黏性土河床桥渡冲刷计算方法分析

2018-06-28李保龙孟军涛杨维一张佰战

铁道建筑 2018年6期

李保龙，孟军涛，杨维一，张佰战

(1.朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

黏性土是以粒径小于0.075 mm的土粒为主体的细粒土,随含水率变化可处于固态、半固态、可塑状态和流塑状态[1-2]。黏性土根据塑性指数IP分为粉质黏土和黏土,1017的为黏土[3]。

黏性土的抗冲刷能力主要来自其黏结性，它涉及到土力学、水力学、电化学等多种学科，再加上其不均匀性和化学不稳定性，问题十分复杂。因此，黏性土冲刷的模拟尚无成熟的方法，很难通过水工模型试验对其进行深入观察和试验研究，一般通过对黏性土河床的桥渡冲刷调查和测量资料来研究。现有计算公式大多也是依据调查资料结合理论分析而建立的。

本文根据朔黄铁路183号潴龙河特大桥相关资料，采用铁路、公路中常用公式及其他经验公式进行冲刷计算，对计算结果进行对比分析，并结合桥梁冲刷实际情况探讨计算结果的合理性和可靠性。

1 黏性土冲刷机理

黏性土的一般冲刷过程大致可分为以下3类[4]：

1)黏性大且均匀的土。这类土难以冲刷，抗冲流速相对较大。在长时间大流速作用下，其破坏一般都是从土的节理和裂隙面的不连续处开始，破坏时成小片状或小块状，被水流带走。

2)黏性较小且均匀的土。如均匀的黏砂土、砂黏土和淤泥。这种土抗冲性能差，冲刷发展速度快，能在较短时间内冲得很深，冲出的土粒较细小，且较均匀。

3)不均匀的黏性土。如黏性土中夹有卵砾石、砂或其他杂质等。这类土的冲刷过程最为复杂：随着流速的增大，原本光滑平整的土体表面，有少量的侵蚀，出现小麻点，且不均匀分布，被冲走的土呈细小薄片或小团粒；流速继续增大，小麻点变大、数量增多，并逐渐连片加深，通常连片的速度比加深的速度要快。在某些薄弱处，逐渐形成明显的坑和凹槽。较长时间的冲蚀或流速增大，坑和凹槽连通合并形成拉沟现象。沟两侧不宜冲动的高埂和凸块对易受冲刷的沟和凹槽起到掩避作用，减缓较薄弱处的冲蚀；如流速再次增大到超过埂、块的抗冲强度，这时将形成全面的大块的破坏性变形，冲刷深度明显地增加，河床下降；冲刷深度增加，流速相应减小，当减小到开始出现拉沟时的流速，土块将不再被大量冲蚀而冲刷接近停止。

2 黏性土冲刷计算公式

2.1 铁路行业计算公式

铁路行业在20世纪70年代，由铁科院组织6个单位成立黏土桥渡冲刷研究小组，在全国范围内调查了115座铁路桥，从中整理出桥梁孔跨长度、水文、地质、冲刷等资料齐全的桥梁40座。通过分析发现，黏性土的液性指数IL与抗冲能力之间有较好的相关性。黏性土细颗粒表面电荷的吸附作用，失去自由活动能力的束缚水是产生黏结性的重要原因，而土的塑性指数IP愈大，黏粒含量愈多，黏结性愈大，抗冲能力也愈强。天然含水率超过塑限含水量ωP愈多，土的可流动性愈大，抗冲能力愈弱[5]。据此建立了黏性土河床冲刷计算公式，即现行的《铁路桥梁检定规范》[6]中给出的黏性土河床一般冲刷和局部冲刷公式。

2.1.1 黏性土河床的桥下一般冲刷

1)河槽部分

(1)

(2)

2)河滩部分

(3)

式中:Bt为桥下河滩部分桥孔过水净宽；hmt为桥下河滩最大水深;Qt为桥下河滩部分通过的检定流量，计算式为

(4)

2.1.2 黏性土河床桥墩局部冲刷

当hp/B1≥2.5时

(5)

当hp/B1<2.5时

(6)

式中:Kξ为墩型系数，查现行规范附录得到；B1为桥墩计算宽度；v为桥渡一般冲刷后墩前行近流速；IL的范围为0.16～1.48。

2.2 公路行业计算公式

公路行业分别根据输沙平衡原理和冲刷深度与行进流速之间关系建立了沙性土河槽一般冲刷和平均粒径不小于0.064 mm的黏性土河床桥墩局部冲刷公式[7]。其形式为

2.3 黏着力法计算公式

卢金利[8]认为在冲刷过程中，流速降低到水流所具有的剪力和河床中黏性土的抗剪力相等时，床面冲刷即停止。桥墩对行进水流产生的绕流阻力等于局部冲刷坑内黏性土的黏着力时，局部冲刷坑的宽度和深度不再发展，达到平衡。据此提出了黏性土冲刷计算公式，其形式为

3 算例

朔黄铁路183号潴龙河特大桥上部结构为44×32 m预应力混凝土T形梁，桥梁全长 1 451.7 m。采用预应力混凝土管桩基础，桥墩为圆端型，墩宽1.2 m，墩长3.4 m。百年一遇检定流量为 9 945 m3/s，检定水位为23.25 m。主河槽河床土为软塑状粉质黏土，平均粒径0.38 mm，液性指数为0.66。滩地河床土为坚硬状粉质黏土，平均粒径0.12 mm[9-10]。

3.1 计算结果

1)按黏性土采用不同公式计算结果见表1。

表1 黏性土不同冲刷公式计算结果

从表1可以看出，采用黏着力法公式计算的冲刷深度大于采用公路和铁路行业黏性土公式的计算值，公路行业公式计算的冲刷深度偏小。

2)分别按黏性土公式和非黏性土公式计算，结果见表2。

表2 黏性土和非黏性土公式计算结果

从表2可以看出，无论是主槽还是滩地，采用非黏性土公式计算的总冲刷深度大于采用黏性土公式的计算值。

3.2 计算结果分析

根据2017年实测的桥下断面地形，主槽最低河床高程为14.86 m，较竣工时河床下切1.8 m左右，已接近采用黏性土公式计算的局部冲刷后床面高程。而潴龙河特大桥建成至今，尚未发生较大洪水，仅在汛期上游水库泄流时河道有小股水流，且流量远远小于检定流量，但桥下河槽就已经产生了接近2 m的冲刷深度，表明采用黏性土公式计算的冲刷深度偏小。通过计算分析，可得到以下几点认识：

1)塑性指数介于7～10之间时，建立公式时定义为砂黏土或黏砂土[11]，仍属于黏性土河床，但是现行规范归属于粉土，选取不同的计算公式会得到不同的结果。黏性土计算冲刷深度经验公式是根据调研收集到的40座桥的齐全资料而建立起来的，其中塑性指数介于7～10之间的河床资料稀少，利用黏性土冲刷公式计算这类土得到的结果不一定合理。

2)桥梁冲刷检算时，黏性土[12]的液性指数通过现场桥取样后由土工试验测得。而液性指数与塑性指数、天然含水率有很大关系。对于同一类黏性土，其塑性指数是常数，但试验时产生的误差较大，且不同时期、地点和深度取得的黏性土天然含水率也有较大差异，据此试验得到的黏性土液性指数可能会不准确，从而影响冲刷深度计算结果，导致冲刷深度与实际冲刷情况不符，有时液性指数还可能超出计算公式的适用范围，出现无法计算的情况。

3)黏着力法公式需要土的黏着力和内摩擦角，这些参数的准确性得不到保证。公路行业黏性土公式则对平均粒径有要求。这两种黏性土公式的应用存在一定的局限性。而铁路行业黏性公式采用较易获得的液性指数进行计算，使用较为方便，但受液性指数本身精度的影响，有时难以保证其计算结果的合理性。

4)结合实测河床地形情况及水文资料分析验证，本桥采用非黏性土公式计算的冲刷深度更为合理。