河道疏浚對橋梁的安全風險評估研究

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

引言

橋梁結構物修筑完成后，在使用期限內常常由于河道斷面的改變和流水壓力影響而威脅橋梁安全。

一、工程實例背景

(一)工程概況

樂山某橋橋面全寬12m，采用雙車道布置，橋梁全長500m。主橋為凈跨6×70m的懸鏈線連拱拱橋。橋墩嵌巖深度均在1.0m左右，且2#、3#、4#、5#、6#橋墩置于疏浚河段內。

(二)工程水文背景

工程終點位于岷江與大渡河匯合口上游約0.5km，上距岷江水文1站109.5km，水文1站位于工程上游，中間無大支流匯入，可作為此次水文分析計算的設計依據站。

二、橋墩沖刷計算

本文以樂山某橋為例，結合現有規范以及先前學者提出的巖石河床沖刷計算經驗公式對其進行橋墩沖刷計算，驗證公式的可行性，并簡要論述橋梁墩臺的一般沖刷計算公式的適用范圍和不足。

(一)橋墩一般沖刷計算

根據本橋地質情況，按照《公路工程水文勘察設計規范》(JTJ C30-2015)，采用64-2簡化式和64-1修正式計算河槽部分一般沖刷。

(二)非粘性土橋墩局部沖刷計算

一般沖刷計算完成后，可按照《公路工程水文勘察設計規范》(JTJ C30-2015)，采用65-2式和65-1修正式計算河槽部分局部沖刷的公式計算各個橋墩位置的局部沖刷。

將64-2簡化式與65-2式組合，65-1與修正式與64-1修正式相計算結果相加，得到最大沖刷深度，樂山某橋計算結果參見表1。

表1 一般沖刷與局部沖刷組合統計表

從表中可得由于2#墩埋入礫石層的厚度大于總沖刷厚度，所以2#橋墩無基巖河床沖刷。3#、4#、5#、6#墩都會對紅砂巖層有沖刷作用，所以必須對計算流水對巖質河床的沖刷。

(三)巖質河床橋墩局部沖刷計算

根據本工程的實際情況，基巖表層為強風化紅砂巖層，鉆孔揭露情況顯示巖石破碎成片狀及塊狀，在此，將以非粘性土的公式計算流水對橋墩處紅砂巖層的局部沖刷，根據《土的工程分類標準》(GB/T 0145-2007)，擬定紅砂巖層平均粒徑為d=250mm，帶入65-2式及65-1修正式計算橋墩局部沖刷深度，計算結果參見表2。

由于取用紅砂巖層的平均粒徑具有較大的范圍，所以對巖石平均粒徑的選取是比較重要的。為保證計算結果的可靠性，本次計算選用《巖石河床橋墩局部沖刷計算》中提出的巖石河床局部沖刷經驗公式進行驗證。

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得到65-2式、65-1修正式以及經驗公式計算得到結果參見表3。

表2 基巖層沖刷深度統計表(單位：m)

從表中可得按65-2式計算與經驗公式計算結果相接近，從而證明非粘性土橋墩局部沖刷計算對于強風化巖層具有一定的適用性。

三、評估方法

(一)評估內容及思路

評估需對河道疏浚前后的橋梁進行結構分析，分別計算：①疏浚前無沖刷、疏浚后無沖刷；②疏浚前有沖刷、疏浚后有沖刷；③疏浚前水土壓力合算、疏浚后水土壓力合算3組工況下橋梁結構的應力、位移及穩定系數，若不大于疏浚前橋梁結構響應的5%，則認為該疏浚對橋梁結構的安全影響是可控的；否則需要對橋梁結構進行驗算并采取相應的加固措施。

(二)流水壓力計算

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)：作用在橋墩上的流水壓力標準值可按下式計算：

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在設計洪水位下土體未被沖走時，此時為最有利的情況，將此情況下的流水壓力加于各墩上。

在設計洪水位下土體被沖走，此時流水壓力計算至一般沖刷線處，再將流水壓力加于各墩上。

在設計洪水位下橋墩上游側土體未被沖走，兩側及下游側土體被掏空，此時計算至原地面線處的流水壓力以及橋墩上游側的土壓力，再將流水壓力與土壓力同時加于各墩上。

(三)計算結果分析

模型中，將疏浚后的流水壓力視為集中荷載，作用于水位線下0.3倍水深處。外部荷載分為疏浚前無沖刷、疏浚后無沖刷、疏浚前有沖刷、疏浚后有沖刷、疏浚前水土壓力合算、疏浚后水土壓力合算6種情況，分別加載。在3組沖刷情況下，2#墩的應力及位移均有小幅增加，應力最大增量為0.4%，位移最大增量為0.01%，可認為2#橋墩結構安全。

四、結論

在上述計算過程中可以發現，雖然可以證明非粘性土橋墩局部沖刷計算對于強風化巖層具有一定的適用性，但是風化巖層的平均粒徑取值有較大偏差，所以目前已有橋墩沖刷計算公式還遠遠不能滿足現實工程的需要。另外從橋墩局部沖刷計算公式中可以看出，平均粒徑一直作為公式中一個至關重要的參數，其選取對計算結果有較大影響，而現實工程中則很少確定橋位處河床泥沙的平均粒徑，所以造成理論計算與工程實際不相符的情況。

建模計算過程中，由于流水壓力相對較小，在進行荷載組合后可能會出現結構響應被掩蓋的情況。所以在此基礎上，可在單獨計算一組流水壓力作用下橋梁結構應力差值對比。其次，河道疏浚工程竣工后，應加強對各橋墩沖刷的監測，當發現橋墩周圍出現大面積的沖刷且沖刷深度達到覆蓋厚度的2/3時，應進進行拋石或混凝土固化等加固處理。