河道疏浚对桥梁的安全风险评估研究

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

引言

桥梁结构物修筑完成后，在使用期限内常常由于河道断面的改变和流水压力影响而威胁桥梁安全。

一、工程实例背景

(一)工程概况

乐山某桥桥面全宽12m，采用双车道布置，桥梁全长500m。主桥为净跨6×70m的悬链线连拱拱桥。桥墩嵌岩深度均在1.0m左右，且2#、3#、4#、5#、6#桥墩置于疏浚河段内。

(二)工程水文背景

工程终点位于岷江与大渡河汇合口上游约0.5km，上距岷江水文1站109.5km，水文1站位于工程上游，中间无大支流汇入，可作为此次水文分析计算的设计依据站。

二、桥墩冲刷计算

本文以乐山某桥为例，结合现有规范以及先前学者提出的岩石河床冲刷计算经验公式对其进行桥墩冲刷计算，验证公式的可行性，并简要论述桥梁墩台的一般冲刷计算公式的适用范围和不足。

(一)桥墩一般冲刷计算

根据本桥地质情况，按照《公路工程水文勘察设计规范》(JTJ C30-2015)，采用64-2简化式和64-1修正式计算河槽部分一般冲刷。

(二)非粘性土桥墩局部冲刷计算

一般冲刷计算完成后，可按照《公路工程水文勘察设计规范》(JTJ C30-2015)，采用65-2式和65-1修正式计算河槽部分局部冲刷的公式计算各个桥墩位置的局部冲刷。

将64-2简化式与65-2式组合，65-1与修正式与64-1修正式相计算结果相加，得到最大冲刷深度，乐山某桥计算结果参见表1。

表1 一般冲刷与局部冲刷组合统计表

从表中可得由于2#墩埋入砾石层的厚度大于总冲刷厚度，所以2#桥墩无基岩河床冲刷。3#、4#、5#、6#墩都会对红砂岩层有冲刷作用，所以必须对计算流水对岩质河床的冲刷。

(三)岩质河床桥墩局部冲刷计算

根据本工程的实际情况，基岩表层为强风化红砂岩层，钻孔揭露情况显示岩石破碎成片状及块状，在此，将以非粘性土的公式计算流水对桥墩处红砂岩层的局部冲刷，根据《土的工程分类标准》(GB/T 0145-2007)，拟定红砂岩层平均粒径为d=250mm，带入65-2式及65-1修正式计算桥墩局部冲刷深度，计算结果参见表2。

由于取用红砂岩层的平均粒径具有较大的范围，所以对岩石平均粒径的选取是比较重要的。为保证计算结果的可靠性，本次计算选用《岩石河床桥墩局部冲刷计算》中提出的岩石河床局部冲刷经验公式进行验证。

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得到65-2式、65-1修正式以及经验公式计算得到结果参见表3。

表2 基岩层冲刷深度统计表(单位：m)

从表中可得按65-2式计算与经验公式计算结果相接近，从而证明非粘性土桥墩局部冲刷计算对于强风化岩层具有一定的适用性。

三、评估方法

(一)评估内容及思路

评估需对河道疏浚前后的桥梁进行结构分析，分别计算：①疏浚前无冲刷、疏浚后无冲刷；②疏浚前有冲刷、疏浚后有冲刷；③疏浚前水土压力合算、疏浚后水土压力合算3组工况下桥梁结构的应力、位移及稳定系数，若不大于疏浚前桥梁结构响应的5%，则认为该疏浚对桥梁结构的安全影响是可控的；否则需要对桥梁结构进行验算并采取相应的加固措施。

(二)流水压力计算

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)：作用在桥墩上的流水压力标准值可按下式计算：

(7)

在设计洪水位下土体未被冲走时，此时为最有利的情况，将此情况下的流水压力加于各墩上。

在设计洪水位下土体被冲走，此时流水压力计算至一般冲刷线处，再将流水压力加于各墩上。

在设计洪水位下桥墩上游侧土体未被冲走，两侧及下游侧土体被掏空，此时计算至原地面线处的流水压力以及桥墩上游侧的土压力，再将流水压力与土压力同时加于各墩上。

(三)计算结果分析

模型中，将疏浚后的流水压力视为集中荷载，作用于水位线下0.3倍水深处。外部荷载分为疏浚前无冲刷、疏浚后无冲刷、疏浚前有冲刷、疏浚后有冲刷、疏浚前水土压力合算、疏浚后水土压力合算6种情况，分别加载。在3组冲刷情况下，2#墩的应力及位移均有小幅增加，应力最大增量为0.4%，位移最大增量为0.01%，可认为2#桥墩结构安全。

四、结论

在上述计算过程中可以发现，虽然可以证明非粘性土桥墩局部冲刷计算对于强风化岩层具有一定的适用性，但是风化岩层的平均粒径取值有较大偏差，所以目前已有桥墩冲刷计算公式还远远不能满足现实工程的需要。另外从桥墩局部冲刷计算公式中可以看出，平均粒径一直作为公式中一个至关重要的参数，其选取对计算结果有较大影响，而现实工程中则很少确定桥位处河床泥沙的平均粒径，所以造成理论计算与工程实际不相符的情况。

建模计算过程中，由于流水压力相对较小，在进行荷载组合后可能会出现结构响应被掩盖的情况。所以在此基础上，可在单独计算一组流水压力作用下桥梁结构应力差值对比。其次，河道疏浚工程竣工后，应加强对各桥墩冲刷的监测，当发现桥墩周围出现大面积的冲刷且冲刷深度达到覆盖厚度的2/3时，应进进行抛石或混凝土固化等加固处理。