山區(qū)人行網(wǎng)箱橋水毀機理分析

魏祥龍

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶　400074)

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山區(qū)人行網(wǎng)箱橋水毀機理分析

魏祥龍

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074)

摘要：山區(qū)河流常年水位較低，雨季河水暴漲。由于洪水歷時短、來水量大，洪峰過程期河水沖刷能力強，山區(qū)人行小橋涵水毀破壞嚴(yán)重。該文利用數(shù)學(xué)模型對重慶市萬州區(qū)插旗村格賓網(wǎng)箱便橋進(jìn)行流場模擬，通過流場及橋墩受力分析得出網(wǎng)箱橋水毀主要原因為墩頭壓縮沖刷、網(wǎng)箱橋墩整體剛度差造成的橋墩側(cè)偏、下沉等，并據(jù)此提出了優(yōu)化設(shè)計建議。

關(guān)鍵詞：人行便橋；水毀；格賓網(wǎng)；數(shù)學(xué)模型;結(jié)構(gòu)設(shè)計

我國西部山區(qū)經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)，村落交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對滯后，每到雨季，山區(qū)河流洪水暴漲，對當(dāng)?shù)貥蛄涸斐闪藝?yán)重的破壞。據(jù)重慶市萬州區(qū)彈子鎮(zhèn)、余家鎮(zhèn)浦里河河段橋梁實地調(diào)查，2013年11月當(dāng)?shù)厝诵斜銟蛑杏?座混凝土板橋，1座人行矴步橋，7座混凝土板橋墩臺沖刷嚴(yán)重，其中2座已因水毀倒塌，另有3座橋梁河道中間橋墩周圍砂石已經(jīng)掏空，2014年8月洪水將該河段所有的人行橋沖毀，僅剩幾座公路橋可供村民出行。因此對于貧困山區(qū)村民出行問題的解決除當(dāng)?shù)卣咭约敖?jīng)費支持外，選擇一種經(jīng)濟、適用、耐久的人行便橋也是一個非常重要的因素。

針對混凝土便橋水毀嚴(yán)重的現(xiàn)象，學(xué)者們紛紛研究其水毀機理。向中富[1]在總結(jié)淺基礎(chǔ)橋梁水毀原因時認(rèn)為：人為采砂、施工不當(dāng)以及維護不足等使該類橋梁抗水毀能力較弱；沈波等[2]認(rèn)為無壓自由式出流水毀為中小橋梁水毀主要形式。針對混凝土橋梁受到洪水強烈沖刷易于水毀特性，本文研究新式橋梁——網(wǎng)箱橋水毀機理。該橋梁從2005年至今已在甘肅、云南、貴州、重慶等省份的貧困山區(qū)建設(shè)20余座，其中大多數(shù)橋梁運行良好，少數(shù)受洪水損毀但經(jīng)修整后繼續(xù)投入使用?，F(xiàn)以重慶市萬州區(qū)彈子鎮(zhèn)插旗村公益人行便橋為例，分析網(wǎng)箱橋水毀原因。

1橋點概況

該橋點位于重慶市萬州區(qū)彈子鎮(zhèn)浦里河插旗村河段，如圖1所示。河面寬度為46~50 m，河流常年枯水期水位為0.2~0.5 m，流速為0.3~0.7 m/s，常年最高水位4.31 m。河床為砂卵石地基，卵石由于長時間的沖刷沉積，鑲嵌得比較密實。由于該河流屬于典型的山區(qū)河流，河水漲落隨降雨量變化；洪水來的快，退的也快，暴漲暴落。一般5月份到8月份雨季來臨時，每次洪水漲水1~4 m，持續(xù)大約2 d時間，退水迅速，每年夏季均會出現(xiàn)伏旱情況，河道干涸。

圖1　河道概況Fig.1　General situation of the river channel

2橋梁設(shè)計

人行網(wǎng)箱便橋是在生態(tài)可持續(xù)的理念下設(shè)計、建造的，其設(shè)計核心為使用柔性格賓網(wǎng)填充毛石作為地基、橋墩。此類地基可以隨著泥沙、卵石輸移而與河床嵌合更牢固。該類型網(wǎng)箱具有以下特性[3]：

(1)適應(yīng)性強，柔韌性高，不易斷裂，能很好地適應(yīng)地基的變形，可以承受大范圍的變形；

(2)耐腐蝕抗沖刷，有很強的抵御自然破壞如惡劣氣候及地震沖擊的能力；

(3)透水性高，讓水流在網(wǎng)箱縫隙間流過，是一個以柔制剛的設(shè)計；

(4)施工簡單，但是要細(xì)心把石頭平穩(wěn)地裝入籠子并封口。

(5)運輸方便，可將其折疊起來運輸，在工地配裝。

2.1　上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋架設(shè)計為7.5 m長、1.2 m寬，采用國標(biāo)型鋼焊接制成，如圖2所示。建材選用以生態(tài)、環(huán)保為主，橋面板采用萬州當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的可再生資源——竹子，制成竹夾板并現(xiàn)場固定在橋架上。橋架現(xiàn)場直接安放在橋墩上，不與下部橋墩產(chǎn)生聯(lián)系，允許洪水將橋架沖下橋墩以減少對橋體的損害，待洪水退去后再將橋架安放在橋墩上。

圖2　橋架平面圖Fig.2　Planar graph of the bridge frame

2.2　下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

墩臺采用生態(tài)格賓網(wǎng)箱(1 m×1 m×1 m)填充開采的毛石堆砌而成，如圖3所示。橋墩第1層為埋置于河床下的12個網(wǎng)箱；第2層為4個網(wǎng)箱和2個三角形網(wǎng)箱構(gòu)成船體形式；第3層正方體網(wǎng)箱上擱置橋架，外側(cè)采用鍍鋅鋼框把橋架平衡架固定以防止變形，各層之間插有鍍鋅鋼筋增加各層連接。加大橋墩縱向長度降低橋墩高度，依靠橋墩自身重量和三角水擋抵御洪水的沖擊。

圖3　橋墩示意圖Fig.3　Layout of the piers

人行網(wǎng)箱便橋施工難度低，操作簡便，建材大多為可再生資源，并可就地取材，西部地區(qū)適宜受制于經(jīng)濟條件的村民自主籌款建設(shè)。由于該類橋型上下部結(jié)構(gòu)不固結(jié)，其主要病害為橋墩水毀，因此本文在探討格賓其橋墩水毀特性的基礎(chǔ)上對網(wǎng)箱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3水毀機理

由于橋墩水毀是網(wǎng)箱橋病害的主要形式，因此，橋墩的狀況是影響網(wǎng)箱橋使用壽命的關(guān)鍵因素，而河床上第1層的橋墩網(wǎng)箱又是對于橋體安全至關(guān)重要的一層。為了探究該層橋墩各處受力以及洪水期橋墩附近流場，依據(jù)林海峰[4]、張小峰[5]等的橋墩周圍三維流場研究成果，建立了如圖4所示的二維模型。該平面模型河床采用平底，區(qū)域計算長度L為100 m，計算寬度B為60 m，8個橋墩按照設(shè)計方案均布在河道中，橋墩垂直中心線距上游進(jìn)水口與下游出水口各50 m，以保證水流的充分發(fā)展，進(jìn)水口水流流速為4 m/s，各橋墩表面以混凝土做簡化處理。

圖4　模型示意圖Fig.4　Layout of the model

3.2　水毀機理分析

由于小跨徑橋梁阻水率較大，同時橋墩上游水位壅高，下游水域水位降低，橋墩兩側(cè)及橋墩之間由于擠壓水流，流速增大，在橋墩尾部流速降低較多。由于此類橋型壓縮過流寬度，產(chǎn)生水流側(cè)向收縮，減少了斷面寬度和過水面積，使水流單寬流量增加，引起河床沖刷，即壓縮沖刷。

橋墩周圍的水流主要包括墩前水面涌波、橋墩迎水面的向下水流和尺度很大的漩渦體系，如圖5～圖6所示。漩渦中心形成負(fù)壓，吸起床面泥沙，卷向下游回流區(qū)沉淀下來，形成橋臺沖刷和回流區(qū)淤積[6]，這也是山區(qū)橋梁病害的主要原因。以彈子鎮(zhèn)為例，彈子鎮(zhèn)大多數(shù)人行橋均為村鎮(zhèn)自籌資金自主建設(shè)，受制于資金的數(shù)額，橋型多采用淺基礎(chǔ)混凝土板橋，2014年汛期的洪水已將該鎮(zhèn)所有自建人行橋悉數(shù)沖毀，而對于格賓網(wǎng)箱橋雖然其采用柔性基礎(chǔ)較剛性混凝土橋墩抗此類病害能力稍強，但依舊面臨沖刷損害以及墩頭受力變形的危害。

圖5　單個橋墩周圍x方向流速等值線圖 Fig.5　Contour map of x velocity around a single pier

圖6　橋墩附近流線Fig.6　The streamline around the pier

從圖5、圖6可以看到，斷面壓縮造成墩頭、橋墩之間流速較大；尾部有漩渦，但流速較低。靠近墩身位置，由于壁面摩擦，流速由壁面向外逐漸增大。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的梯形邊墩周圍三維流場的數(shù)值模擬結(jié)果顯示：垂向流速w在邊墩附近靠近槽底處為負(fù)值，說明這部分水流是向下運動的。這是由于行進(jìn)水流與邊墩的分離和水流與槽底摩擦的共同作用使水流螺旋運動。而該網(wǎng)箱橋墩在洪水來臨時也會發(fā)生同樣的水流運動：水流撞擊墩頭，并在墩頭區(qū)域產(chǎn)生向下運動，同時該區(qū)域有橫、縱向水流，連通垂向水流共同對墩頭前方周圍區(qū)域產(chǎn)生沖刷，并有沖刷坑出現(xiàn)。

格賓網(wǎng)箱橋墩設(shè)置成長矮的船體形狀雖然可一定程度避免墩頭受力集中以及減少墩頭附近流場流速，但由于其整體為散狀結(jié)構(gòu)，整體性與混凝土橋墩差距較為明顯，同時由于跨徑短、壓縮過流斷面所帶來的流速增加，使墩頭受力較大，如圖7所示。從圖7墩頭壓力等值線圖中可以看到墩頭承受的壓力較大，受力集中容易損壞。根據(jù)現(xiàn)場的勘查，多數(shù)網(wǎng)箱橋水毀的主要特征為墩頭下沉、變形，如圖8所示從流場形態(tài)上也佐證了這一受力集中部分，而墩身受到大小相等、方向相反的壓力,較少出現(xiàn)損壞的情況。

圖7　橋墩周圍壓力分布圖 Fig.7　Pressure distribution chart of the pier

圖8　網(wǎng)箱橋橋墩破壞現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.8　The picture of the ruined bridge pier

4結(jié)論

網(wǎng)箱橋小跨徑的設(shè)計導(dǎo)致過流斷面收縮，橋墩基礎(chǔ)附近河床發(fā)生壓縮沖刷，致使橋墩發(fā)生側(cè)偏甚至倒塌。同時墩頭周圍流場復(fù)雜，附近各向流速大、沖刷能力強，墩頭受力大，易造成墩頭下沉變形損毀散狀結(jié)構(gòu)的墩頭。根據(jù)格賓網(wǎng)箱橋的水毀原理，提出網(wǎng)箱橋設(shè)計建議如下:根據(jù)河床、河流跨度、水位不同情況，設(shè)置導(dǎo)流板，增大橋梁跨徑、減少橋架重量、降低墩頂標(biāo)高、擴大基礎(chǔ)并重點保護墩頭等。

參考文獻(xiàn)：

[1]向中富.關(guān)于淺基礎(chǔ)橋梁水毀的理性思考[J].中國公路,2013(17):37-38.

[2]沈波,艾翠玲,田偉平,等.小橋涵自由式出流沖刷試驗[J].長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,27(3):61-66.

[3]吳恩融,穆鈞.基于傳統(tǒng)建筑技術(shù)的生態(tài)建筑實踐:毛寺生態(tài)實驗小學(xué)與無止橋[J].時代建筑,2007(4):50-57.

[4]林海峰,郭維東,王凱.橋梁邊墩周圍三維流場的數(shù)值模擬[J].人民長江,2008,39(16):76-78.

[5]張小峰,白洋,王彩虹.橋墩附近水流結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模擬[J].中國科技論文,2012(5):364-371.

[6]江勝華,周智,歐進(jìn)萍.橋墩局部沖刷防護的石塊起動[J].泥沙研究,2013(4):63-67.

(責(zé)任編輯：孫新華)

The Mechanism Baced on the Numerical Simulation of

Water Damage for Rural Footbridge

WEI Xianglong

(College of Hehai, Chongqing Jiaotong University, Chongqing400074, China)

Abstract：The perennial water level of the mountainous river is very low. In summer, the floods last for a short time but bring an amount of water in the watercourse. Meanwhile the scour capability of the floods is very strong. So the main reason for damage of the rural bridge is the water damage. Based on the two-dimensional mathematical model of the Chaqi gabion footbridge, the mechanism of water damage for gabion footbridge is analyzed. The main reasons for the damage are side slip and settlement of the piers because of the compression scour and the stiffness differences of the gabion. Some optimum advice are put up.

Keywords：footbridge; water damage; gabion; numerical model；structure design

作者簡介：魏祥龍(1990-)，男，山東日照人，碩士生，主要研究方向為航道整治、數(shù)值模擬與可視化。

收稿日期：2015-01-08

中圖分類號：TV143

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-5322(2015)02-0075-04

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201502014