清水缓流 切线流速理论等。根据理论和试验资料先建立局部冲刷深度 的关系式，公式中的修正系数和指数通过试验数据来获得。 目前国内现行的桥墩局部冲刷公式就是采用了这种理论与试 验结合的方法进行分析得到的。 1．国内规范公式 国内常用来计算桥墩局部冲刷的主要有 65-1 和 65-2 式。在《公路工程水文勘察设计规范》中，推荐采用 65-1 和 65-2 修正式计算桥墩局部冲刷。 （ 1 ） 65-1 式 （ 修 正 ） ， 《铁路桥渡勘测设计规范 （TBJ-86） 》推荐的非粘性土河床桥墩局部冲刷公式。

件下， 靠近 自由水面处 的向下水流几乎没有本质 桥 墩 局部 冲刷 一 直 是 冲 积 性 河 流 中 桥 墩 失 的差别。但在床面附近 ， 由于冲刷坑的出现与否，
１概 述
稳和桥梁水毁的主要原 因。多年来 的研究和实践 证明 ， 桥墩局部冲刷具有突发性 、 灾难性 ， 可导致 桥墩的移位 、 沉陷， 桥面的断裂 、 变形， 甚至整座桥 梁突然坍塌 。 一直以来 ， 很多学者都致力于桥墩局 部冲刷机理的研究 ， 取得了显著的成果” 。因此 ， 结合已有成果对桥墩周 围的水流结构 、冲刷 的发 展 过程 、以及 冲刷 坑深 度 的影 响 因素 的研究 现 状 进行了详尽的介绍 ，并对未来的研究方向进行了
工１ Ｉ 程 科 技
科
桥墩局部冲刷研究
房世 龙 杨 国巍
（、 １南通航运职业技术学院 交通工程 系， 江苏 南通 ６ １ ２ 哈尔滨市水务科学研 究院， ２００ 、 黑龙江 哈 尔滨 １０ ０ ） ５０ １
摘 要： 桥墩冲刷一直是冲积性河流 中桥墩 失稳和桥 梁水毁的主要原 因。结合 已有的研 究成果对桥 墩周 围的水流结构、 部冲刷 的发展过 程、 局 以及 冲刷 坑 深 度 的影 响 因 素 的研 究现 状 进 行 了详 尽 的介 绍 ， 对 未 来 的 研 究 方 向 进 行 了展 望 。 并 关 键 词 ： 墩 ； 部 冲刷 ； 流 结构 桥 局 水
图 １圆柱 形 桥 墩 附近 的 水 流 结 构
展过程并准确地估计冲刷坑 的深度 ，有必要对桥墩周围 的水流结构进行研究并量化 它 们对 桥 墩周 围床 面的 影 响 。许多研究者通过大量的 室 内实验 对 桥 墩 周 围 引 起 冲 刷的高强度 的紊流场和旋涡 体 系 进行 了深 入 的研 究 。研 究 结 果 表 明 ，水 流 的 ｊ维 边 三 界层分离和多重旋涡体系使

世界桥梁2019年第47卷第4期（总第200期）17东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究陈述（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430052）摘要：受长江、钱塘江来水来沙和人类活动的影响，东海大桥所在水域海床发生普遍冲刷，桥墩周围发生较大局部冲刷$为防止海床进一步冲深，保证该桥运营安全，对桥墩基础冲刷防护方案进行研究$根据自然条件和工程特点，主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案；采用失效风险方法进行比选，确定周边防护区采用复合材料勾连体的防护方案$以该桥某桥墩为例，依据相关规范和研究成果，提出桥墩基础具体冲刷防护方案，开展先导性物理模型试验，依据试验结果及工程实际对防护方案进行优化$结果表明：铺设3层复合材料勾连体时防护结构整体稳定性更强，防护区内形成淤积，促进了防护体与海床的结合，对主体防护区稳定起到积极作用；优化后的防护方案总体能够满足桥墩基础冲刷防护要求$关键词：东海大桥；桥墩!冲刷；复合材料勾连体；先导性物理模型试验；防护方案中图分类号：U443.2；U442.32文献标志码：A文章编号：1671—7767（2019）04—0017—051引言在需要跨越河流、河口甚至海湾建设桥梁时，桥梁基础受到水流、波浪和潮汐等综合作用，桥墩局部冲刷情况变得非常复杂）12$研究表明，海洋环境中的桥墩局部冲刷机理、冲刷坑形态和冲刷过程与径流作用时有较大区别，最大冲刷深度预测难度较大$韩海骞等3认为径流较潮流条件下的桥墩冲刷深度减少20%〜30%，且最大冲刷深度位置变化较大；Han等4研究表明，最强动力条件一致时，潮汐往复流与径流条件下的最大冲刷深度基本一致，但达到冲刷平衡时间更长；Qi等5发现由波浪引起的向上渗流可能会削弱周围沙土的单位浮力，使砂层更容易受到冲刷$针对跨越河流的桥梁基础冲刷防护，戴荣尧等］6对实测数据和试验资料进行分析，在确定水流底部漩辐影响范围的前提下，建立了局部冲刷防护范围计算公式；蒋焕章7通过试验研究了局部冲刷坑在墩头前缘和两侧的宽度计算，提出了局部冲刷防护范围计算公式$上述成果可作为研究跨海桥梁基础冲刷防护范围的参考$针对桥梁基础局部冲刷防护措施，Chiew等8按防护机理将其分为2类，一类是采用增加周边床面抗冲能力的防护措施进行防护，另一类是减小水流冲刷力的工程措施达到防护目的$Tafarojnoruz 等9研究发现，防护措施不当甚至可能造成负面效果$高正荣等）10*、贾界峰等⑴*及樊俊生通过对苏通大桥防护方案研究，提出拋投袋装沙作预防护和运用下沉护坦原理作为冲刷防护设计理念，以及平面设计分区方法和纵向分层防护结构$近年来，国内外的研究者提出了一些新的空间透水框架防护结构，如房世龙等）13*在对传统防护工程措施进行优缺点比较的基础上，着重对四面体透水框架群防护方法进行了介绍;魏祥等）14*在对国内外岸滩防护工程调研基础上，通过模型试验对勾连体基本结构特性进行系列研究，认为勾连体铺设2层以上时整体勾连效果显著，孔隙率能够达到90%以上$目前，拋石防护因其取材便利、施工简单、造价较低等特点，在跨越河流的桥梁基础局部冲刷防护工程中得到了较广泛的应用，但适用于具备深水、强浪、潮汐、腐蚀等特征的跨海桥梁基础的局部冲刷防护措施则相对少见$本文在对国内外研究成果整理分析的基础上，结合东海大桥工程海域自然条件和防护工程特点，对桥墩基础冲刷防护方案进行研究$2工程概况东海大桥建于2005年，起始于上海浦东新区芦潮港，至浙江省嵊泗县小洋山岛，全长约32.5km，是我国第一座跨海大桥$桥梁下部为高桩承台结构,桩基为PHC管桩和钢管桩$大桥所在海床属于长江口水下三角洲南翼向海延伸部分，地质以粘土质粉砂和粉砂质粘土为主，中值粒径在0.004〜0.018mm之间$根据验潮站和实测资料分析，该收稿日期2018—11—05作者简介:陈述（1983—），男，高级工程师,2004年毕业于武汉大学港口海岸及治河工程专业，获学士学位（E-mail chens@）$18世界桥梁2019,47(4)海域潮汐属非正规浅海半日潮，多年平均潮差约为3m,大潮垂线平均流速可达2m/s,受台风影响最大波高可达7m,平均含沙量约1.0kg/m3$大桥既受潮汐、波浪的影响，同时还受钱塘江和长江径流下泄以及人类活动的影响，海域床面冲刷严重$ 2002年至今，大桥管理单位组织对大桥桥墩的海床进行了9次扫描，经分析,大部分桥梁基础周围出现了明显的冲刷现象，桥墩处普遍冲深在5〜10 m（见图1）$为防止桥墩处海床面冲刷进一步发展而影响到大桥整体结构安全，需尽快实施东海大桥冲刷防护工程$3桥墩基础冲刷防护方案比选桥墩冲刷防护类型种类繁多，根据该工程自然条件和防护要求，结合类似防护工程经验）15*,认为通过铺设护底材料增加桥梁基础周围海床的抗冲能力，同时降低水流流速以减小床沙淘刷的防护思路是合理的$考虑到在冲刷坑抛填时应避免施工过程中对桥梁桩基和牺牲阳极块产生损坏等因素，保证工程实施的安全性和可行性，推荐冲刷坑主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案$复合材料勾连体系是一种开放式空间框架结构，由复合材料圆管灌注混凝土而成，耐腐蚀、受力、透水性能好，在群体勾连状态下防护结构整体稳定性强$采用失效风险（Failure Risk,简称FR）方法，对于周边防护区的防护措施，引进复合材料勾连体防护，对周边防护区采用复合材料勾连体与抛石防护进行比较（见表1）$桥墩编号（a）大桥西侧桥墩编号（b）大桥东侧图1东海大桥冲刷现状表1抛石防护和复合材料勾连体防护比较防护类型水毁方式剪切破坏抛石防护卷扬破坏边缘破坏复合材料勾连体整体溃败水毁影响抛石被水流冲走泥沙通过抛石之间的空隙被冲走抛石层边缘失稳防护体被冲散，失去整体勾连性,个体发生位移监测方法抛石位置移动抛石下方存在淘刷空间抛石位置移动勾连体的位置发生移动维护手段扩大抛石范围或者增加抛石厚度优化级配采用土工织布作为滤层在抛石边缘设置护坦增加单个构件自重、优化杆件受力性能或增加单位面积勾连体数量防护工程成功与否主要与防护类型水毁可能性、水毁后的影响（包括生命安全与经济损失）、监测难易及维护成本等有关$防护工程的失效风险主要从防护失效造成的结果、防护失效发生的概率及监测的难度3个方面进行评价$对不同影响因素的敏感性进行赋值，各因素的敏感性按等级分为1〜10,其中防护失效造成的结果按照影响较小、适中、中高和高分为4个风险等级，取值分别为1、4、7和10；防护失效发生的概率按照不可能、可能性小、可能和可能性大分为5个等级，取值分别为2、4、6、8、10；监测难度按照简单、一般、较难和困难分为4个等级，取值分别为1、4、7和10$其值越小则防护工程水毁的风险越小，反之亦然$定义FR为防护工程的失效风险「9*,即：FR$%（X1&2，…，X Q（1）式中，X1&2，…，X”为防护类型的各影响因素$抛石防护相比复合材料勾连体防护可能会带来更高的运营维护成本，且抛石防护的整体性相对较差，工程量相对较大）16*$结合环保方面要求，抛石防护失效造成的结果赋值大于复合材料勾连体防护，分别为7与4；对于失效发生概率，抛石防护与复合材料勾连体防护分别赋值6与4；对于监测难度，抛石防护涉及到底部淘刷泥沙的问题，需要泥沙取样分析,监测难度较大，抛石防护与复合材料勾连东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究陈述19体防护分别赋值为7与4。

右时, 放置高度的影响可以忽略不计。
一直以来对抛石层布设厚度的研究并 不是很 多, 通用的原则是抛石至少应为 2 层。Lim[ 8] 的试验
研究发现, 抛石层越厚, 整体性越好, 防护效果也就 越佳。而 Bonausoundas[ 3] 认为抛石层的厚度至少应 为抛石粒径的 3 倍, Richardson 等[ 6] 也给了同样的建 议。但是, Lim[ 8] 的室内实验研究成果表明, 当墩前
层的防护能力几乎线性增加。
抛石级配对抛石 层的防护效果也有重要的影
响。因为级配较好的抛 石能保证抛石 层的结构稳
定, 并能防止防护层下的细粒床沙从抛石石料之间
的孔隙流失。抛石级配对防护效果影响的研究成果
较少, 通用的规则是采用那些粒径分布曲线较光滑 的抛石, 级配较差的抛石所组成的抛石层也可以通
过在抛石层与床面之间布设反滤层的方法来提高防
管理局推荐的抛石石料的中值粒径:
(
Qg
U20 - 1)
gd 50
=
21 890 K
( 1)
式中: d50为抛石粒径, m; U0 为行近流速, m/ s; Q 为 泥沙密度, kg/ m3; g 为重力加速度; K 为墩形系数,
圆头矩形柱墩采用 115, 矩形桥墩采用 117。
与抛石粒径相同, 抛石层的布设高度也影响着 防护效果。Laursen 等[ 7] 的研究结果表明, 抛石层放
置于床面以下的防护效果比直接把抛石石料倾倒于
桥台周围床面上的防护效果更好。如果直接抛投于
桥梁墩、台周围, 会引起更大的冲刷以至威胁桥台的 安全。但是, Lim[ 8] 的系列实验成果表明, 清水冲刷
条件下, 抛石层应放置于与床面齐平的高度; 动床条

现代水文学浅析桥墩局部冲刷摘要: 本文通过对现有的桥墩冲刷防护方法和防护桥墩周围冲刷的方案和辅助措施分析，查阅了关于桥墩局部冲刷特征及冲刷机理的研究方法，分析了桥墩特征、流体特征等因素对桥墩局部冲刷的影响，最后总结出了有效的防冲刷保护措施。

关键词:桥墩冲刷冲刷机理保护措施引言：桥墩冲刷是一种普遍存在的现象，由于桥墩冲刷影响因素众多，对于冲刷研究也是最近几年的热门课题。

一些偶然性的水文现象和水流的不稳定问题对于桥墩破坏都具有决定性影响。

桥墩局部冲刷一直是冲积性河流中桥墩失稳和桥梁水毁的主要原因。

多年来的研究和实践证明，桥墩局部冲刷具有突发性、灾难性，可导致桥墩的移位、沉陷，桥面的断裂、变形，甚至整座桥梁突然坍塌。

一直以来，很多学者都致力于桥墩局部冲刷机理的研究，取得了显著的成果。

因此，结合已有成果对桥墩周围的水流结构、冲刷的发展过程、以及冲刷坑深度的影响因素的研究现状进行了详尽的介绍，并对未来的研究方向进行了展望。

处理桥墩局部冲刷的传统方法目前尚不完善这些方法包括在桥墩基础周围采用铺填块石或柔性沉排。

有些情况下可采用在桥墩固定刚性护圈的方法以减少冲刷的可能。

本文旨在回顾现有方法的有效程度,同时评价冲刷防护的新方法。

1.桥墩局部冲刷的特征桥墩周围水流结构主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度很大的漩涡体系。

漩涡体系是一种综合水流结构，其中包括在墩前冲刷坑边缘形成的绕桥墩两侧流向下游的马蹄形漩涡、桥墩两侧水流分离引起的尾流漩涡。

漩涡体系在墩后及两侧还不断地由床面附近释放出小漩涡，向水面发展[2]。

绕桥墩周围扩散的马蹄形漩涡的两翼，在尾流漩涡释放时，任何一侧每释放一个尾流漩涡，就出现一个低压中心，牵动马蹄形漩涡区内的流体做横向摆动。

当尾流漩涡发展到下游时，马蹄形漩涡体系则向后退入冲刷坑内。

这样，随着尾流漩涡的释放，马蹄形漩涡不断地进行着横向、竖向和前后摆动。

2.桥墩局部冲刷的机理由于水流通过圆柱体时加速,造成平头墩的侧翼形成较高的流速。

２０１８年 ４月 水 利 水 电 快 报 ＥＷＲＨＩ 第 ３９卷第 ４期
文章编号：１００６－００８１（２０１８）０４－００４５－０３
典型桥墩局部冲刷及防护特性数值模拟研究
张 胡１ 闫杰超２，３ 陈凯华２，３
对于单向流作用下的桥墩局部冲刷问题，国内 外研究者通过一个多世纪的研究，已经取得了相对 比较成熟的研究成果［２－４］。但随着沿海经济的快速 发展，大型跨海桥梁的建设越来越多，跨海湾 （河 口）桥梁基础所处的海域往往具有水深、浪高、双向 非恒定潮流等水动力条件复杂的特点，使现有单向 流冲刷研究成果难以适用于跨海桥梁基础的冲刷问 题［５］。目前，对于跨海桥梁基础的冲刷研究还处于 初级阶段，国内已建的、在建的跨海大桥桥梁基础的 冲刷大都通过专门的水槽模型试验专题测定 ， ［６－７］ 就物理模型而言，除了投资大、存在比尺效应外，还 存在周期长、可移植性差等缺点，难以完全适应多因 素、大范围、多方案的工程规划问题。因此，应用数 学模型研究这类问题，无疑是今后的发展方向。本 文通过 ＦＬＯＷ －３Ｄ建立波流共同作用下的三维桥
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２０１８年 ４月 水 利 水 电 快 报 ＥＷＲＨＩ 第 ３９卷第 ４期
图 １ 模型的平面图和网格划分示意
水深 ０．４６７ｍ，选取 ３种不同来流流速，分别为 ４．２３，
７ｃｍ／ｓ和 １０．０６ｃｍ／ｓ。选择 ２种不同墩柱直径，分别
关键词：桥墩；水动力；冲刷；数值模拟 中图法分类号：Ｕ４４３．２２ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１５９７４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｓｄｋｂ．２０１８．０４．０１３
涉水桥 梁 桥 墩 的 阻 水 作 用，必 然 导 致 水 流 （海 流）与泥沙相互作用发生变化。桥墩局部冲刷的发 生，也促使河 （海 ）床 作 出 相 应 调 整，不 仅 影 响 到 桥 梁所在河段的演变趋势，而且还可能威胁到桥梁建 筑物本身的安全与稳定。对桥墩局部冲刷深度的可 靠预测以及采取适当的冲刷防护措施是保证桥梁安 全运行的基础，因此必须对桥墩局部冲刷及防护引 起足够重视［１］。

桥墩局部冲刷防护工程特性研究综述发表时间：2016-06-13T16:10:28.820Z 来源：《工程建设标准化》2016年3月总第208期作者：王新君[导读] 我国各个城市都非常重视桥梁建设的工程发展并且投资了大量人力物力以及财力来支持我国桥梁工程的建设发展。

王新君（山东省滨州公路工程总公司，山东，滨州，256600）【摘要】随着时代的进步，社会的发展，人们的生活水平越来越高，我国社会经济的发展越来越迅猛，与此同时，我国交通事业的发展也如日中天，尤其是桥梁的发展，本文就传统桥墩局部冲刷防护工程特性研究以及桥墩周围四面体透水框架防护进行了简要分析，并且就此提出了加强桥墩局部冲刷防护工程的应用的具体措施，希望对加强我国桥墩局部冲刷防护工程能够有所帮助。

【关键词】桥墩；局部冲刷防护；工程特性；改革开放以来，为了加快城市化建设的步伐，我国各个城市都非常重视桥梁建设的工程发展并且投资了大量人力物力以及财力来支持我国桥梁工程的建设发展，但是由于很多方面的因素，如今我国桥梁建设在技术方面还是存在很多问题，这些问题直接影响了桥梁建设的正常发展，所以，我们应该加强桥梁建设的施工技术研究，加强桥梁建设技术的进一步发展。

1．传统桥墩局部冲刷防护工程特性研究1.1从实体抗冲防护角度分析1.1.1抛石防护抛石防护主要是一种桥墩防护工程措施，抛石防护有两个工作原理，其一是抛石对床沙有保护作用，可以有效增加床沙启动或者扬动需要的流速，其二就是抛石可以在很大程度上增加桥墩附近局部糙率，可以有效减小桥墩附近流速。

一直以来，相关工作人员对抛石层布设厚度的研究并不是很多，一般情况下，桥墩抛石至少为两层，专家研究得出了具体的结论，就是三十层。

抛石层越厚，桥墩整体性越好，相对开说防护效果也就越好。

还有专家人为抛石层的厚度至少要达到抛石粒径的3倍，但是，如果墩前行近流速为临界摩阻流速的2.5倍左右时，抛石层布设厚度的影响就可以忽略不计。

东海大桥桥墩冲刷分析与防护方案效果试验研究一、引言东海大桥是国内十大海上大桥之一，设计时考虑了诸多因素。

但是，作为海上大桥，在面对强风和大浪时，桥墩若遭受猛烈的海水流冲刷，将会直接影响桥墩的稳定性和安全性。

因此，对于桥墩的冲刷问题进行分析以及采取相应的防护措施至关重要。

二、桥墩冲刷分析1.总体情况分析东海大桥是位于一个海湾内的大桥，桥墩则是直接暴露在海湾中的。

海湾内的水流条件复杂，可能有南北不同的季节性风势和潮汐等因素的影响，容易造成海流的急剧变化，这就使得桥墩经常受到大量海水的冲刷和侵蚀。

2.桥墩冲刷原因桥墩冲刷通常是由以下因素导致：（1）风力因素：对于东海地区，寒冷季节最容易出现龙卷风（也就是俗称的“台风”），同时风力也很大，将海面掀起的浪花不断地撞击桥墩表面，将桥墩侵蚀。

（2）潮汐因素：桥墩周围的水流速度和方向也是导致桥墩侵蚀的重要因素。

在汛期或者大潮的时候，浪花和水流的力量都会攻击桥墩表面，如果桥墩表面没有有效的保护措施，很容易在水流的淘刷下受到损坏。

3.桥墩冲刷来源桥墩冲刷来源有以下三种：（1）风浪加载下的海水流冲击，如台风、强烈暴风等。

（2）潮汐周期性加载下的海水流冲击。

（3）船舶撞击。

4.桥墩冲刷形式桥墩冲刷形式主要有以下三种：（1）冲刷穴及缝：在强大的海水冲刷下，桥墩表面多孔岩体、表面级之类的缺陷区都极易受到侵蚀。

（2）坑穴等凸起物的磨损：侧向海水流对桥墩表面的坑穴、石头等凸起物进行圆角磨损，这也加剧了桥墩表面的磨损程度。

（3）磨蚀皮肤剥落导致桥墩表面粗糙度增加，闭环面穿透深度增加。

5.桥墩冲刷的危害桥墩冲刷对于桥梁的稳定性和安全性都会产生重大的影响。

首先，冲刷程度严重的桥墩会使得桥梁的承载能力下降，从而影响桥梁的正常使用。

其次，桥墩冲刷也会造成轻微或严重的物理损坏，如果桥墩的脱落程度很高，将会威胁到船舶通行的安全。

另外，也会对于海洋生态产生恶劣的影响。

三、桥墩冲刷防护方案为了防止桥墩被海水冲刷和损坏，我们需要采取一些有效的防护方案。

桥墩局部冲刷的机理及防护措施摘要：桥墩局部冲刷及其防护的研究极为重要，是桥梁建设的前提和关键，随着交通事业的发展，桥梁的规模越来宏伟，桥墩形态和尺寸富有变化，桥墩所处环境越来越复杂。

桥墩冲刷是桥墩设计的关键环节，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。

文章通过对桥墩局部冲刷特征及冲刷机理的研究，分析了桥墩特征、流体特征等因素对桥墩局部冲刷的影响，并提出了有效的防冲刷保护措施。

关键词：桥墩；局部冲刷；冲刷机理；防护措施Mechanism of Local Scouring of Bridge Piers and Protection MeasuresZHU HaibinAbstract:With the development of transportation, the scale of the bridge is more and more magnificent, the pier form and size are rich in changes, and the environment in which the bridge pier is located is more and more complex. Bridge pier scour is the key link of bridge pier design, and its damage to the bridge crossing is more sudden and accidental. The article analyzes the impact of pier characteristics, fluid characteristics and other factors on pier local scour through the study of pier local scour characteristics and scour mechanism, and proposes effective anti-scour protection measures.Keywords: bridge pier; local scour; scour mechanism; protective measures桥墩是桥梁的主要组成部分，是支撑桥跨结构并将恒截和车辆活荷载传递到地基的结构。

桥墩局部冲刷机理及防护措施研究发布时间：2022-09-14T05:41:34.955Z 来源：《科学与技术》2022年第30卷9期作者：王蜜[导读] 桥墩局部冲刷作为一个漫长又复杂的过程，其作用机理涉及方方面面，本文选取其中主要的三个原因进行阐述王蜜重庆交通大学河海学院，重庆 400074摘要：桥墩局部冲刷作为一个漫长又复杂的过程，其作用机理涉及方方面面，本文选取其中主要的三个原因进行阐述，并简述了传统防护和新型防护两种类型的防护措施。

关键词：桥墩局部冲刷；作用机理；传统防护；新型防护1 引言我国国土广阔，地形地貌复杂，河流众多，高山峡谷密布，为确保经济发展，加强区域联系，人们在修建公路和铁路的过程中选择架设桥梁。

随着时代变迁，桥梁的形式多样，规模逐渐宏大，越来越因地制宜。

但随之带来的问题逐渐凸显，其中对于建落在河（海）床之上的桥墩局部冲刷问题是桥梁维护急需解决的问题之一。

2 桥墩局部冲刷的概念桥墩作为桥梁的主要支撑结构，承受了巨大的上部荷载，跨河桥梁建造于河床地基之上。

桥墩上半部分置于流体中，在流体直接作用力下发生的磨损侵蚀；下半部分埋置于岩土中，墩身周围的泥沙因流体运动而产生掏刷冲深等，导致河床地形不断发生变化[1]。

桥墩局部冲刷是一个动态、随机且漫长的过程,其概念不断地被完善，目前桥墩局部冲刷的定义为：由于桥墩的存在改变了桥墩周围的原有的水流结构和泥沙的冲淤状况，破坏了输沙平衡，造成了桥墩周围发生河床冲刷的现象[2]。

3 桥墩局部冲刷的机理3.1 水流作用桥墩位于水流之中，阻碍了水流运动，使墩前的水流一部分绕墩而过，另一部分则分散成向上、向下的不同方向的水流，致使原有的流态复杂化[3]。

水流在桥墩前会形成向下游传播的螺旋流，同时，在桥墩下游形成中心是中空的回流区，产生将泥沙卷往下游的有旋流动造成床面冲刷。

而桥墩侧向绕流会逐渐形成马蹄形螺旋流，作为桥墩局部冲刷的主要动力之一的马蹄涡加速了侧向水流流动[4]，致使桥墩两侧地形产生冲刷;当达到泥沙的起动流速时，水流带动泥沙运动，并向下游发展，从而形成冲刷坑，但是当流速减小时，冲刷能力随之逐渐减小，甚至停止冲刷。

冲刷对桥墩安全性的影响研究摘要：桥墩冲刷是桥墩设计的关键环节，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。

文章通过对桥墩局部冲刷特征及冲刷机理的研究，分析了桥墩特征、流体特征等因素对桥墩局部冲刷的影响，并提出了有效的防冲刷保护措施。

由于桥墩冲刷影响因素众多，难以较准确地预估，加之随着水文现象的变化，其对桥渡的破坏多突发性和偶然性。

所以目前桥墩冲刷研究仍具有重要意义。

研究结果显示，桥墩周围的局部冲刷深度与河床土粒径和墩前行近流速有明确的影响关系，影响曲线还显示当平均粒径较小，或墩前行近流速较大时影响尤为强烈;水下探测的结果显示各墩都发生了不同程度的冲刷破坏，以4#墩最为严重;基底冲刷淘空面积对桥墩各检算项目都有明确的影响，且随着冲刷的加剧，墩顶弹性水平位移和基底合力偏心矩首先达到容许值，此时各墩的冲刷淘空面积占基底总面积的百分比大致都在20%以内，而有限元分析的结论与此基本一致;冲刷防护的理论和实践都在不断取得进展，而现有各种冲刷防护工程措施都有其特点和适用条件，应依据水流条件、河床条件和水下探测结果选择具体防护措施。

关键词：桥墩，水下探测，局部冲刷，冲刷防护1 引言 (2)1.1研究背景 (2)1.2研究必要性 (3)1.3研究内容与意义 (2)2文献综述 (4)2.1局部冲刷及其影响因素 (4)2 .2水下探测方法研究 (7)2.3桥墩冲刷防护研究 (9)3桥墩局部冲刷机理3.1墩周流场的旋涡体系3.2墩前下降水流的冲击作用3.3水流受桥墩的压缩作用4局部冲刷防护措施4.1冲刷防护原理4.2冲刷防护方法5冲刷对桥墩安全性的影响研究 (36)5.1沉降计算理论 (36)5.1.2变换域控制方程..........................，. (38)5.1.3变换域中的解 (41)5.1.4物理域中的解 (42)5.1.5闭合形式的调和函数 (46)5.2横观各向同性条件下的沉降计算 (49)5.2.1计算方法 (49)5.2.2计算过程与结果 (51)5.3冲刷对桥墩安全性的影响分析 (52)5.3.1冲刷对墩顶的弹性水平位移的影响 (52)5.3.2冲刷对桥墩倾覆稳定性的影响 (54)5.3.3冲刷对基底压应力的影响 (55)5.3.4冲刷对合力偏心矩的影响 (56)5.3.5总结 (56)5.4地基参数对桥墩冲刷稳定性的影响分析 (57)5.4.1各向异性比对桥墩冲刷稳定性的影响 (57)5.4.2压缩模量对桥墩冲刷稳定性的影响.......................................，. (58)1 引言1.1研究背景冲刷是引起桥梁墩台失稳破坏的主要因素之一，近年来发生了不少因冲刷而导致的桥梁毁坏事件，造成了巨大的人员和财产损失。