浙江部分地区桥梁冲刷事故探析

陈菊根 郭健 翁博文 李永明 吴继熠

（1.浙江省公路水运工程咨询公司，浙江 杭州 310005；2.杭州华烨交通工程检测有限公司，浙江 杭州 311215；3.西南交通大学，四川 成都 610031；4.浙江工业大学土木工程学院，浙江 杭州 310014）

浙江地处我国东南沿海，长江三角洲南翼，河流纵横交错。多水则多桥，截至2019年底，浙江公路桥梁总数已达到5.1106万座。其中，仅台州市就有大小桥梁6100余座，温州有大小桥梁6300余座。

由于地理位置原因，浙江每年都会受到台风、暴雨天气的影响，特别是台州和温州等地。暴雨多，意味着桥梁受冲刷破坏的风险高，因此结合工程实际调研桥梁基础冲刷具有重要意义。

针对桥梁冲刷造成的巨大经济损失及社会关注，部分研究人员开展了桥梁冲刷事故的总结分析。例如，基于美国国家桥梁目录和纽约州交通部桥梁数据库中的数据，分析了430座桥梁发生倒塌事故的原因，其结果显示有55.6%的事故是因为水力。

浙江桥梁众多，桥墩形式多为圆柱式与排架式，且目前浙江关于桥梁冲刷的系统性统计调查较少，桥梁防冲刷养护缺少最新的调研依据。本文基于台州、温州地区桥梁发生冲刷事故的统计分析，和浙江桥墩多为圆柱式、排架式的形式因素，通过Flow-3D软件对不同桥墩类型桥梁局部冲刷实施数值模拟，分析桥梁冲刷最大冲刷深度出现的位置，为桥梁的冲刷养护提供借鉴。

一、桥梁冲刷事故统计（浙江台州、温州地区）

本文统计了近年来台州、温州各地区桥梁由于冲刷引起的事故情况，把冲刷事故分为基础冲刷与墩体冲蚀两部分。统计分析了台州、温州地区桥梁冲刷事故发生的桥梁数量、冲刷病害描述。结果显示，台州、温州地区桥梁墩型多为圆柱式、排架式，温州地区共统计桥梁457座，近年来有记录出现冲蚀、基础冲刷现象的桥梁有13座，占比2.84%。同时，台州地区共统计桥梁579座，其中出现冲刷病害的桥梁13座，占比2.25%。

根据针对台州、温州地区冲刷事故的统计，可知台州、温州地区冲刷事故具有以下特点。

桥梁桥墩墩身混凝土在发挥支撑作用期间，受到了不同程度的侵蚀，较为严重情况是下墩身混凝土脱落，钢筋外露；冲刷事故的另外一种表现为桥梁基础受到冲刷，桥梁基础位于水底，只有在河床枯水期才能暴露于视野中，不易于维修人员观察其受损情况，因此桥梁基础的安全监测具有一定难度。

在统计中，温州的457座桥梁里，共有9座桥梁受到水流冲蚀影响，混凝土桥墩受到破坏，其中4座桥梁由于长期受流水作用或洪水影响出现不同程度的基础冲刷现象；台州的579座桥梁里，共有8座桥梁受到水体冲蚀影响，混凝土桥墩受到破坏，其中5座桥梁由于长期受流水作用或洪水影响出现不同程度的基础冲刷现象。由此可知，在台州、温州地区，均存在较多桥梁冲刷事故，因此需要桥梁维护人员提高重视。

台州、温州地区冲刷事故具体表现为桥梁桥墩墩身混凝土受流水冲蚀及桥梁基础河床冲刷，其中桥墩墩身混凝土冲蚀现象易于观测，而桥梁基础位于水下，只有在河床枯水期才能暴露于视野中，损伤情况难以监测与判断，因此对于桥梁基础冲刷展开分析评估极其必要。

二、数值仿真模拟

桥梁基础冲刷具有隐蔽性，而数值仿真软件可以通过求解流体的控制方程及泥沙输送模型，得到桥梁冲刷的发展趋势。Flow-3D是一款功能齐全且具有良好求解精度的软件，其VOF技术可以良好地捕捉泥沙的变化情况。

表1 冲刷深度对比

图1 单跨排架式桥梁基础冲刷坑形态

图2 双跨排架式桥梁基础冲刷坑形态

根据台州、温州地区桥梁冲刷事故的调研结果，选取调研地区的典型桥墩形式圆柱式桥墩与排架式桥墩为几何模型，并结合调研地区具有代表性的水文参数及桩型参数开展分析。

（一）圆柱式桥墩数值模拟

考虑调研地区的桥墩形式及水文情况，建立圆柱式桥墩冲刷模型，选取桩径为1m的桥墩，来流流速为1.11m/s。

在得到数值模拟的结果后，对比数值模拟结果与国内外冲刷深度计算公式计算得到的预测冲刷深度，对比情况如表1所示。65-1修正式与65-2式估算最大值作为桥梁冲刷预测深度，与数值模拟结果相比，计算结果较为接近；美国规范计算结果偏大，较为保守。

根据模拟结果，流体在经过桥墩时发生绕流，局部流速有所增加，桥墩前冲刷坑深度大于墩后冲刷坑深度，桥梁工作者需要在日常养护中加强对于桥墩前侧位置的河床泥沙深度监测与防护。

（二）排架式桥墩数值模拟

台州、温州地区桥梁桥墩形式多为圆柱式与排架式结构，本文继续讨论采用排架式桥墩时水流对墩周的冲刷影响。选择墩径为1m，水流流速为1.18m/s的工况，对单跨与双跨排架式桥墩实施数值模拟。

数值模拟中桥墩墩心距均为2.6D，桥墩呈串列分布，在模型设置与上文相同的条件下计算。分析排架式桥墩墩周的水流结构，发现排架式桥墩墩周水流结构与圆柱式桥墩有许多相似之处，下降水流与漩涡仍然是引起桥梁局部冲刷的主要原因。随着跨数的改变，前墩的遮蔽效应会影响后墩墩前的流速，后墩的冲刷坑也会因此出现不同的形态，单跨排架式桥墩及双跨排架式桥墩局部冲刷坑如图1、图2所示。

在串列布置不同桥墩数量的条件下，冲刷最大深度都出现在桥墩迎流侧，前排墩迎流侧、各墩墩侧均呈现出冲刷现象；墩间、后排墩墩后均呈现淤积现象，对比不跨数的排架式桥墩，可知淤积最大值均出现在后排桥墩墩后。由于水流发生绕流加速，墩侧泥沙均表现出冲刷痕迹，后排桥墩受到前排桥墩的遮蔽作用，墩前的行近流速减小，导致水流从前排桥墩墩周挟带出来的泥沙在墩间及墩后淤积形成壅土带。

通过圆柱式桥墩及排架式桥墩的数值模拟，对比分析不同桥墩形式对于局部冲刷的影响。在相同条件下，圆柱式桥墩与排架式桥墩的冲刷最大深度都出现在桥墩迎流侧，桥梁维护人员需要对相应位置加强监测。对于排架式桥墩，受前排墩遮蔽效应的影响，后排墩墩前流速小于前排墩，墩间及后排墩墩后会出现泥沙淤积。

三、结语

近年来夏季暴雨洪水致灾事件增加，桥梁受冲刷的安全问题越来越受到人们的重视。桥梁基础冲刷因水动力过程复杂，当前研究人员对其了解有限，所以冲刷机理的探析对桥梁的设计和维护具有重要工程意义。针对本文统计的近年来浙江部分地区桥梁冲刷事故病害情况，结合调研结果与相关资料，综合分析认为，浙江部分地区桥梁存在较多冲刷病害，冲刷病害主要分为对于桥墩墩身混凝土的冲蚀及桥梁基础的冲刷。针对上述情况，基于数值模拟与中美规范公式，本文探析了典型桥梁局部的冲刷规律，由数值模拟结果可得圆柱式桥墩局部冲刷最大深度出现在桥墩前侧，排架式桥墩最大局部冲刷深度出现在前排墩迎流侧，墩间及后排墩墩后存在泥沙淤积，桥梁维护人员应当加强桥墩前侧位置的河床泥沙深度监测。因此，建议定期检查长期受到水体冲刷或洪水影响桥梁的基础损伤情况，并采取相应的维护措施。