大型桥梁冲刷防护工程损坏特性研究

高正荣，杨程生，唐晓春，俞竹青

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024; 2.江苏省水文水资源勘测局 苏州分局，江苏 苏州 215006)

大型桥梁冲刷防护工程损坏特性研究

高正荣1，杨程生1，唐晓春2，俞竹青1

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024; 2.江苏省水文水资源勘测局 苏州分局，江苏 苏州 215006)

以苏通大桥为例，通过模型试验和冲刷防护工程及周边河床地形的长期监测开展了大型桥梁冲刷防护工程的损坏特性研究。研究结果表明，大型桥梁冲刷防护工程存在两种损坏形式：防护工程防护区面层冲刷损坏和防护工程护坦边坡坍塌损坏；防护工程的破坏主要发生在防护工程后1～2年内。提出了以“损坏率”和“稳定边坡”分别表示两种不同类型的破坏指标。同时，提出了防护工程“成型稳定工程量基准线”概念，为监测冲刷防护工程稳定性制定定量目标。研究结果还表明，在防护体稳定后，防护区呈“洪季淤积、枯季冲刷”特点，这一变化对防护体稳定影响有限。研究结果为类似工程设计、监测、维护和相关研究提供参考。

冲刷防护工程；损坏形式；长期监测；模型试验；损坏率；面层冲刷；边坡坍塌

Abstract:Taking Sutong Bridge as an example,long-term monitoring on scour protection engineering and riverbed terrain and model test are applied to study the failure mechanism of scour protection engineering.The results show that there are two forms of failure in scour protection for large bridges in tidal reach,which are erosion on surface and collapse of slope of aprons; and they usually occur in 1 to 2 years after engineering acceptance.Damage rate and steady slope are suggested for failure index for two forms of failure respectively.Meanwhile,shaping security reference line is proposed based on results of long-term monitoring.When the size of protection engineering is less than the shaping security reference line,failure would take place.Moreover,the results also show that changes of protection zone are caused by sediment erosion or siltation on surface after engineering adapted with surrounding current and terrain; and these changes have no significant effect on stability of protection engineering.The research results can provide references for bridge design and related studies.

Keywords:scour protection engineering; damage in the form; long-term monitoring; model experiment; breakage rate; surface scour; slope collapse

长江河口地区由于江面宽阔、水流条件异常复杂，因此在该河段兴建大型桥梁工程，桥墩基础安全问题尤为突出。苏通大桥位于长江河口地区，见图1，主墩基础处水深流急，涨、落潮动力强劲且底质抗冲性差，桥墩实施后基础冲刷深度大。根据桥梁损毁情况统计，桥梁基础冲刷是导致桥梁破坏的首要原因[1]。为提高苏通大桥群桩桥基安全，其主塔墩实施了冲刷防护工程。Chiew[2]按防护机理把传统的桥墩局部冲刷防护工程措施分为两类：一类是实体抗冲；另一类是减速减冲。苏通大桥根据桥墩自身特点以及其水文泥沙及底质条件选择了合适的实体抗冲防护措施[3-5]。目前，国内外学者针对桥墩局部冲刷防护措施研究较多[6-11]，桥墩实施防护工程后跟踪监测和相应损坏机理研究甚少。Chiew[12]对抛石护底抗冲措施的结构和破坏机理进行了研究，总结出抛石护底结构的破坏机理由三部分组成：1)抛石剪力破坏：抛石重量不足以抵抗墩前向下水流和马蹄形旋涡的综合剪力作用，谓之剪力破坏；2)卷扬破坏：河床泥沙被向上紊动带动，穿过抛石孔隙后卷扬流失，造成基层抛石坍塌，防止这种破坏要求设置合宜的反滤层；3)边缘破坏：抛石层边缘的不稳定性以及边缘河床泥沙易被冲刷成局部冲坑从而影响抛石层的稳定性，防止这种破坏要求设置边缘护坦。房世龙、陈红就四面体透水框架群作为桥墩防护工程形式，进行了溃败机理的试验研究[13]，提出了四面体透水框架群的溃败形式主要有整体溃败和边缘溃败。江胜华等[14]对桥墩局部冲刷防护的块石起动进行了研究，认为墩前河床底部流速约为0.5倍的行进流速，墩侧河床底部流速约为0.7倍的行进流速，桥墩两侧的防护块石更易走失，使得桥墩抛石防护的损坏有了一定的认识。杨程生等[3]根据2004～2006年的防护区地形资料对苏通大桥冲刷防护工程进行了稳定性分析。许映梅等开展了苏通大桥冲刷防护工程及桥区河床河势监测研究工作[15]，重点研究了防护工程稳定性、桥区河势及桥轴线断面变化情况。因此，国内外学者对防护工程的损坏机理有了一定的认识。本文通过苏通大桥多年冲刷防护工程监测数据，结合前期防护工程模型试验研究结果[16]，对防护工程的损坏形式进行了深入分析，揭示了冲刷防护工程的损坏形式，同时进行了损坏率计算和护坦区边坡坍塌演变特征分析，探讨了防护区面层冲刷和护坦区边坡坍塌机理，提出了防护体稳定定量分析方法，为工程设计、施工、维护和营运管理提供有力支撑。

图1 苏通大桥河段河势Fig.1 The river regime of tidal reach

1 苏通大桥桥墩冲刷防护工程及长期监测

1.1冲刷防护工程基本情况

基于苏通大桥河段水动力和河床底质特点[4-5]，防护工程结构型式采用袋装砂+级配碎石+护面块石三层防护，平面包括核心区、永久区和护坦区，北主墩防护尺寸280 m×380 m，南主墩280 m×350 m，总厚度3～4.5 m，级配碎石粒径3～25 cm，其中3～10 cm、10～25 cm各占50%，护面块石单块稳定重量不小于50 kg。南、北主墩防护方案平面布置见图2和图3。冲刷防护工程2003年7月开始，2004年7月结束。抛投方式主要采用开体驳船进行抛投施工，局部补抛采用浮吊定点吊抛，核心区施工平台内永久防护采用预留孔抛投和轨道定点抛投相结合的方式进行施工。

1.2主墩冲刷防护工程防护效果分析

苏通大桥于2008年5月建成通车，其主墩基础冲刷防护工程自2003年8月开始施工，2004年7月工程验收。工程验收后每年在汛前4月份和汛后9月份，分别对南、北主墩防护区700 m×700 m范围实施多波束地形测量[17]。至2015年4月一共进行了27次测量。利用GIS技术[18]分析冲刷防护工程及其周边地形冲淤变化、防护效果和防护工程稳定性，总结了防护工程及其周边河床的变化特点。

南主墩位于主航道深槽南侧,其周边存在一层厚度为6.5～7.5 m的淤泥质亚粘土,其抗冲性能[19]较好。南主墩冲刷防护工程实施后，有效地保护了南主墩周边河床，减少了桥墩局部河床的冲刷，见图4。

北主墩位于主航道深槽区北侧，靠近主泓。地质勘探表明，北主墩区域地质以粉细沙为主，河床泥沙运动频繁，易冲刷。北主墩冲刷防护工程实施后，有效地保护了主墩核心区河床，而北主墩防护体南、北两侧河床大幅冲刷，均形成10 m以上的冲刷沟，这种冲刷形态是典型的双向流作用下的冲刷型态，与韩玉芳等的试验研究结果较类似[20]。同时受潮流加剧的影响，北主墩防护工程的东北角深槽增深23.5 m，为涉水建筑物引起的冲刷和深槽演变自然冲刷两种效应之和，见图5。

图2 南主墩冲刷防护方案平面布置(mm)Fig.2 Layout of the scouring protection project of the south main pylon pier (mm)

图3 北主墩冲刷防护方案平面布置(mm)Fig.3 Layout of the scouring protection project of the north main pylon pier (mm)

图4 2003-08-11～2008-05-24建桥前后南主墩周边地形冲淤变化(m)Fig.4 Topographic changes around the south main pier before and after construction of the bridge (comparison between 2003-08-11and 2008-05-24)

图5 2003-08-11～2008-05-24建桥前后北主墩周边地形冲淤变化(m)Fig.5 Topographic changes around the north main pier before and after construction of the bridge (comparison between 2003-08-11and 2008-05-24)

1.3冲刷防护工程营运期稳定性分析

图6和图7分别为自大桥通车截至2014年9月营运期间南、北主墩防护区总体冲淤变化情况。营运期间南主墩防护区最大局部区域冲刷深度在4.6 m左右，位于南主墩上游的护坦和永久区的交界处，南主墩下游2 m以上的冲刷坑范围较小。总体来看，冲刷区范围占护坦区和永久区的面积比重甚微，见表1。南主墩各防护区内85%以上的面积变化幅度在-1～1 m之间，局部区域也有2 m以上的淤积，没有出现大范围、大面积的冲刷现象。营运期间南主墩防护体总体变化不大，稳定较好。

北主墩防护区最大冲刷深度为5.7 m，位于北主墩东北角护坦区，主墩核心区和永久区变化幅度集中在-1～1 m之间，2 m以上冲刷面积比重较小，2 m以上冲刷面积占护坦面积约2.87%。见表2。因此，冲刷略大的发生在护坦区，核心和永久区大部分区域变化幅度在1 m以内，防护体较稳定。

表1 南主墩防护区内2008-05-24～2014-09-15特征统计表Tab.1 Statistical characteristics of south main pier protection zone during May 24,2008 to September 15,2014

图6 南主墩冲刷防护工程营运期变化情况(m)(2008-05-24与2014-09-15对比)Fig.6 Changes of the south main pier scour protection engineering during operation period (comparison between 2008-05-24 and 2014-09-15)

图7 北主墩冲刷防护工程营运期变化情况(m)(2008-05-24与2014-09-15对比)Fig.7 Changes of the north main pier scour protection engineering during operation period (comparison between 2008-05-24 and 2014-09-15)

表2 北主墩防护区内2008-05-24～2014-09-15特征统计表Tab.2 Statistical characteristics of north main pier protection zone during May 24,2008 to September 15,2014

1.4冲刷防护工程及其周边河床的变化特点

多年监测显示冲刷防护工程及其周边河床的变化特点，主要表现为一方面防护工程实施后防护体周边河床的冲刷，由于主墩附近底质不同，河床冲刷幅度和形态也不同。北主墩防护工程周边河床的冲刷型态是典型双向流作用下的冲刷型态。另一方面，随着防护工程与周边地形逐渐适应，防护区及其周边河床地形变化表现为“洪季淤积，枯季冲刷”[3]的现象。

2 冲刷防护工程模型试验研究

2.1试验方法及内容

对于跨江大桥桥墩冲刷问题和防护问题，用系列模型延伸法[21]研究至今已积累较丰富的经验，研究成果已广泛应用于桥墩、沉井和围堰的冲刷和防护之中。水文分析表明苏通大桥河段落潮流起主要作用，本文和文献[20]研究结果均认为在往复流作用下的桥墩冲刷深度小于同级别单向流作用下的局部冲刷深度，据此研究主桥桥墩冲刷防护方案的防冲效果和冲刷防护结构的稳定性采用恒定流冲刷模型进行试验较为适宜。

2.2试验设备及条件[16]

桥墩基础冲刷防护试验模型水槽总长36 m，宽5.0 m，动床段处于水槽中部(长7.5 m、宽5 m),进口处设矩形薄壁量水堰，出口处用推拉式尾门，由人工微动调节控制。在护坦稳定试验中，由于要进行大流量、大流速的冲刷试验，将该水槽宽度改造为 2.5 m，长度及其他尺度不变。模型试验水文条件选取300年一遇和20年一遇，见表3。试验模型比尺采用1∶100和1∶130两种。

表3 冲刷防护试验水文条件Tab.3 Hydrological conditions of erosion test

由于模型试验主要研究桥墩附近冲刷深度及形态，因此模型沙选择主要考虑起动相似λvc=λv以及水下休止角的相似。

根据现场泥沙采样，桥墩底床泥沙中值粒径d50=0.12～0.16 mm，试验选用武汉水院公式和唐存本公式计算起动流速，经比较，两者公式得出的结果比较接近。经比选采用天然沙作为试验模型沙，中值粒径d50=0.22 mm，s=2.65 t/m3，苏通大桥主墩处水深在19～31 m之间，经计算天然沙的起动流速在23～25 cm/s之间。模型采用天然沙，满足相似条件的几何比尺λho为1。

原型沙水下休止角按张红武天然沙公式(d=0.061～9 mm)计算：

经计算，原型沙φ=32.4°，模型沙φ=33.2°。

在圆筒中用颗粒沉降法测定模型沙的水下休止角为32°～34°，与公式计算结果接近。用该天然沙进行桥墩局部冲刷试验基本满足水下休止角相等的要求，保证了桥墩的局部冲刷形态相似。

2.3整体防冲工程的试验效果

从试验结果来看[5，16]，桥墩防护后有效地保护了防护区内河床地形免遭冲刷，如图8所示。墩前侧向绕流还会对防护体外未进行护底的床面产生冲刷，与现场监测结果一致。

2.4防护工程冲刷稳定试验

恒定流冲刷模型[5，16]试验有两个目的，1) 研究冲刷防护护面石料的稳定性；2) 研究护坦特性，建立在特定区域速度与石料损坏比例以及护坦特性之间的函数关系。

1)面层石料稳定性

为了直观显示冲刷防护护面石块的损坏，先选出试验区域，表面大小范围为10 cm×10 cm，在表面喷上少许喷漆，在邻近区域喷上明显不同的颜色，通过摄像分析确定各分区上石子移动的数目，试验参数和流速见表4，各分区最大损坏比例为8%～10%，见图9。

图8 北主墩防护工程外侧冲刷形态示意(300年一遇)Fig.8 Schematic form of scour protection works outside north main pier(300-year flood)

表4 模型试验的流速情况Tab.4 Flow conditions for model test

图9 各个区域面层损坏与局部流速之间的函数关系(模型试验结果)Fig.9 Damage as function of local velocity and U2/gd (results of model test)

2)护坦边坡稳定性

护坦起着防止边侧坍塌、外推冲刷区和减少最大冲深的作用，护坦自身稳定关系到整个防护工程的成败。冲刷稳定边坡是衡量护坦稳定与否的一个重要指标，试验初期，护坦边坡开始逐渐坍塌，随着时间的推移，护坦外侧逐渐形成由护坦块石和床沙共同形成的自然混合边坡，最终形成冲刷稳定边坡。试验结果显示除迎水面护坦因受边侧绕流影响导致边坡稍缓外，护坦其余部位的稳定边坡均在1∶2.1～1∶2.6之间，见图10。

图10 护坦区外侧冲刷稳定性边坡示意(模型试验结果)Fig.10 Schematic diagram of stable slope of the lateral scour of apron area (model test results)

3 苏通大桥冲刷防护工程损坏特性研究

冲刷防护工程长期监测结果分析表明，防护工程实施后防护区变化主要有两个方面：一方面防护区表面有一定的冲淤变化；另一方面是防护体周边河床有一定的冲刷现象，北主墩防护工程护坦区有坍塌现象。根据现场实测结果和模型试验研究结果，并结合前人[12-13]对防护工程破坏的认识，可对苏通大桥冲刷防护工程的损坏形式分为两种：一种主要是潮流对防护表面直接作用引起的防护区面层冲刷，称为直接损坏；另一种主要是防护区外侧的河床受到冲刷，从而使护坦区石块下移对边缘处造成的损坏，称为间接损坏。

3.1南、北主墩防护区冲、淤量演变过程

为了掌握苏通大桥冲刷防护工程直接损坏和间接损坏发生的时机，首先从防护区的冲、淤总量为出发点，根据防护区量值的变化规律，分析南、北主墩防护工程直接损坏的主要时间段，再进一步判断防护体的总体稳定性。根据防护区历次河床监测地形与防护工程实施前(2003年8月15日实测防护区)河床地形高程对比分析，计算出了防护区的淤积量和冲刷量，见图11和图12，其中2004年7月6日为工程验收时的计算值，见表5。北主墩防护区河床易冲刷，且冲刷量大，出现大面积的“冲刷区”，南主墩防护区河床抗冲性强且冲刷量小。冲刷量是相对于防护区起始河床而言的，该冲刷量是由于防护材料是分步抛投，每一次抛投后均引起周边河床地形大面积冲刷，导致冲刷后地形高程已经低于原始河床高程，即便在“冲刷区”抛投防护材料后仍然低于原始河床。由于淤积量是通过前后地形高程差来计算的，就导致冲刷区的防护体工程量无法计算出来，但“冲刷区”的防护体是存在的；此外，南、北防护工程还存在整体的不均匀沉降[4]。因此，2014年7月6日监测计算的淤积量远小于实际抛投工程量和验收工程量，仍可以通过该淤积量过程线的变化来判断南、北主墩冲刷防护工程总体变化及稳定情况。

由图11和图12可知计算的防护区淤积量和冲刷量均是动态变化的，由此可以判定在防护工程施工结束后防护区淤积量增大主要是防护区存在泥沙淤积现象。因此，2004年7月6日后的淤积量主要包含两个方面的量值，一方面是防护区抛投防护材料的堆积量，另一方面是防护区的泥沙淤积量。而计算的2004年7月6日后的冲刷量同样存在两方面的量值，一方面是防护区面层的泥沙冲刷量，另一方面是部分防护体损失的量。

从2004-07-06～2005-04-07期间变化过程来看，南、北主墩防护区成型堆积量逐渐减小，而冲刷量逐渐增加，该冲刷量主要是以防护体损失量为主，在2005年4月7日达到历次监测的最小值，说明该时间段是南、北主墩防护工程直接损坏和间接损坏发生的主要时期。在此后的监测过程中防护区总淤积量均未低于该最小工程量，可以定义该最小淤积量为冲刷防护工程经历损坏后的“防护体稳定工程量”，以此作为“防护体成型稳定工程量基准线”，若监测的淤积量低于该“防护体成型稳定工程量基准线”，则说明防护体发生新的损坏，反之则说明防护体稳定，这对判断防护工程的稳定具有重要意义。

图11 南主墩防护区防护工程总体冲淤量随时间变化过程Fig.11 The overall erosion and deposition of the south main pier protection zone in the process of time

图12 北主墩防护区防护工程总体冲淤量随时间变化过程Fig.12 The overall erosion and deposition of the north main pier protection zone in the process of time

表5 南、北主墩冲刷防护工程整体冲淤计算表Tab.5 The topographic erosion and deposition calculate of the scouring protection project of the north and south pier

南、北主墩防护工程总体发生较大损坏主要在2004-07-06～2005-04-07期间内，损坏形式主要是防护体面层冲刷和边坡坍塌。在2005年4月7日之后的淤积量未低于防护体成型稳定工程量基准线以下时，则防护体未出现新的损坏，防护区的冲淤变化主要是泥沙的冲、淤量变化，主要变化特点是“洪季淤积、枯季冲刷”，目前这种泥沙的冲淤变化对防护体的稳定并未造成影响。

3.2防护区面层冲刷损坏

防护工程直接损坏主要是潮流对防护表面的直接作用引起的，面层冲刷主要是水下构筑物的存在会使流速变快，河床剪应力和摩阻流速增强。由于苏通大桥位于徐六泾节点段，桥区水动力条件强劲，河床底质泥沙运动频繁，在桥墩周边实施防护工程后，桥墩基础和防护工程自身均使得附近河床剪应力和摩阻流速增强；同时在施工过程中水抛面层块石存在一定不均匀性，面层块石有些起伏不平；在河床剪应力和摩阻流速增强后致使面层块石滑动翻滚流失，而造成防护工程的损坏。由于北主墩区河床底质易冲刷，北主墩两侧面层防护体损坏明显大于上、下游区域，见图5；南主墩防护工程面层损坏在区域上差别不明显。为了更好地跟踪防护区的面层损坏情况，基于多波束观测精度的考虑，以防护区内冲淤变化幅度在-1～1 m区间内的区域面积和淤积区面积作为防护工程完好区，冲刷幅度大于1 m的冲刷区作为损坏区，即为直接损坏区。利用GIS技术对各冲淤等级进行面积统计，进而得到各防护区冲刷幅度大于1 m的直接损坏区面积，该面积与防护区面积比即为损坏率，各区损坏率统计见表6、表7。

表6 南、北主墩冲刷防护工程损坏率分区分时段统计 %Tab.6 Statistical characteristics of south/north main piers breakage ratio in segments within different time quanta %

表7 各区面层损坏率监测情况 %Tab.7 The surface layer damage monitoring %

苏通大桥冲刷防护工程完成后，面层冲刷损坏主要发生在2004年7月6日～2005年4月7日，此后防护体总体基本保持稳定，防护区变化主要是泥沙冲淤变化，南、北主墩防护体的面层损坏率基本可忽略。可见，南、北主墩总体损坏率分别为12.66%和18.46%。防护工程实际监测的面层损坏高于模型试验值，这是由于水下施工难度较大、抛投不均匀而造成这种现象的主要原因。此外，实际监测的损坏过程与模型试验结果较为一致，均发生在初期一定时间内。2005年4月7日后，在防护工程与周边水流适应后，面层块石也随之稳定，面层将继续保持稳定。经过近十年的长期监测认为，在防护工程稳定后，防护区面层的冲淤变化呈“洪季淤积、枯季冲刷”特点，目前未影响防护体的稳定。

欧美使用的块石护面维护标准[22]：“在设计标准条件下，对核心区和永久区的损坏10%～20%是可以接受的；对于护坦，沿周长约有50%的完全起动是可以接受的”。目前监测结果表明，初期南、北主墩总体损坏率分别为12.66%和18.46%，之后防护一直较稳定，未发生新的损坏。因此，苏通大桥冲刷防护工程的直接损坏在可接受的范围之内，用损坏率概念对直接损坏来进行分析统计是较合理的。

3.3防护工程护坦区边坡坍塌损坏

间接损坏是指主要防护区外侧的河床受到冲刷，从而使护坦区石块在潮流的作用下移动而对边缘处造成的损坏。由现场监测结果看，北主墩防护区护坦冲刷较严重发生的区域在防护区东北角，防护区两侧护坦也有一定损坏，见图4和图7，如护坦边坡不能稳定下来，这种损坏会导致永久区的防护结构坍塌外移，最终会侵入核心区而导致防护工程失败。

图13为北主墩护坦东北角边坡坍塌最严重区段的剖面图(断面位置见图7)，防护工程验收后，防护体周边河床逐渐冲刷，随冲刷的加深，护坦边坡开始坍塌，并逐渐变陡，到2005年10月护坦外侧河床冲刷达到最深处，护坦边坡通过再平衡，最终形成“稳定边坡”。监测显示护坦外侧河床冲刷深度虽有一定的调整，护坦稳定边坡为1∶2～1∶2.2，这与模型试验结果一致。防护体周边冲刷并引起边坡坍塌的过程表明，防护工程周边冲刷和护坦边坡坍塌主要发生在防护工程实施后的初期1～2年时间内，经一年后冲刷企稳，达到最终稳定状态，边坡稳定时间较面层冲刷稳定时间略长。

图13 北主墩东北侧护坦区边坡坍塌冲刷演变Fig.13 Slope collapse scour evolution of apron area at the northeast side of the north main pier

长期监测显示，护坦坍塌现象没有持续发生，边坡坍塌仅限发生于护坦区内，永久区和核心区未出现坍塌冲刷，从而有效地保护了冲刷防护工程的总体安全，同时也验证了在苏通大桥桥墩冲刷防护工程设计中运用“下沉护坦原理”[4]的必要性，即在护坡顶端或冲刷防护结构周围布设一定数量的散粒体材料(石料),运用护坦与被防护的河床床面柔性接触和散粒体材料可在护坡上重新分布的特点(见图14) 。通过监测发现该处断面虽有冲淤变化，但这种冲淤变化对护坦区稳定影响有限。

图14 依据下沉护坦原理的冲刷防护Fig.14 Sketch of the scouring protection structure using sinking protection-apron principle

3.4防护工程损坏机理分析

苏通大桥南、北主墩防护工程的损坏形式主要是面层冲刷和边坡坍塌两种形式，不存在卷扬破坏形式。南主墩防护工程的面层损坏和边坡坍塌主要发生在2004年7月～2005年4月期间，北主墩防护工程的面层损坏也发生在这一时期，但北主墩东北角的护坦变化一直延续至2005年10月，2005年10月后护坦稳定边坡基本形成。此后，防护区河床监测结果表明南、北主墩防护工程保持较好的稳定性，均未出现新的损坏。这也进一步验证了作者曾在“苏通大桥主塔墩基础冲刷防护工程稳定性分析”一文[3]中提出的结论：“在2005年8月25日后南主墩冲刷防护工程总体上趋于稳定，2005年10月16日后,北主墩防护区东北角的冲刷沟没有进一步发展,防护工程总体上趋于稳定”。

因此，现场监测苏通大桥冲刷防护工程损坏过程和模型试验损坏过程基本一致，均发生在初期，这期间由于防护工程的实施河床剪应力和摩阻流速增强，防护工程面层块石有一定的损坏翻滚流失，与周边水流适应后面层块石达到稳定状态；与此同时护坦外侧河床开始冲刷，导致护坦边坡坍塌，坍塌到一定程度后与周边河床相适应，达到稳定边坡状态。在防护工程与周边水流以及河床适应后，防护区的变化主要就是桥区泥沙的冲淤变化，呈“洪季淤积、枯季冲刷”特点，这种泥沙冲淤变化对防护工程稳定影响不大。据此通过防护区淤积量监测，判断防护区淤积量与防护体成型稳定工程量基准线差别，进而推断防护工程出现了新损坏的可能性。就目前的模型试验结果和长期监测结果来看，在未发生特殊水文年和桥区河段边界调整的情况下，南、北主墩防护体稳定性是有保证的。

4 结 语

1)苏通大桥冲刷防护工程的损坏形式主要是防护区面层冲刷损坏和护坦边坡坍塌损坏。冲刷防护工程的两种损坏形式主要发生在防护工程后的1～2年多时间内。防护区面层块石先稳定，护坦边坡后稳定。

2)南、北主墩防护工程完成初期的总体损坏率分别为12.66%和18.46%，在可接受的范围之内，之后防护体一直较为稳定，未发生新的损坏。

3)防护体随冲刷的加深，护坦边坡开始坍塌变陡，随后护坦边坡再平衡，进而形成“稳定边坡”。护坦区稳定边坡坡度在1∶2～1∶2.5之间，与模型试验结果一致。

4)首次提出了以“防护工程成型稳定工程基准线”作为判断防护工程稳定的一个新指标，为监测冲刷防护工程稳定性创造定量目标。

5)在防护体稳定后，防护区呈“洪季淤积、枯季冲刷”特点，这一变化对防护体稳定影响有限。

6)通过对苏通大桥冲刷防护工程损坏特性的研究，为工程维护和营运管理提供有力支撑，为类似工程设计、监测、维护和相关研究提供参考。

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Study on failure characteristics of scour protection engineering of large bridges

GAO Zhengrong1,YANG Chengsheng1,TANG Xiaochun2,YU Zhuqing1

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China; 2.Suzhou Branch of Jiangsu Province Hydrology and Water Resources Investigation Bureau,Suzhou 215006,China)

TV866；U445.7

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.004

1005-9865(2016)02-0024-11

2015-05-23

高正荣(1963-)，男，江苏海门人，教授级高级工程师，主要从事海岸工程及桥梁工程研究。E-mail：zrgao08@163.com