橋梁沖刷計算公式的應(yīng)用分析

曾桂華，程素珍，張慶麗

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省科源工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 濟(jì)南 250014）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和建筑水平的快速提高，跨河橋梁的建設(shè)數(shù)目越來越多，規(guī)模越來越大，部分墩臺不可避免地位于河道的行洪斷面內(nèi)，在一定程度上阻礙河道行洪，改變局部河道水流流態(tài)，對河道行洪安全造成一定影響，橋墩部位的沖刷，在一定程度上也影響橋梁自身安全。為了河道的行洪安全和橋梁自身運行安全，對橋梁墩臺進(jìn)行沖刷分析計算是必要的。沖刷深度計算公式的選擇正確與否、成果是否合理，會直接影響到評價結(jié)論，也是水行政主管部門對橋梁建設(shè)方案進(jìn)行審查的重點內(nèi)容之一。

1.1 河床自然演變沖刷

1）縱向沖刷。縱向沖刷計算公式規(guī)范一般采用一維河床沖淤數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，采用上下斷面河道含沙量的變化推算一般沖刷深度。受目前理論研究水平的制約，根據(jù)理論公式計算的天然河道挾沙能力成果，存在較大偏差，對設(shè)計人員來說確定縱向沖刷成果難度較大。

2）橫向沖刷。橫向沖刷是河槽橫向變動引起的自然演變沖刷，對于天然河道，橫向沖刷是不可避免的，但考慮到在山東地區(qū)，按地貌大體分為黃泛平原區(qū)和山丘區(qū)。對于黃泛平原區(qū)，基本以淤積為主，對于山丘區(qū)，由于局部侵蝕基準(zhǔn)面抗沖刷能力較強(qiáng)，短期的自然演變沖刷也比較小，因此，考慮到目前計算方法不太可靠，且短時間變化很小，在沖刷計算中，一般不再考慮河床自然演變沖刷對墩臺的影響。

1.2 橋下一般沖刷

因橋梁墩臺的修建，壓縮了河道的行洪斷面，致使橋孔上游水流急劇集中流向橋孔，河床切應(yīng)力迅速加大，在橋下河床斷面內(nèi)發(fā)生的沖刷稱為橋下一般沖刷，隨著其沖刷發(fā)展橋下段面逐漸增大，流速降低，至泥沙輸送和交換達(dá)到暫時的平衡狀態(tài)時，一般沖刷便趨于停止。通過計算某一設(shè)計頻率洪水沖刷后的最大水深計算橋下一般沖刷深度，一般采用《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTGC30－2015）中推薦的公式進(jìn)行計算。

河床土質(zhì)類別直接決定一般沖刷公式的選擇，所以進(jìn)行橋下一般沖刷計算時，首先根據(jù)河床的實際土層情況，區(qū)分河床是非粘性土還是粘性土，然后對河槽和河灘部分分別采用規(guī)范推薦的公式進(jìn)行計算。

1.3 墩臺局部沖刷

墩臺對水流的干擾造成的局部沖刷是一個非常復(fù)雜的動力過程，影響沖刷坑的深度和大小的因素較多，墩前行近流速、橋墩寬度、墩體形狀、床沙粒徑、河流水深、水流交角等都是密切的影響因素。橋墩影響下的紊流是產(chǎn)生局部沖刷的內(nèi)因，但紊流沖刷問題目前沒有具體的計算理論，《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTGC30-2015）中局部沖刷計算公式綜合考慮了影響橋臺局部沖刷的外部因素，并進(jìn)行了水槽模擬試驗驗證，其計算結(jié)果基本可靠、合理。

2 工程實例

2.1 工程概況

故獻(xiàn)大橋位于高密市故獻(xiàn)村東南的膠河中泓線樁號K43+595 處，為原址拆除重建，橋梁全長125 m，跨徑組合6×20 m，共有7 個橋墩，其中5 個橋墩布置在河槽內(nèi)，2 個橋臺位于河灘上，橋墩直徑均為1 500 mm。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋面連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)采用U 型橋臺擴(kuò)大基礎(chǔ)，柱式墩擴(kuò)大基礎(chǔ)。

橋址處河道為復(fù)式斷面，河槽底寬102.68 m、底高程24.3 m，邊坡1∶2，河灘寬度6 m、灘頂高程29.39 m，兩岸岸頂高程31.59 m。河道設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇、設(shè)計流量680.00 m3/s、設(shè)計洪水位為30.49 m，故獻(xiàn)大橋設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇、設(shè)計流量2 218 m3/s、設(shè)計洪水位為31.69 m。

經(jīng)對河槽地層巖性的綜合分析，故獻(xiàn)大橋處地層性質(zhì)判別為粉土，沖刷計算時按非粘性土公式進(jìn)行，故獻(xiàn)大橋的沖刷計算時分別按64-2 簡化式和64-1 修正式進(jìn)行計算。為節(jié)省篇幅，只對河槽進(jìn)行一般沖刷計算和分析。

2.2 非黏性土河槽一般沖刷計算

本次計算工況采用20 年一遇洪水的設(shè)計流量，根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTGC30-2015） 中推薦的兩個非黏性土河槽一般沖刷公式分別進(jìn)行計算，用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286-2013）推薦的計算公式進(jìn)行驗證。1

）64-2 簡化式。

式中：hp為一般沖刷后的橋下最大水深，m；QP為相應(yīng)計算頻率的河道設(shè)計流量，m3/s；Qc為未建橋天然河槽設(shè)計流量，m3/s；Q2為相應(yīng)計算頻率的橋下河槽設(shè)計流量，m3/s；Qt1為未建橋天然橋下河灘設(shè)計流量，m3/s；Bz為造床流量時的河槽寬度，m，123.04 m；Bcg為設(shè)計橋長范圍內(nèi)河槽的寬度，m，取123.04 m；μ 為橋墩對水流的側(cè)向壓縮系數(shù)，μ 取值為0.97。

經(jīng)計算hp為1.43 m。

2）64-1 修正式

式中：Bcj為河槽部分的過水凈寬，m，項目中采用與平灘水位相應(yīng)的寬度作為造床流量時的河槽寬度，即123.04 m；hcq為河槽部分的平均水深，m；d 為河槽部位泥沙的平均粒徑，mm，根據(jù)地質(zhì)資料，本項目取0.08 mm；E 為和汛期河流含沙量相應(yīng)的系數(shù)，根據(jù)河道的含沙量，項目取0.66；其余符號含義同前。經(jīng)計算hp為1.77 m。

根據(jù)對本工程的實際沖刷的跟蹤測量調(diào)研，反推出的一般沖刷值為1.51 m，64-2 簡化式計算成果與實際測量值的誤差為17.22%；64-1 修正式計算成果與實際測量值的誤差為5.30%，可見64-1 修正式計算成果更接近于實際。

2.3 非黏性土河槽一般沖刷計算公式的由來及存在的不足

當(dāng)橋梁上游天然斷面來沙量G 大于橋下沖刷區(qū)排出沙量G 時，床面則淤積；來沙量小于排沙量時，床面則沖刷；來沙量與排沙量相等時，沖淤平衡。推移質(zhì)運動是產(chǎn)生河槽沖刷的主要因素，根據(jù)推移質(zhì)輸沙量平衡條件，導(dǎo)出橋下河槽斷面64-2 一般沖刷計算公式。1964 年中國土木工程學(xué)會“橋梁沖刷計算學(xué)術(shù)會議”把“64-2 計算式”作為推薦的橋下一般沖刷計算公式之一寫入規(guī)范，由于其計算考慮影響因素較多，計算繁瑣，1985 年西安公路學(xué)院對“64-2 計算式” 進(jìn)行簡化，即為“64-2 簡化式”，計算簡便且其精度與“64-2 計算式” 相當(dāng)。它是依據(jù)河槽輸沙平衡理論建立的公式，并參照外國相應(yīng)同類公式和我國多年橋梁洪水沖刷實測觀測資料進(jìn)行了驗證修正，具有豐富的實踐基礎(chǔ)和堅實理論，其計算成果比較符合橋下河流一般沖刷深度的實際情況。

64-1 修正式也是1964 年中國土木工程學(xué)會在會議上推薦的橋下一般沖刷計算公式，《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》（JTJ062-91）對64-1 計算式作了局部修正，即為64-1 修正式。

這兩個公式的建立都是依據(jù)水力學(xué)連續(xù)性原理，依據(jù)沖止流速的概念建立的適合非黏性土河槽的一般沖刷計算公式。在山東省水利廳2021 年度重點調(diào)研課題“涉河、涉水建筑物對洪水的影響以及防護(hù)措施落實、運行情況的調(diào)研報告”中，對已竣工的山東省境內(nèi)20 個涉河建設(shè)項目、50 個單項工程為對象進(jìn)行了修建涉河項目的河槽實際沖刷情況調(diào)研得知，對非黏性土河槽，泥沙平均粒徑對計算成果影響較大，公式64-1 修正式更接近于實際情況。

3 結(jié)論及建議

1）橋梁墩臺沖刷是一個復(fù)雜河槽再造過程，是水流、結(jié)構(gòu)物和泥沙之間三維的相互作用問題，目前尚無符合計算精度要求的單一公式，只能將復(fù)雜的沖刷過程分解為河床自然演變沖刷、橋下一般沖刷、墩臺局部沖刷三個相對獨立部分，并假定三部分沖刷過程依次進(jìn)行，采用不同公式分別計算，將三部分計算結(jié)果相加，作為橋梁墩臺的最大計算沖刷深度。對于不同條件下的橋梁墩臺沖刷機(jī)理尚有待進(jìn)一步研究。

2）橋下沖刷計算公式形式較多，各行業(yè)根據(jù)沖刷影響因素的側(cè)重均相應(yīng)提出了本專業(yè)的計算方法，但所有公式的理論基礎(chǔ)均來自國外的同一參考資料，雖進(jìn)行了幾十年研究，理論上缺少創(chuàng)新，當(dāng)代跨河建筑物的形式和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了較大變化，需要開展橋下沖刷計算理論研究。

3）由于計算理論和方法的局限性，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)在役工程沖刷觀測，積累工程經(jīng)驗，為今后類似工程項目沖刷計算提供更加可靠的依據(jù)。