桥梁防洪评价中黏性土河床冲刷问题探讨

王圆圆，李 飞，王 伟

（水发规划设计有限公司，山东 济南 250100）

在铁路桥梁建设中，为保障河道行洪安全以及桥梁的安全运行，跨河桥梁作为河道管理范围内的建设项目必须进行防洪影响评价。防洪影响评价主要是评价桥梁建设对河道行洪能力的影响以及河道水流对桥梁安全的影响。桥梁桥墩的建设，侵占了部分河道，缩窄了河道的过水断面，造成桥孔对水流的挤压，当发生洪水时使得桥下流速加大，加剧了河床的冲刷，而且桥墩周围产生绕流，流速、流向急剧变化，引起漩涡和折冲水流及较大的床面切力，随着时间的推移，会形成局部冲刷坑，冲刷坑的发展威胁着桥梁的安全和稳定。因此对河床冲刷的研究十分重要。本文以工程实例中桥梁跨越黏性土河床一般冲刷计算为例，并假定3组河床黏性土土样进行探讨。

1 桥址处水文计算

现以李黄崖潮河特大桥和汇河大桥桥址计算为例，进行冲刷计算分析。其中100年一遇的设计洪峰流量可根据山东省山丘、平原混合区小汇水面积洪峰流量公式计算。经计算李黄崖潮河特大桥跨甜水河桥址处100年一遇设计洪峰流量为563.3 m3/s。汇河大桥跨汇河桥址处100年一遇流量为1 892.3 m3/s。

桥址水位一般情况下桥梁跨越河流处缺乏系统的水面线推求成果，桥梁跨越处河段水位采用河道形态断面法估算。经计算，李黄崖潮河特大桥跨甜水河桥址处水位为11.31 m，平均流速为2.7 m/s。汇河大桥跨汇河桥址处水位为67.79 m，平均流速为2.15 m/s。

2 一般冲刷计算方法

2.1 地质情况

为研究不同黏性土质河床，本文采用洪大林《黏性原状土冲刷特性研究》[1]一文中从中运河等河道内采取的黏性土样的试验参数（见表1）。

表1 黏性土土样物理参数表

2.2 冲刷计算

墩台冲刷应包括河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷3部分，本文主要研究黏性土河床的一般冲刷问题。

1）根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2015）[2]黏性土河床一般冲刷，应分为河槽、河滩两部分进行计算，本文主要研究黏性土河槽冲刷。黏性土河床河槽部分一般冲刷采用如下公式：

式中：hp是桥下一般冲刷后的最大水深，m；Ad为单宽流量集中系数，Ad=1.0～1.2；Q2为桥下河槽部分通过的设计流量，m3/s；μ为桥墩水流侧向压缩系数；Bcj为河槽部分桥孔过水净宽，m；hcm为桥下河槽部分最大水深，m；hcq为桥下河槽部分平均水深，m；IL为冲刷坑范围内黏性土液性指数，适用范围为0.16～1.19。

2）铁道部第四勘测设计院的朱炳祥在《黏性土桥渡冲刷计算》[3]一文中假定垂线平均流速降低到该垂线的冲止流速时冲刷即停止，并根据调查资料与部分试验观察总结出黏性土桥渡的冲止流速经验公式进而推得黏性土河槽的一般冲刷深度计算公式为：

式中：各符号意义同前。

3）铁道部第四勘测设计院的卢金利在《黏性土河床桥渡冲刷计算》[4]一文中认为桥下水流平均流速在冲刷发展过程中逐渐降低，直至流速降低到水流所具有的剪切力和河床中黏性土的抗剪力相等时，冲刷即行停止，基于以上假定推得黏性土桥渡一般冲刷深度计算公式为：

式中：C为土的黏着力，kg/cm2；其它符号意义同前。

采用以上3个经验公式，并根据表1假定的各黏性土物理指标，对汇河大桥及李黄崖潮河特大桥的一般冲刷进行计算，计算结果见表2。

对比现状土样及土样1计算结果得：表2当IL＜1时，公式（1）计算结果大于公式（2）计算结果，当IL＞1时，公式（1）计算结果小于公式（2）计算结果。为保证工程的安全性，建议当IL＜1时采用公式（1）进行计算一般冲刷深，当IL＞1时采用公式（2）进行计算；根据汇河大桥现状土样及两河土样1计算结果，3个公式一致性比较好，即当黏性土为软塑或流塑状态时3个公式均比较适用；根据土样2及土样3计算结果，土质的液性指数基本一样，但黏聚力差别很大，导致公式（3）计算一般冲刷深差距很大，公式（1）、（2）冲刷深均为负值，即不冲刷，这与实际不相符，并且说明当黏性土质为坚硬、硬塑、可塑状态时3个经验公式一致性不好。

表2 不同黏性土质计算成果表

3 结语

由于受黏性土颗粒均匀程度、土的成因、含水量、液塑限、抗剪强度等的影响，黏性土的冲刷问题十分复杂，上述3个公式均是根据原状黏性土河床冲刷停止时垂线上水流连续性原理推得一般冲刷深的计算公式的，所不同的是公式（1）、（2）的冲止流速是经过大量的调查资料及分析得出的关于IL的经验公式。公式（3）是根据河道流速降低到水流所具有的剪切力和河床中黏性土抗剪力相等时冲刷即行停止的假定推得的经验公式，并且该文认为C与IL呈反比关系，根据表1各土样物理参数表知，实际并不存在这种关系。当黏性土处于软塑、流塑状态时，C与IL大致呈反比关系，此时3个公式一致性比较好，笔者认为上述3个公式适用范围为软塑与流塑状态的黏土，对于处于坚硬、硬塑、可塑状态黏土的一般冲刷还有待于更深一步的研究。