水流沖刷作用下橋梁風(fēng)險(xiǎn)分析

梁芳 江政

摘 要：近年來，橋梁各類風(fēng)險(xiǎn)問題逐漸顯現(xiàn)，在橋梁服役期間存在著大量不確定性的風(fēng)險(xiǎn)因素。對(duì)此，本文從水流沖刷作用入手，研究橋梁沖刷風(fēng)險(xiǎn)作用機(jī)理、沖刷作用下橋梁破壞模式并總結(jié)橋梁沖刷風(fēng)險(xiǎn)因素。

關(guān)鍵詞：橋梁風(fēng)險(xiǎn);沖刷作用;破壞模式

2003年橋梁風(fēng)險(xiǎn)事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明橋梁破壞模式中洪水災(zāi)害占28%，風(fēng)暴災(zāi)害占43%，其他災(zāi)害占17%，故而洪水災(zāi)害是主要的自然災(zāi)害之一[1]。洪水風(fēng)險(xiǎn)因素出現(xiàn)的時(shí)間、發(fā)生的頻率、作用位置均存在很大的不確定性，一旦發(fā)生影響道路交通，破壞生態(tài)環(huán)境，還會(huì)帶來大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，沖刷作用下橋梁風(fēng)險(xiǎn)研究是十分有必要的。

1.橋梁沖刷作用機(jī)理分析

參考我國水文水力的研究，橋梁沖刷主要分為三個(gè)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(fā)生急劇變化引發(fā)的局部沖刷，分別對(duì)三部分沖刷變形機(jī)理總結(jié)如下[2-3]。

（1）河床演變沖刷作用機(jī)理

河床演變沖刷作用是河流自然演變的規(guī)律反應(yīng)，是指在未修建跨河流建筑物的條件下自然環(huán)境演變引發(fā)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(dòng)變形、河段深泓線擺動(dòng)引起的沖刷變形以及河槽隨流量變化而發(fā)生的周期性變形作用。

（2）橋梁下方的一般沖刷作用機(jī)理

修建跨河橋梁后，隨著沖刷作用不斷發(fā)展，過水?dāng)嗝婷娣e又相應(yīng)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(jié)束后的設(shè)計(jì)水位開始計(jì)算的最大垂向水流深度。

（3）橋墩處的局部沖刷作用機(jī)理

修建橋梁后橋墩對(duì)水流存在阻擋作用，在橋墩周圍水流發(fā)生繞流作用。橋墩局部沖刷作用是復(fù)雜的的繞流旋渦沖刷作用， 引起橋墩附近劇烈的泥沙運(yùn)動(dòng)，在橋墩周圍產(chǎn)生局部沖刷作用。橋墩局部沖刷作用發(fā)生一定時(shí)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(jī)理，總結(jié)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(xiàn)場橋墩受沖刷破壞的情況因不同河段、橋墩位置及保護(hù)措施設(shè)置有所差異，河道中因設(shè)置橋墩而對(duì)水流產(chǎn)生局部干擾現(xiàn)象，使水流流場產(chǎn)生變化，進(jìn)而改變河床泥沙原有的平衡狀態(tài)，橋墩周圍發(fā)展出局部沖刷坑，只有當(dāng)上游進(jìn)入坑內(nèi)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(shí)，才達(dá)成平衡，此時(shí)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(fā)生失效的主要原因均為由于洪水沖刷造成基礎(chǔ)埋深不足或橋墩（臺(tái)）基底掏空所致，本研究以此建立極限狀態(tài)如下：

式中，Rf為基礎(chǔ)最大沖刷深度容許值，為進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)沉降、抗傾覆及抗滑動(dòng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)所得到的最小基礎(chǔ)埋深與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深的差值;

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

當(dāng)Z<0時(shí)，認(rèn)為橋梁基礎(chǔ)處于失效狀態(tài)，在該狀態(tài)下，橋梁所承擔(dān)的荷載效應(yīng)在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)時(shí)，橋墩也將發(fā)生滑移或傾斜現(xiàn)象;Z>0時(shí)，為安全狀態(tài)，橋梁所承擔(dān)荷載效應(yīng)小于等于設(shè)計(jì)值時(shí)，橋墩變形滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于橋梁基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)的過程即是通過分析找出對(duì)Sf產(chǎn)生影響的基本因素的過程。

3.橋梁沖刷風(fēng)險(xiǎn)因素分析

對(duì)墩臺(tái)局部沖刷深度產(chǎn)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(dòng)流速、河床泥沙始沖流速、橋下水深分布、實(shí)際基礎(chǔ)埋深。這些影響因素之間的相互關(guān)系網(wǎng)絡(luò)如圖4所示

分析邏輯關(guān)系圖可得，沖刷風(fēng)險(xiǎn)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(shí)際基礎(chǔ)埋深與設(shè)計(jì)值之間偏差。

4.結(jié)論

本文從水流沖刷破壞機(jī)理入手研究橋墩極限狀態(tài)并建立極限狀態(tài)方程。在橋梁沖刷破壞模式的基礎(chǔ)上應(yīng)用文獻(xiàn)調(diào)研的研究方法總結(jié)橋梁沖刷作用主要風(fēng)險(xiǎn)因素并建立沖刷風(fēng)險(xiǎn)影響因素邏輯關(guān)系圖，對(duì)沖刷作用下橋梁風(fēng)險(xiǎn)研究具有一定意義。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]薛明.橋涵水文[M].上海：同濟(jì)大學(xué)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(xué)出版社，2004.