橋墩沖刷危害調(diào)查與評價綜述

秦瀚翔 ，魏松，段海鵬,2

（1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088）

1 前言

對于跨越河流的橋梁，橋墩等水下基礎的建立，使河道的過水面積變窄，橋墩附近的水流流速增大。橋墩等橋梁基礎的阻水效應會導致水流和泥沙相互作用發(fā)生變化，打破河床原有泥沙運動的平衡。水流結構會發(fā)生急劇變化從而在橋梁基礎附近形成漩渦。漩渦不斷掏挖橋墩附近的泥沙，最終形成局部沖刷坑。沖刷坑的形成會導致橋梁基礎埋深相對減少，威脅橋梁結構本身安全和穩(wěn)定，同時使得橋墩周圍覆蓋層缺失，橋墩基礎直接裸露在水流中而遭到?jīng)_刷侵蝕，帶來嚴重的安全隱患，甚至直接造成橋梁失穩(wěn)和破壞。

在目前已有的橋墩沖刷研究中，研究人員更側重對一般沖刷和局部沖刷進行分類研究。國內(nèi)外的研究人員為了更深入地研究沖刷過程的機理，開展了大量的室內(nèi)水槽試驗，但是在現(xiàn)場調(diào)查分析中，沖刷因素的復雜性導致試驗結果難以運用。因此通過對沖刷坑深度進行估算和沖刷程度進行評估，可以幫助現(xiàn)場調(diào)查人員對橋梁在沖刷方面進行評價，另一方面對局部沖刷進行深度估算和評估研究則可以將其危害進行數(shù)據(jù)化、量化，可以更加客觀地認識到潛在的危險性。

因此，本文從橋梁沖刷預測評估研究現(xiàn)狀出發(fā)，從橋墩沖刷危害調(diào)查和評估兩個方面進行現(xiàn)有研究進展的歸納和綜述。通過總結現(xiàn)有研究存在的問題，闡述未來研究方向。

2 橋梁沖刷預測評估研究

在沖刷研究的早期，Postacchini等[1]開始嘗試在實驗室測量水流導致的沖刷。然而，由于缺乏可用的數(shù)據(jù)，對進一步的沖刷機理沒有進行系統(tǒng)的研究。在此基礎上對于尺度效應、擋板參數(shù)、雷諾數(shù)、樁身粗糙度以及水槽試驗中存在小波紋等影響因素，已由Sumer等人[2]討論過。通過在更復雜的條件下進行的實驗。Myrhaug和Rue[3]提出了一種推導隨機水流強度下樁周沖刷預測方法，進一步發(fā)展為長峰和短峰非線性隨機水流下的預測方法。Sumer[4]和Whitehouse[5]擴展了隨機水流在大型跨海橋墩的沖刷影響。在山區(qū)河流建造的橋梁暴露于各種復雜的水流環(huán)境中，沖刷的影響更為嚴重。Eadie和Herbich[6]、Olabarrieta[7]等人、Zanke[8]等人對水流和橋墩聯(lián)合作用下的樁周流場進行研究表明，橋梁沖刷的全過程中水力因素起著原始和主要的影響。

國內(nèi)外科研人員對沖刷深度的預測做了眾多試驗和監(jiān)測，研究分析了大量數(shù)據(jù)，在此基礎上提出了諸多沖刷坑深度的預測公式。預測橋墩的局部沖刷深度時存在太多不確定的影響因素，各種因素相互耦合使沖刷坑深度的預測變得更復雜。在橋梁工程設計中，對橋墩周圍局部沖刷深度的預測是必要的，高估了橋墩局部沖刷深度，會大大增加橋墩的加固和防護費用，低估了橋墩局部沖刷深度時，會使得工程在實際運用中存在安全隱患。國內(nèi)外相關研究人員基于大量的室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的研究分析，提出了以下幾類預測公式：經(jīng)驗性局部沖刷深度預測公式，半經(jīng)驗半理論性局部沖刷深度預測公式。經(jīng)驗性公式通過篩選橋墩沖刷參數(shù)，利用大量試驗及現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)進行量綱分析；半經(jīng)驗半理論公式通常是在一定的理論基礎上進行推導得到公式的結構形式，再利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對公式內(nèi)的參數(shù)進行擬合，包括環(huán)流切線流原理、能量平衡理論、泥沙平衡理論。現(xiàn)有公式的結構形式各不相同，具有較強的經(jīng)驗性，目前尚未有一個公認的公式能準確預測清水沖刷或動床沖刷條件下的局部沖刷深度。

研究人員試圖使實驗室和實際現(xiàn)場的沖刷條件相匹配，以便獲得更可靠的結果。實際上，在實驗室中這些實驗均采用水槽試驗，水槽中的水流和野外現(xiàn)場的水流并不完全相同，雖然都造成了沖刷的結果，但沖刷過程并不完全相同。

以往的研究表明，沖刷現(xiàn)象與沖刷參數(shù)之間的關系是復雜的，研究沖刷影響參數(shù)在解決橋墩沖刷問題上有可能取得突破性進展。當這些關系可以通過現(xiàn)場調(diào)查來實際分析時，沖刷深度的估算可以與橋墩沖刷評估同時進行。可將沖刷評估列入規(guī)范，結合沖刷深度的估算來指導工程實踐。

3 橋墩沖刷現(xiàn)場調(diào)查研究

橋墩基礎沖刷對橋梁的破壞是一個復雜的問題。國內(nèi)外研究人員一直在研究現(xiàn)有橋梁的沖刷狀況，并確定是否需要進行沖刷防護。由于沖刷預測方程可能導致與觀測現(xiàn)場值不同的沖刷估算值，橋梁設計人員也應考慮實際現(xiàn)場需要來提供防護措施，例如橋墩和橋臺周圍的拋石。因此，橋墩沖刷現(xiàn)場調(diào)查是非常必要的。

在已有的調(diào)查文獻中，對橋墩周圍水流變化及其對沖刷演變的直接影響進行了廣泛的分類，可根據(jù)橋墩的結構類型、有效墩寬和橋墩周圍水流情況進行細分。也可根據(jù)河床材料性質和尺寸進行細分?？傮w上現(xiàn)場調(diào)查基礎沖刷主要因素有以下幾種：

①行近流速；②水流深度；③橋墩形狀；④橋墩的有效寬度；⑤橋墩基礎結構；⑥河道水流對橋墩的交角；⑦河床材料的尺寸和級配；⑧河床比降；⑨水流漂浮物；⑩河道形態(tài)；?洪水重現(xiàn)期。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查經(jīng)驗，上述參數(shù)可分為三大類，即：

①橋墩臨近水流參數(shù)：水流強度、水深、臨界剪切速度、平均流速、流速分布和河床材料；

②橋墩沖刷現(xiàn)狀參數(shù)：橋墩的尺寸、幾何形狀、間距、數(shù)量和水流交角；

③河床參數(shù)：河床材料、河床植被、橋址河道條件、河床比降。

在實際現(xiàn)場調(diào)查中，針對三大類參數(shù)調(diào)查人員可以通過使用儀器進行測量和目視觀察，將橋墩沖刷的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)化地記錄下來，結合現(xiàn)場調(diào)查拍攝的影像資料，為橋墩沖刷評估提供依據(jù)。

4 橋墩沖刷危險性評價研究

目前對橋墩沖刷評價的研究大體上有三個方面：①從可能導致沖刷危險的影響因素進行分析，通過每個因素可能導致的沖刷程度加深情況進行分析，綜合總結所有因素的影響，對局部沖刷造成的橋墩危害進行危險性評價；②從橋梁現(xiàn)狀出發(fā)，研究橋梁損毀可能導致的后果，建立橋梁損毀指標體系；③基于數(shù)理統(tǒng)計和概率學的研究成果，建立數(shù)學模型進行評價研究。

董海婷[9]在分析橋梁倒塌可能引起的各項損失時，從物質易損性、經(jīng)濟易損性、社會易損性三方面建立局部沖刷災害易損性指標體系。王飛[10]在深入分析影響橋墩局部沖刷因素的基礎上，篩選出主要的因素作為模糊評價指標并進行量化分級，根據(jù)關聯(lián)度方法確定了各指標權重，求得各指標與橋墩局部沖刷災害發(fā)生概率之間的隸屬函數(shù)，建立了局部沖刷風險模糊評價模型。雷大臣[11]分析了河流沖刷場景下，橋墩的失穩(wěn)失效概率，分析了不同的因素對風險概率評估方法的影響，提出了基于統(tǒng)計反演理論的風險評估方法。也有大量的研究人員從橋梁建筑、橋梁壅水與洪水侵橋等方面，定性、定量、全面系統(tǒng)地研究了發(fā)生五十年一遇或百年一遇洪水災害時，大型橋梁防洪影響的評估分析方法。何志虎[12]根據(jù)Fuzzy-AHP法的基本原理，建立了危險性評價模型。熊文[13]發(fā)現(xiàn)利用自振頻率構建的動力指紋對沖刷發(fā)展較為敏感，提出一種基于時頻分析與神經(jīng)網(wǎng)絡的橋梁沖刷動力評估方法，該方法對沖刷深度還是沖刷墩位均具有較高的識別準確度。彭可可[14]通過原型實測研究橋梁所處河道河床演變及橋墩沖刷，研究橋墩極限沖刷坑的深度和范圍，為橋梁的沖刷評估提供了一定的工程依據(jù)。徐學東[15]從橋梁淺基防護的角度，研究了橋渡沖刷評估計算。張英杰[16]從橋墩局部沖刷的機理出發(fā)，提出了基于河床條件分類的橋墩沖刷評估研究。

目前國內(nèi)外的研究人員在已有的研究基礎上不斷地建立新的評價指標模型。使得橋梁評估沖刷的理論研究日漸完善。越來越多的科研人員開始立足于工程實際，從現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的問題出發(fā)，對橋梁在沖刷方面所造成的潛在危險進行橋梁基礎危害性評價。

橋梁基礎沖刷危險性評價含義：從可能導致沖刷危險的影響因素進行分析，通過每個因素可能導致的沖刷程度加深情況進行分析，綜合總結所有因素的影響，對局部沖刷造成的橋墩危害進行危險性評價。

橋梁基礎沖刷的危害評價內(nèi)容：根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的實際情況，分析各個影響因素在橋墩基礎沖刷中的權重，選擇主要影響因素為評價的指標，根據(jù)評估所需精準度的不同，選取不同級別的評估方式進行分析評價。

根據(jù)目前已有的現(xiàn)場調(diào)查的情況來看，大多數(shù)橋墩附近的局部沖刷都較為嚴重，橋墩水下基礎受到水流不同程度的侵蝕，存在不同程度的沖刷水毀的風險?，F(xiàn)場調(diào)查的定性分析判斷無法得出具體的危險性程度。在對橋梁基礎進行危險性評價時需要考慮不同橋梁的現(xiàn)狀情況，以及在未來可能遭到的洪水程度。為了使橋梁的評估研究有更全面的代表性和實用性，需要建立一個指標體系，能正確地區(qū)分橋梁在沖刷水毀方面是否具有危險性，以及危險性的程度。

5 結語

本文系統(tǒng)地闡述了橋墩局部沖刷預測評估研究的現(xiàn)狀，對橋墩局部沖刷現(xiàn)場調(diào)查的主要因素進行了歸納。介紹了橋墩沖刷評價研究已有的研究方向。

目前國內(nèi)外的研究人員為了更深入地研究沖刷過程的機理，開展了大量的室內(nèi)水槽試驗和數(shù)值模擬分析。盡管試驗方案和模型不斷地優(yōu)化，但由于沖刷機理的復雜性和因素的多樣性，試驗分析的結果和工程實際的橋梁沖刷情況往往無法匹配，對此提出以下幾點建議。

①目前對橋墩現(xiàn)場調(diào)查和評價的研究分析，多基于單墩，在實際工程中多是群樁和多排墩，因此對更為復雜橋墩形式進行研究將更具有實際意義；

②在實際工程中，洪水期間橋墩周附近水流是不斷發(fā)生變化的，在一段時間內(nèi)變化水流中對橋墩沖刷的影響評價還需進一步研究；

③在評價指標體系中加入更多的橋梁基礎局部沖刷相關的影響因素，細化指標的評價標準，進一步完善評價體系，更加契合工程實際的使用；

④在對局部沖刷影響因素的分析中，通過現(xiàn)場調(diào)查對更多的影響因素進行耦合分析也是未來的研究趨勢。