水流冲刷作用下桥梁风险分析

梁芳 江政

摘 要：近年来，桥梁各类风险问题逐渐显现，在桥梁服役期间存在着大量不确定性的风险因素。对此，本文从水流冲刷作用入手，研究桥梁冲刷风险作用机理、冲刷作用下桥梁破坏模式并总结桥梁冲刷风险因素。

关键词：桥梁风险;冲刷作用;破坏模式

2003年桥梁风险事件统计结果表明桥梁破坏模式中洪水灾害占28%，风暴灾害占43%，其他灾害占17%，故而洪水灾害是主要的自然灾害之一[1]。洪水风险因素出现的时间、发生的频率、作用位置均存在很大的不确定性，一旦发生影响道路交通，破坏生态环境，还会带来大量的人员伤亡和经济损失，冲刷作用下桥梁风险研究是十分有必要的。

1.桥梁冲刷作用机理分析

参考我国水文水力的研究，桥梁冲刷主要分为三个部分，分别是：河床自然演变引起的冲刷、桥梁下方河床断面的一般冲刷以及桥墩附近水流发生急剧变化引发的局部冲刷，分别对三部分冲刷变形机理总结如下[2-3]。

（1）河床演变冲刷作用机理

河床演变冲刷作用是河流自然演变的规律反应，是指在未修建跨河流建筑物的条件下自然环境演变引发的河流冲刷作用，主要包括河床纵断面变形情况、河槽横向移动变形、河段深泓线摆动引起的冲刷变形以及河槽随流量变化而发生的周期性变形作用。

（2）橋梁下方的一般冲刷作用机理

修建跨河桥梁后，随着冲刷作用不断发展，过水断面面积又相应增加。这种由于建造桥梁引起桥下水流速度增加的冲刷作用普遍存在，故而称之为一般冲刷作用。一般冲刷作用的冲刷深度取值为一般冲刷深度结束后的设计水位开始计算的最大垂向水流深度。

（3）桥墩处的局部冲刷作用机理

修建桥梁后桥墩对水流存在阻挡作用，在桥墩周围水流发生绕流作用。桥墩局部冲刷作用是复杂的的绕流旋涡冲刷作用， 引起桥墩附近剧烈的泥沙运动，在桥墩周围产生局部冲刷作用。桥墩局部冲刷作用发生一定时间后，冲刷基坑边缘与桥墩坑底的最大高度差即为局部冲刷深度。

分析水流冲刷作用机理，总结桥梁冲刷深度组成要素如图1所示。

2.冲刷作用下桥梁破坏模式分析

现场桥墩受冲刷破坏的情况因不同河段、桥墩位置及保护措施设置有所差异，河道中因设置桥墩而对水流产生局部干扰现象，使水流流场产生变化，进而改变河床泥沙原有的平衡状态，桥墩周围发展出局部冲刷坑，只有当上游进入坑内的泥沙量等于水流搅起并被绕墩水流带走的泥沙量相等时，才达成平衡，此时的冲刷坑深度为局部冲刷深度。虽然桥墩由于类型不同等原因在洪水冲刷作用下具有多种破坏模式，但造成桥墩发生失效的主要原因均为由于洪水冲刷造成基础埋深不足或桥墩（台）基底掏空所致，本研究以此建立极限状态如下：

式中，Rf为基础最大冲刷深度容许值，为进行桥梁基础沉降、抗倾覆及抗滑动设计验算时所得到的最小基础埋深与设计基础埋深的差值;

Sf为桥梁基础最大冲刷深度，为考虑既有桥梁实际基础埋深、水文状况等因素后计算得到的最大冲刷深度理论值。

当Z<0时，认为桥梁基础处于失效状态，在该状态下，桥梁所承担的荷载效应在设计值范围内时，桥墩也将发生滑移或倾斜现象;Z>0时，为安全状态，桥梁所承担荷载效应小于等于设计值时，桥墩变形满足设计要求。对于桥梁基础的风险源辨识的过程即是通过分析找出对Sf产生影响的基本因素的过程。

3.桥梁冲刷风险因素分析

对墩台局部冲刷深度产生影响的因素主要有桥墩墩形、墩宽、河床泥沙类型及平均粒径、河流流量、河道采砂状况、上游水流携沙量、河床宽度、河床泥沙起动流速、河床泥沙始冲流速、桥下水深分布、实际基础埋深。这些影响因素之间的相互关系网络如图4所示

分析逻辑关系图可得，冲刷风险场景的最基本影响因素有桥墩形状、桥墩宽度、河床泥沙类型及平均粒径、上游降水量、上游植被分布状况、河道采砂状况、上游水流携沙量、河床宽度、桥梁实际基础埋深与设计值之间偏差。

4.结论

本文从水流冲刷破坏机理入手研究桥墩极限状态并建立极限状态方程。在桥梁冲刷破坏模式的基础上应用文献调研的研究方法总结桥梁冲刷作用主要风险因素并建立冲刷风险影响因素逻辑关系图，对冲刷作用下桥梁风险研究具有一定意义。

参考文献：

[1]秦年秀，姜彤.2003年重大自然灾害回顾[J].自然灾害学报，2005，14（1）：38.44.

[2]薛明.桥涵水文[M].上海：同济大学出版社，2002.

[3]杨斌，王晓雯，彭凯，等.桥涵水力水文[M].成都：西南交通大学出版社，2004.