桥梁墩台冲刷病害及加固方法的分析

□文/翟钧

桥梁墩台冲刷病害及加固方法的分析

□文/翟钧

冲刷是导致桥梁破坏的主要原因之一。长期的河流冲刷会使桥梁墩台破损，桥梁基础掏空，致使桥梁下部结构的承载力大幅降低，严重情况下会导致墩台的倾斜或桥梁的垮塌。文章综述了河流冲刷对桥梁病害机理及相关理论，结合某桥桥墩的冲刷病害实例，介绍了其采用的冲刷防护加固措施并评估了其加固效果。

冲刷；桥梁；病害；加固

冲刷是造成桥梁破坏的主要原因之一。由于桥梁处于复杂的水环境中，局部泥沙冲刷导致桥墩基础的承载力不足，使桥墩发生倾覆等变形甚至失稳导致桥梁毁坏。墩台的承载力是桥梁稳定性和安全性的重要保证，直接关系到桥梁的安危。大多数桥梁墩台都有不同程度的冲刷现象且冲刷多发生于水下，没有明显的征兆，难以被发现，严重威胁着使用者的安全和桥梁结构安全，冲刷造成的桥梁破损存在高隐蔽性，一旦遭受破坏修复起来成本巨大。

1　河流冲刷机理及相关理论

为连接河道两端的道路，需要设置桥墩于河道中，但由于桥墩的设置改变了路径和河流通水断面，从而导致桥墩受到局部冲刷。我国桥涵水文中将桥梁河流冲刷问题分解为一般冲刷、自然演变冲刷与局部冲刷，冲刷基本形态分类见图1。

图1　河流冲刷形态分类

自然演变冲刷主要是由于超限开采泥沙或者河道输沙不平衡所形成；并非是水工结构建造物导致的冲刷。根据时间尺度将自然演变冲刷可以分为长期型演变冲刷和短期型演变冲刷。长期型演变冲刷指在较长时间区间内，水流对既有河床的冲刷，主要是泥沙的堆积搬运、河川的自然侵烛及长期的河道蜿蜒与摆动对侧向河岸的缓慢侵烛。短期型演变冲刷是指在较短时间区间内，洪水对河床的严重冲刷，主要包括侧流汇入主流时的河道变动、主流和支流汇聚时的冲刷以及洪水在短时间内引起河道剧烈变化的冲刷；局部冲刷主要是因为建置水工结构物后造成的冲刷。水工结构物置于河道中会干扰阻碍水流行进，改变结构物（壤、台）附近局部流场，从而增大了河床剪力，导致河床的局部冲刷。局部冲刷则通常会造成桥梁基础（桥墩和桩基）以及桥台的侵蚀破损，是导致桥梁水毁破坏的主要原因。一般冲刷是指河道收缩断面的冲刷。桥孔上游水流急剧流过桥孔会造成下游断面束缩。当桥孔的有效过水断面面积变小时，水流流速急剧增大，此时冲刷最为强烈。当这段水流继续流向下游后，河道断面恢复到正常状态，水流和泥沙运动渐渐变缓，直到相当远处时恢复到天然状态。当河床面冲刷完毕后，河流的原始设计水位至一般冲刷线的垂直水深即为一般冲刷深度。

墩台局部冲刷影响因素甚多，具体归纳起来，可以分为以下几个方面：

1)流体特征因素，包括流体运行粘度、流体重度、重力加速度；

2)流动特征因素，流速、水流行进深度、水流弗汝德数；

3)河床特征因素，粒径极配、泥沙重度及粒径、土质粘性；

4)壤台特征因素，水流、壤台形状（宽度、长度、形状系数）与桥台夹角。

2　桥梁基础的冲刷防护措施

桥墩局部冲刷的防护工程一直是防止河槽中桥墩失稳、桥墩周围床面冲刷和桥梁水毁的重要措施之一。冲刷防护工程措施按照其防护机理又可分为两类：实体抗冲防护措施，指在桥墩周围的床面上放置一些实体材料，来提高其抗冲刷的能力，从而使桥墩免于被其附近的下降水流及旋涡体系掏底失稳的工程措施；减速不冲防护措施，通过在桥墩前方或周围设置非完全固定式结构物或者通过改变桥墩自身结构，来改变桥墩周围的水流，使水流经过这些防护工程后，直接降低水流速度及动能，从而改变流场及水流剪力，以削弱或抑制水流冲刷能力的工程措施。

近年来研究过的实体抗冲防护工程措施，主要包括混凝土铰链排防护、抛石防护、扩大桥墩基础防护、填充混凝土模袋防护和四脚混凝土块防护等。

3　某桥桥墩冲刷病害的处理实例

某桥建于1978年，其设计荷载为汽-18，拖-80。桥宽净-7+2×0.75 m人行道。本桥上部结构为4片T字梁，跨径为11.4 m，5孔，全长66.6 m，下部结构钻孔采用冲击式打井机冲孔，水下混凝土灌注，河底以上采用木膜灌注。后发现该桥桥墩受到不同程度的冲刷，2#桥墩和3#桥墩均有较为明显的倾斜现象，见图2。

图2　桥墩冲刷

为防止该桥在遇到洪水或超限超重荷载时的倾覆风险，决定利用抛石防护的方法加固2#和3#桥墩，防止其倾斜加剧，进而加大倾覆风险。加固过程中的主要参数：

1）采取抛石护底防护的范围位于2#、3#墩上下游区域以及桥墩周围的区域；

2）抛石防护桥基前缘边滩坡脚，每间隔2m用钢筋石笼作肋加固。防护长度8m，桥轴线上、下游各3m；

3）用块石码砌桥基前缘边滩，码砌厚度0.5 m，面积15m2。

该桥基础采用抛石防护后，经2 a洪期考验，防护效果完全达到预期目的。经实地勘察：

1）除2#墩迎水面有少量沉降（5～10 cm）外，其余均安然无恙；

2）钢筋石笼及抛石防护边滩坡脚原封未动，加固达到了预期目的。

4　结语

近年来，洪水频发对桥墩局部冲刷造成了严重的病害，如何防护成为人们关注的焦点。对于中小跨径桥梁的桥墩冲刷病害，利用抛石防护可以取得较好的加固效果。

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□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.027

□U443.22

□C

□1008-3197（2015）04-68-02

□2015-04-10

□翟均/男，1964年出生，高级工程师，天津市交通运输工程建设服务中心，从事工程项目管理工作。