水流沖刷作用下橋梁風險分析

梁芳 江政

摘 要：近年來，橋梁各類風險問題逐漸顯現，在橋梁服役期間存在著大量不確定性的風險因素。對此，本文從水流沖刷作用入手，研究橋梁沖刷風險作用機理、沖刷作用下橋梁破壞模式并總結橋梁沖刷風險因素。

關鍵詞：橋梁風險;沖刷作用;破壞模式

2003年橋梁風險事件統計結果表明橋梁破壞模式中洪水災害占28%，風暴災害占43%，其他災害占17%，故而洪水災害是主要的自然災害之一[1]。洪水風險因素出現的時間、發生的頻率、作用位置均存在很大的不確定性，一旦發生影響道路交通，破壞生態環境，還會帶來大量的人員傷亡和經濟損失，沖刷作用下橋梁風險研究是十分有必要的。

1.橋梁沖刷作用機理分析

參考我國水文水力的研究，橋梁沖刷主要分為三個部分，分別是：河床自然演變引起的沖刷、橋梁下方河床斷面的一般沖刷以及橋墩附近水流發生急劇變化引發的局部沖刷，分別對三部分沖刷變形機理總結如下[2-3]。

（1）河床演變沖刷作用機理

河床演變沖刷作用是河流自然演變的規律反應，是指在未修建跨河流建筑物的條件下自然環境演變引發的河流沖刷作用，主要包括河床縱斷面變形情況、河槽橫向移動變形、河段深泓線擺動引起的沖刷變形以及河槽隨流量變化而發生的周期性變形作用。

（2）橋梁下方的一般沖刷作用機理

修建跨河橋梁后，隨著沖刷作用不斷發展，過水斷面面積又相應增加。這種由于建造橋梁引起橋下水流速度增加的沖刷作用普遍存在，故而稱之為一般沖刷作用。一般沖刷作用的沖刷深度取值為一般沖刷深度結束后的設計水位開始計算的最大垂向水流深度。

（3）橋墩處的局部沖刷作用機理

修建橋梁后橋墩對水流存在阻擋作用，在橋墩周圍水流發生繞流作用。橋墩局部沖刷作用是復雜的的繞流旋渦沖刷作用， 引起橋墩附近劇烈的泥沙運動，在橋墩周圍產生局部沖刷作用。橋墩局部沖刷作用發生一定時間后，沖刷基坑邊緣與橋墩坑底的最大高度差即為局部沖刷深度。

分析水流沖刷作用機理，總結橋梁沖刷深度組成要素如圖1所示。

2.沖刷作用下橋梁破壞模式分析

現場橋墩受沖刷破壞的情況因不同河段、橋墩位置及保護措施設置有所差異，河道中因設置橋墩而對水流產生局部干擾現象，使水流流場產生變化，進而改變河床泥沙原有的平衡狀態，橋墩周圍發展出局部沖刷坑，只有當上游進入坑內的泥沙量等于水流攪起并被繞墩水流帶走的泥沙量相等時，才達成平衡，此時的沖刷坑深度為局部沖刷深度。雖然橋墩由于類型不同等原因在洪水沖刷作用下具有多種破壞模式，但造成橋墩發生失效的主要原因均為由于洪水沖刷造成基礎埋深不足或橋墩（臺）基底掏空所致，本研究以此建立極限狀態如下：

式中，Rf為基礎最大沖刷深度容許值，為進行橋梁基礎沉降、抗傾覆及抗滑動設計驗算時所得到的最小基礎埋深與設計基礎埋深的差值;

Sf為橋梁基礎最大沖刷深度，為考慮既有橋梁實際基礎埋深、水文狀況等因素后計算得到的最大沖刷深度理論值。

當Z<0時，認為橋梁基礎處于失效狀態，在該狀態下，橋梁所承擔的荷載效應在設計值范圍內時，橋墩也將發生滑移或傾斜現象;Z>0時，為安全狀態，橋梁所承擔荷載效應小于等于設計值時，橋墩變形滿足設計要求。對于橋梁基礎的風險源辨識的過程即是通過分析找出對Sf產生影響的基本因素的過程。

3.橋梁沖刷風險因素分析

對墩臺局部沖刷深度產生影響的因素主要有橋墩墩形、墩寬、河床泥沙類型及平均粒徑、河流流量、河道采砂狀況、上游水流攜沙量、河床寬度、河床泥沙起動流速、河床泥沙始沖流速、橋下水深分布、實際基礎埋深。這些影響因素之間的相互關系網絡如圖4所示

分析邏輯關系圖可得，沖刷風險場景的最基本影響因素有橋墩形狀、橋墩寬度、河床泥沙類型及平均粒徑、上游降水量、上游植被分布狀況、河道采砂狀況、上游水流攜沙量、河床寬度、橋梁實際基礎埋深與設計值之間偏差。

4.結論

本文從水流沖刷破壞機理入手研究橋墩極限狀態并建立極限狀態方程。在橋梁沖刷破壞模式的基礎上應用文獻調研的研究方法總結橋梁沖刷作用主要風險因素并建立沖刷風險影響因素邏輯關系圖，對沖刷作用下橋梁風險研究具有一定意義。

參考文獻：

[1]秦年秀，姜彤.2003年重大自然災害回顧[J].自然災害學報，2005，14（1）：38.44.

[2]薛明.橋涵水文[M].上海：同濟大學出版社，2002.

[3]楊斌，王曉雯，彭凱，等.橋涵水力水文[M].成都：西南交通大學出版社，2004.