尼伯特台风引起桥涵水毁调查及计算分析

■刘碧容

（福建省交通规划设计院，福州350004）

尼伯特台风引起桥涵水毁调查及计算分析

■刘碧容

（福建省交通规划设计院，福州350004）

通过对福州部分地区遭受尼伯特台风所造成的特大桥涵水毁灾害调查，分析了其桥涵水毁破坏的主要类型及其毁损的原因，计算表明：洪灾造成的水毁桥涵中绝大部分由于洪水冲刷造成，且损失非常严重；应重视本次水毁桥梁中占多数的中、小桥的防洪设计，严格按照现行设计规范的要求设置基础埋置深度；桥梁防洪设计中，应将盖梁挡块作为桥梁抗洪结构受力构件进行设计；对于f2/B＞6.5石拱桥防洪设计，应将主拱圈结构抗洪水冲击作用的承载力验算作为必要条件。

桥涵水毁成因冲刷设计

1 概述

2016年7月9日，受强台风“尼伯特”影响，福州闽清和永泰等地区普降百年不遇的特大暴雨。本次强台风雨量大，历时短（相当部分区域3小时降水量超200mm），强降水多位于梅溪和大樟溪河谷，造成溪水水位暴涨，洪峰水位均超历史记录。洪灾造成两县流域内大量公路和桥涵冲毁，损失巨大，尤其是作为公路关键节点的桥涵大量因水毁遭严重破坏，导致灾区无法及时开展救灾工作。因此有必要对本次水毁桥涵进行调查分析，并提出相应的桥涵防洪设计防治措施。

2 桥涵水毁情况调查

为完整、准确掌握台风“尼伯特”造成强降雨对闽清和永泰地区桥涵的水毁情况，共调查了76座水毁桥涵（包含了两县区一定规模以上的水毁桥涵的大部分）。所调查的水毁桥涵中闽清县占53座，永泰县占23座，桥涵冲毁类型具体分布见表1。

表1 桥涵冲毁类型调查表

由表1可见，本次水毁桥涵所调查桥涵中，绝大部分是由于洪水大幅抬高河流水位，洪水漫过桥面，流速加快造成洪水冲刷墩、台、拱上建筑、桥头引道路堤、锥坡等构造物；另外巨大的山洪使水流冲击上部结构以及漂浮物撞击也是两个毁伤桥涵的重要因素。

本次所调查水毁桥涵中，损毁程度的具体情况详见表2。由表2可见，在本次水毁桥涵中，完全冲毁和严重冲毁两项合计占48.7%，表明桥涵水毁损失非常严重，且近半数桥涵损毁无法通过加固修复实现通车运营。

表2 桥涵损毁程度表

在调查的所有水毁桥涵中，按桥梁类型分析：拱桥45座（占59.2%）、实心板桥25座（占32.9%）、空心板桥5座（占6.6%）、T梁桥1座（占1.3%）；按水毁桥涵的桥梁规模分析：大桥有2座（占2.6%）、中桥有31座（占40.8%）、小桥有37座（占48.7%）、涵洞有6座（占7.9%）；按水毁桥涵的桥梁跨径分析：20m以上17座（占22.4%）、10～20m有20座（占26.3%）、5～10m有30座（占39.5%）、小于5m有9座（占11.8%）；按所在公路的路线等级分析：三级以上公路6座（占7.9%）、四级公路有32座（占42.1%）、乡村道路有38座（占50%）。由此可见，本次洪灾造成的水毁桥涵以中、小桥为主；由于重灾区位于山区河流谷地，而山区地质条件相对较好，拱桥及浅基础的梁桥等对基础要求高，容易就地取材的桥梁占比较大，且这些桥梁多位于低等级公路上。对于调查的结果，本文专门针对中、小跨径桥梁中常见桥梁类型的防洪设计问题进行分析讨论。

3 桥涵防冲刷设计

根据调查，本次洪灾占81.6%桥涵水毁均为受冲刷破坏，为此本文有针对性地分别选取3座有代表性的桥梁，对其桥墩和桥台基础冲刷深度进行计算分析。

3.1 桥墩冲刷深度

以溪滨桥、前峰桥和过垅桥为例对桥墩冲刷深度进行计算分析，其中溪滨桥和前峰桥分别位于梅溪的主河道和支流上，过垅桥位于大樟溪支流上，三者洪水重现期均按100年。

桥墩一般冲刷计算公式为（64-2简化式）[1][2]：

桥墩局部冲刷计算公式为（62-5式）[1][2]：

上述公式中参数含义详见文献[1]、[2]。具体计算结果见表3：

表3 桥墩冲刷计算结果

由表3可见，如按百年一遇的标准设计现有桥梁，一般情况下在本次百年不遇的洪灾中仍可保持完好，其余多座桥梁的计算与现状结果对比大致相同。

3.2 桥台冲刷深度

以溪滨桥、溪源桥和过垅桥为例对桥台冲刷深度进行计算分析，其中溪源桥位于梅溪的支流上，溪滨桥和过垅桥的介绍见前文，三者洪水重现期均按100年。

桥台最大冲刷深度计算公式为[1][2]：

公式中要求(hp/d¯≤500)时，各参数含义详见文献[1]、 [2]。具体计算结果见表4：

表4 桥台冲刷计算结果

由表4可见，按现行规范[1]设计桥台的基础埋深时，可以满足防洪冲刷的需要，这与前文桥墩的计算结果相一致。因此，桥墩与桥台的冲刷对比计算均表明，山区公路桥涵实际防洪设计中切忌认为是中、小桥涵，且位于低等级公路上重要性不大就采用主观判断的方式设计桥涵的基础埋置深度，而应严格按照现行设计规范[1]计算基础埋置深度。

另一方面，计算表明桥台冲刷深度的影响因素中，桥台的阻水长度的影响非常大，如溪源桥由于桥台及其接线路堤伸入河道长达10m，压缩河道较多，桥台及台后路堤严重冲刷，又由于路堤基础埋置较浅，造成台后路堤全幅冲毁（与计算结果一致）。与此形成鲜明对比的是，过垅桥虽然其桥墩受冲刷而破坏（计算冲刷深度达3.40m，基础埋置深度不足），桥台在洪灾中却完好无损，主要原因是该桥位附近河道均进行了渠化，桥台前缘与导流堤平齐的缘故，使得桥台计算冲刷深度仅仅为1.62m，在洪灾中桥台完好。因此，在进行桥台防洪设计时，应特别重视河道调治构造物的配合设计，发挥其对防止和减小桥台及台后路堤冲刷的巨大作用。

4 主梁结构抗洪水冲击计算分析

本次调查的水毁桥洪水均漫过桥面，其中有3座（空心）板桥被洪水冲击后上部主梁漂走或位移毁伤结构，1座拱桥被洪水冲击后拱圈及拱上建筑垮塌，为此有必要对桥梁在洪水漫过桥面时洪水冲击力作用下的受力状况进行计算分析。本文针对本次调查的常见水毁桥梁类型，分别取3座不同类型桥梁进行受力计算分析。

4.1 空心板桥桥例

溪滨桥，3×16 m预应力空心板结构，桥宽B=12.0m，本次洪灾中空心板受洪水冲击发生挪动，撞击盖梁挡块，使挡块发生剪切破坏。

洪水冲击水平力计算采用的公式为[3]：

式中：平均流速v=2.7m/s，主梁阻水面高度（考虑人行道两侧高度）t=1.5m，当量粗糙度ε=0.015m[4]。

经计算得：F=196.25kN。考虑洪水水流的脉动及其他影响因素的修正后，得单跨空心板受到的洪水冲击水平力为P=274.8kN。按空心板与支座间的摩擦系数μ=0.4，计算得漫水时在重力和浮力共同作用下，板底支座摩阻力为246.02kN，小于洪水冲击力。可见，该桥上部空心板梁易发生横向漂移。如考虑到洪水波动产生的瞬时上托力可达静水浮力的0.6倍[3]，则本桥主梁已完全托起，只有盖梁挡块抵抗洪水冲击水平力。本桥挡块设计为：C30，厚28cm，配12根Φ22mm钢筋，经验算其抗剪承载力不足。实际本桥在这次洪灾中其下游侧防震挡块完全剪切破坏。

由本例计算表明，考虑到洪水冲击力对盖梁挡块的巨大剪切破坏作用，应将盖梁挡块作为结构受力构件进行设计，而不是仅仅作为构造设计，设计中应对挡块在洪水冲击力作用下的抗弯、剪承载力进行验算。另外，对于此类桥梁，可通过设置柔性拉力结构防止洪水冲击主梁，该结构平时不影响支座的承压及主梁的变形，当受水淹桥冲击桥梁时，拉力结构向下拉主梁，使主梁不致脱空滑移或漂走。本文在桥梁设计中设计了一种具有防洪功能的空心板桥防震锚栓结构，实际效果较好（如图1）。

图1 有防洪功能的空心板桥防震锚栓结构

4.2 T梁桥桥例

攸太桥，3×25 m预应力T梁桥，桥宽B=15.0m，本次洪灾中主梁未发生位移及毁损，仅栏杆全毁。

洪水冲击水平力计算公式同4.1节，公式中：平均流速v=2.7m/s，主梁阻水面高度（考虑人行道两侧高度）t+ 2t1=2.82m，当量粗糙度ε=0.015m。

经计算得：F=562.74kN。考虑洪水水流的脉动及其他影响因素的修正后，得单跨T梁受到的洪水冲击水平力为P=787.83kN。按T梁与支座间的摩擦系数μ=0.4，计算得漫水时在重力和浮力共同作用下，梁底支座摩阻力为915.6kN，大于洪水冲击力。可见该桥上部T梁相对空心板桥而言具有更大的抗滑移能力，因此本次洪灾中该桥T梁在漫水时不发生横向滑移。但计算也发现，其抗滑安全系数不大，如考虑洪水波动产生的瞬间上托力（与浪高关系密切），主梁也容易发横向滑移。此时，如由盖梁防震挡块（C30，厚30cm）完全承担洪水冲击产生的水平力，验算发现该挡块也将发生剪切破坏。

由本例分析结果，建议该类型桥梁也参照前文，将盖梁的防震挡块作为受力构件进行设计。如挡块受力要求的尺寸较大时，也可在靠近支座处的背水一侧的梁底及盖梁分别设置横向剪力挡块，平时两者不接触，当梁体受洪水冲击力作用时发挥抗剪作用，也有利于结构的抗震作用；或者将T梁的腹板下缘预埋钢筋环与盖梁上的预埋件相连，形成支座的柔性拉力结构。

4.3 拱桥桥例

鹿角桥，9孔净跨6.4m石拱桥，桥宽B=6.6m，本次洪灾中，桥孔被漂流物严重堵塞，桥跨结构完好。

洪水冲击产生的单位面积水平力（忽略数值较小的结构面对水流切向的粘滞阻力）计算公式为：F1=2.1×ρ·v2/2，公式中：平均流速v=2.92m/s，计算主梁阻水面高度时按拱圈及拱上建筑高度外加漂流物堵塞加高2.0m。

经计算其水平力荷载集度为F1=9.85kN/m2，将该面荷载施加在拱结构上，经有限元计算（计算受力模式如图2）得：拱脚横向弯矩Mj=268.4kN·m，拱脚轴力Nj=533.16 kN。

图2 洪水冲击水平力作用下的拱桥受力示意图

按现行圬工桥涵规范[5]，计算得其拱脚截面的横向抗弯承载力为24530kN·m。可见，本桥主拱圈的横向抗弯能力远大于洪水冲击造成的拱脚横向弯矩。因此，在本次洪灾中本桥即使过洪面积严重缩减，主拱结构依然完好。

对本次所调查的其他中、小跨径石拱桥进行计算分析后，发现其普遍具有较强的抵抗洪水水平冲击力产生的横向弯矩的能力，计算表明，仅对于结构自身来讲，洪水冲击力产生的拱脚横向弯矩主要与矢高f和承受洪水压力的面积有关，而影响拱脚截面的抗弯承载力的主要因素是桥宽。根据文献[5]对圬工截面偏心距的限制，并忽略次要因素后可推导出当结构满足f2/B≤7.3时，一般情况下对于主拱圈结构在验算洪水冲击作用下的横向承载能力时均满足圬工规范要求。因此保守建议：工程设计中对于f2/B＞6.5的石拱桥结构，应验算主拱圈结构抗洪水冲击作用的承载力。本次调查的水毁桥结果也表明，虽然拱桥占45座（占59.2%），其中仅茶口大桥一座主拱圈被洪水冲击力损毁（该桥f2/B=17.64，计算发现在巨大的洪水冲击力作用下其主拱圈的横向抗弯承载力不足），其余全部是由于洪水冲刷下切河床，使得墩、台基础掏空从而倾斜、沉降而垮塌破坏，或者由于洪水对拱上建筑圬工结构的砌缝冲陶，使砂浆掏空脱落而破坏。因此也建议：圬工拱桥迎洪面采用注浆等方式加强石块间的粘结，尤其是采用干砌的石拱桥；对新建拱桥桥型上宜尽量选择空腹式拱桥，以减小洪水冲击的水平力；对于墩台基础较浅的应加固基础，对于侵入河道较多的路堤式桥台应修建调治构造物来保护桥台及路堤免受冲刷。

5 其他

5.1 净跨径的选择

本次调查水毁桥涵中，跨径小于10m并位于主河道上的桥涵有36座，占比47.4%。而调查中发现这些中、小跨径桥涵中相当部分都由于桥跨设计过小，过多压缩河床断面致使过水面积不足，泄洪不畅，洪水流速急增，加剧了桥梁墩台，锥坡基础及引道的冲刷损毁。调查中还发现，溪流两边的河滩上遍种毛竹，使得本次洪灾中的洪水漂流物物中具有大量毛竹，而毛竹互相交叉横在桥孔及桥墩中，阻截大量芦苇等细长的漂流物，致使中小桥的桥孔泄洪面积非常小，大大加剧了洪水冲刷下切河床损毁桥梁的程度。鉴于该地区的毛竹长度多为5～10m，因此建议主河道桥孔净跨径均应大等于12m，且不宜在两岸河滩中种植毛竹等易遭洪水冲刷的高大作物。

5.2 栏杆设计

本次洪灾所调查的水毁桥涵，均遭洪水淹没，洪水对栏杆均有不同程度毁损，且大部分完全冲毁，而目前对于漫水桥栏杆的设计研究几乎没有，有必要对此进行计算分析。采用4.1节洪水冲击水平力计算公式计算栏杆所受到的水平力（假设栏杆平面完全为漂流物阻塞），其中栏杆高按照1.2m，洪水流速v=2.70m/s，栏杆柱间距按3 m，计算得栏杆柱中点位置所受水平力为38.58kN，柱脚弯矩23.15kN·m。而按现行桥涵设计通用规范[6]规定立柱顶水平推力取0.75 kN/m，计算得柱脚弯矩仅2.70kN·m，显然远小于洪水冲击力造成的柱脚弯矩。现有常用的钢筋混凝土栏杆和钢栏杆按照该洪水冲击水平力产生的内力值进行验算，均无法满足规范要求。因此，建议栏杆防洪设计一般情况下不必考虑具有承受洪水冲击力的承载力而作特殊设计，这样当栏杆在洪水水平力作用下破坏时，也有利于减少主梁承受洪水冲击的承压面积，大幅降低主梁所受洪水冲击力而毁伤主梁结构的风险。在桥梁栏杆防洪设计的选型方面，考虑到钢栏杆在受弯变形时具有更好的延性，且通透性较好，阻水面积小的优点，宜优先考虑钢栏杆。至于人行道部分，考虑其阻水面积不大，建议防洪设计中加强其与主梁间结构联系，以达到承受洪水冲击作用时不破坏，也有利于尽快修复桥梁。

6 结语

通过对福州部分地区遭受尼伯特台风所造成的特大桥涵水毁灾害调查及其计算分析表明：本次洪灾中，水毁桥涵绝大部分由于洪水冲刷造成的，且桥涵水毁损失非常严重，近半数桥涵损毁无法通过加固修复再次使用；本次洪灾造成的水毁桥涵以中、小桥为主，且拱桥及浅基础的梁桥等占比较大，因此应重视于中、小桥的防洪设计，严格按照现行设计规范的要求设置基础埋置深度；在进行桥台防洪设计时，应特别重视河道调治构造物的配合设计，发挥其对防止和减小桥台及台后路堤冲刷的巨大作用；（空心）板桥和T梁桥在洪水冲击水平力作用下均较易发生横向漂移，应将盖梁挡块作为桥梁抗洪结构受力构件进行设计，且宜在此类桥梁中设置柔性拉力结构和横向剪力挡块等防洪水冲击主梁的设施；对石拱桥的防洪设计，当f2/B＞6.5时应验算主拱圈结构抗洪水冲击作用的承载力，且应采用注浆等方式加固石拱桥迎洪面；在主河道的桥梁防洪设计中桥孔净跨径选择上建议应大等于12m；桥梁栏杆的防洪设计一般情况下按照桥涵通用规范一般规定执行即可，不必考虑具有承受洪水冲击力的能力而作特殊设计，也有利于大幅降低主梁所受洪水冲击力。

[1]JTG C30-2015，公路工程水文勘测设计规范[S].

[2]高东光，王亚玲.桥涵水文[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]肖盛燮，凌天清，陈世民，等.公路与桥梁抗洪分析[M].北京：人民交通出版社，1999.

[4]叶镇国，彭文波.水力学与桥涵水文[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]JTG D61-2005，公路圬工桥涵设计规范[S].

[6]JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].