山区农村公路桥梁墩台的病害分析与冲刷防护加固设计

刘 飞

(沈阳市公路规划设计院有限公司，辽宁 沈阳 110168)

1 桥梁墩台冲刷理论概述

为对河段两端的道路进行连接，需要在河道中设置桥墩，不过因为桥墩的布设，会造成河流通水断面、路径的变化，最终会冲刷桥墩的局部。根据我国桥涵水文，桥梁河流冲刷问题大致可以划分为三种类型，即：局部冲刷、自然演变冲刷、一般冲刷。其中，局部冲刷，就是指由于在对水工结构物进行构建以后所造成的冲刷。在河道中放置水工结构物，便会对水流的行进造成影响，水工结构物附近局部流场会发生变化，进而加大了河床剪力，最终河床会出现局部冲刷现象。局部冲刷经常会侵蚀破损桥台、桥梁基础，出现桥梁水毁破坏现象。桥梁墩台局部冲刷存在很多影响因素，大致可以划分为以下几大方面，即：流体特征因素、河床特征因素、桥台特征因素等。自然演变冲刷，就是因为河道输沙不平衡或者超限开采泥沙所形成的一种现象。根据时间尺度，自然演变冲刷，大致可以划分为两种类型，即短期型演变冲刷、长期演变冲刷。所谓短期演变冲刷，就是指在较短时间区间中，洪水严重冲刷河床，如河道在洪水较短时间中的影响作用下遭受剧烈变化的冲刷、支流与主流相汇时的冲刷、测流向主流汇入时河道发生变动等。所谓长期演变冲刷，就是指在比较长的时间区间中，既有河床遭受水流的冲刷，主要体现为河道在长时间中的摆动、蜿蜒对侧向河道造成慢速侵蚀，河川的自然侵烛、泥沙的堆积搬运等。一般冲刷，就是指河道收缩断面的冲刷。桥孔上游水从桥孔快速流过导致桥孔下断面出现束缩现象。如果桥孔有效过水断面面积突然变小，便会快速提高水流的流速，在这种情况下会出现最为剧烈的冲刷。当以上水流下桥孔下游继续流以后，河道断面便会随之逐渐恢复至正常状态，泥沙运动和水流运动会慢慢变缓，直至非常远距离处时会恢复自然状态。一般冲刷深度，就是指当河床面冲刷结束以后，一般冲刷和河流原始设计水位之间的垂直水深。

2 案例分析

2.1 桥梁墩台扩大基础产生的病害及其形成原因

水流冲刷对桥梁墩台扩大基础造成的病害。

(1)某一山区农村公路桥梁(中桥)，下部为扩大基础、片石混凝土U型桥台，上部为1～20 m预应力混凝土空心板梁。在遭受洪水严重冲刷以后，桥梁上游翼墙掏底悬空，桥台即底部局部出现掉空现象，存在非常大的安全隐患。不过桥台台身和桥台基础并没有产生较大位移、开裂等现象。

(2)某一山区农村公路桥梁(漫水桥)，下部为扩大基础、实体墩台，上部为5跨6 m实心板。在历经数多次洪水以后，该桥梁墩台扩大基础冲刷非常严重，降低河床的标高、桥梁基础裸露、乱石与水流已经磨圆一些桥梁基础，桥梁基础一些部位被掏底，存在非常大的安全隐患。

(3)某一山区农村公路桥梁，在水流冲刷作用下，墩台扩大基础出现破损、基底悬空、基础裸露等现象。

2.2 病害的形成原因

(1)一般情况下，山区河流的河谷都是比较狭窄的，水位下降、上升的幅度比较大；山区河流洪水经常暴落暴涨，尤其是在暴雨集中地区，在下过雨以后，河道便会恢复至低水细流状态；一般情况下，山区河流的河床比降都是比较大的，只要出现洪水，河流在洪水期间的流速非常快，便会向下游输送河流泥沙，河床标高极易出现非常大的降低，桥梁墩台基础在河流冲刷作用下而出现裸露、破损、悬空等现象。

(2)通过对设计、施工进行深入分析后，不难发现，以上桥梁墩台病害形成的一大重要原因就是桥梁墩台基础埋深不足。在设计过程中，有可能缺乏具有代表性的现场调查资料、河流水文资料，实际指标与拟定计算指标二者之间存在较大偏差等，没有正确计算出最大冲刷深度，造成设计桥梁墩台扩大基础埋深不足。在施工过程中，基底承载力达到设计要求，并以此为条件，因不想因对基坑开挖深度加深而提高措施费用、施工难度等，造成墩台扩大基础埋置深度不足。

3 山区农村公路桥梁墩台的冲刷防护加固设计

3.1 墩台冲刷计算与桥梁墩台的基础埋深

(1)根据相关实际情况，包括河床地质、泥沙与水文特征、河段特性、地区特点等，在进行墩台冲刷计算时，应通过运用调查资料、实测进行验证，以选取出合理的计算结果。在计算墩台基础冲刷深度时，应考虑局部冲刷、一般冲刷、自然演变冲刷。同时在设计基础埋深时，应将墩台基础冲刷深度作为重要的设计依据。

(2)当选用河床进行铺砌加固时，应在铺砌层顶面以下大于1 m位置处设置基础底面。

3.2 冲刷防护加固设计

(1)根据以上案例中因墩台基础埋置较浅导致的墩台病害，宜选用的处置对策为清理河床、回填找平以后铺砌河床，其中河床铺砌共划分为3大部分，即下游过渡区、桥下通过区、上游过渡区。在下游终点和上游起点均应分布布设栽水墙，以避免下游终点冲刷掏底、上游起点水流下切。根据河床地基土的坚实程度、河流冲刷程度等，应选用合适的铺砌材料。同时底面层材料宜选用片石混凝土。

(2)因漫水桥的上部连续实心板与墩台身均为出现结构性损伤病害，尽管基础出现掏底、边角磨圆等病害，不过地基还是较坚实的，为确保桥梁整体结构的安全性，宜选用河床底加固方式。

(3)中桥上部空心板梁和台身未出现结构性损坏病害，除了0#桥台基底部分悬空以外，其他基底部分都是比较坚实的，在基岩上设有1#桥台基础，基岩呈裸露状态，桥梁整体结构还是安全的。因为桥位处的上游河床比降偏大，水流速度在洪水期偏快，洪水具有极强的破坏力，宜选用加大基底埋深和栽水墙结构尺寸、增加上游过渡区和下游过渡区的长度等处理方法。其中，该中桥主要病害的病害处置方法，如表1所示。

(4)对于桥梁基础冲刷预防性加固设计、新建山区农村公路中小型桥梁，也可以选用河床铺地防护措施。在对河床铺地进行设置之前，一定要保证墩台基础基底承载力满足设计要求、铺底标高满足设计行洪要求。在新建桥梁中选用河床铺底方法，能够促使桥梁整体结构变得更为安全、耐久，能够对基础出现病害时间进行延缓，选用这种方法却会加大工程的施工成本，不过从桥梁使用寿命角度来说，这种方法还是属于可靠、经济可行的一种方法。

4 小 结

在实体工程应用中，针对桥梁基础病害的形成原因进行正确分析与判断，对比论证，因地制宜，采用经济可靠、合理的防护措施才能够有效发挥桥梁的整体功能。