桥墩周边局部冲刷评价研究综述

2022-08-05肖玉德孙开旗

建材发展导向 2022年13期

肖玉德孙开旗

（安徽交通职业技术学院，安徽合肥 230051）

1 概述

桥梁是现代化建设中的基础交通载体和重要设施，无论是在交通出行、货物运输，还是在促进地区经济发展中都发挥着核心作用和关键价值。然而，作为一个重要的交通运输枢纽，桥梁工程在施工开展也存在一定阻碍，就外部阻碍因素来说：复杂的工程开展环境、水土流失、洪水、泥石流和地震等具有不可抗性自然灾害；就内部阻碍因素来看：周密性和科学性设计施工方案、现场的交通及专业碰撞交叉等。国内外学者发现，侵蚀是桥梁的重要因素之一。

当桥梁工程建在河流中时，桥梁的基础，如柱子和墩，会随着河水的流动资产状况和河床的自然环境变动发展状况而发生时间变化。当水流受阻时，桥墩结构、桥墩周围水流状态发生变化，形成涡流和底切流，最终形成河床冲刷。冲坑的形成将减小桥基的深度，降低桥基的承载力。

目前，对桥墩周围冲刷的研究方法主要通过集中在冲刷影响因素、冲刷作用机理、冲刷试验和数值模拟技术等方面。对这些问题取得了一些成果，也取得了一些解决办法。事实上，河流相关桥梁的建设需要在施工前进行合理的预判，并对已建成的河流相关桥梁进行运营安全评估，特别是对桥墩周围冲刷的评估。然而，关于既有桥梁技术基础和未建桥梁发展基础冲刷风险管理评估的研究工作成果较少。局部冲刷风险评价可为河道桥梁的选址、测量、设计、施工和运营管理提供有力的支持。因此，研究桥墩局部冲刷的分类和评价具有重要意义。

根据相关文献，现有的局部冲刷风险管理评估方法研究内容主要问题包括：冲刷引起的冲刷坑深度预测、局部冲刷破坏风险分析评估和预测，基于企业风险的冲刷坑深度。本文对地方冲刷评价的相关研究进行了综述，并对其发展趋势进行了探讨。

2 冲刷坑深度预测研究

2.1 桥墩局部冲刷影响因素

影响桥墩周围局部冲刷的因素很多。目前，影响因素的研究大致可分为三大类：流量因素、泥沙因素和码头因素。

1）流量系数。流动因素一般包括接近速度、接近水深和水冲击角。针对接近中国速度对桥墩周围进行局部冲刷的影响，已进行了分析大量的试验方法研究。

东尔认为，在移动床侦察阶段，由于上游砂供应的原因，侦察深度随着接近速度的增加而减小，当减小到最小时再次增加到另一个峰值。王顺义通过分析模型进行研究了不同可以逼近中国速度对移动床条件下冲刷坑深度和范围的影响系统测试。结果表明，随着流速的增大，冲刷坑的最大深度和最大范围增大。

王顺意和Raudkiv的实验研究表明，局部冲刷的最大深度随着接近水深的增加而增加。根据Dey，当近水深度影响较小，局部冲刷的最大经济深度发展随着中国接近水深的增加而显着增加，但当接近水深增加到一定大值时，最大工作深度与接近学生深度学习无关。

田勇、张新燕等学者也进行了不同水冲击角度下的局部冲刷试验，得出了一些结论。

2）沉积因子。有学者如Santos认为泥沙颗粒的大小对桥墩周围局部冲刷最大深度没有影响，而Gill等学者认为泥沙颗粒的大小与桥墩周边最大冲刷深度有关。

受天然河流泥沙分布不均匀等自然因素的影响，应就泥沙非均匀性对桥墩及周边工程局部冲刷的破坏性进行全面分析和深入研究。

Chiew和赵凯进行了床沙非均质性对局部冲刷影响的模型试验，发现局部冲刷坑的深度、范围和体积随着床沙非均质性的增加而减小。

3）桥墩因素。桥墩对水流的压缩作用是桥墩周围局部冲刷的直接原因。因此，桥墩长度、墩宽等桥墩数据是研究桥墩周围局部冲刷的重要因素。

韩敏对不同直径的圆柱墩进行了模型试验，结果表明，直径越大，冲刷坑范围越大。

贠鹏进行了类似的数值模拟，结果表明，在移动床条件下，冲刷坑深度随着直径的增加而增加。

2.2 桥墩局部冲刷深度计算公式

长期发展以来，由于墩台局部冲刷机理的复杂性和影响社会因素的多样性，局部冲刷深度的计算企业没有一个统一的理论分析公式。近年来，有两种分析方法和半经验方法。

国内外常用的局部冲刷深度计算公式如下。

2.2.1 《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）中的65 -2 式和65 -1 修正式

一些发展中国企业工程师和专家对中国码头局部冲刷试验的数据和结果我们进行了研究总结和分析。根据137 次活动床墩冲刷试验和115 次清水冲刷试验的资料，建立了非粘性土层局部冲刷深度的预测公式。它们是（64 -1）、（64 -2）、（65 -1）、（65 -2）和修订（65 -1），这些公式在我国的公路、铁路和水利工程中得到了广泛的应用。

对于非粘性土河床，公式（65 -2）和修订（65-1）是根据我国各河段和桥梁多年实测数据和模型试验数据分析得出的，已广泛应用于桥墩周围局部冲刷计算。公式（65 -2）和修订（65 -1）如下。

65 -2 式：

65 -1 修正式：

公式中K为河床颗粒影响系数，其它参数与前相同。

2.2.2 美国HEC-18 公式

该公式由Richardson 和Davis等人建立。它也被美国联邦公路管理局的FHWA推荐使用。公式为：

式中： K是桥墩形状， K、 K、 Kη3、 K分别为考虑水流冲击角、河床状况、床沙粒径分布、宽墩影响的系数； F为弗汝德数； d为床沙粒径（mm）；V、 V分别为粒径d泥沙的墩前行进流速、临界流速（m/s）。

2.2.3 梅尔维尔公式

Melville和Sutherland 通过对桥墩冲刷试验数据的分析和统计，基于包络曲线的方法建立了Melville公式，公式为：

式中： K是桥墩形状系数， K、 K、 K yb、 K分别为水流强度系数、床沙粒径系数、泥沙非均匀性调整系数及水流深度与墩宽综合修正系数； V为床沙的临界流速。

3 局部冲刷失效风险评估研究

在桥梁工程设计和后期运营中局部冲刷风险是难以回避的，作为影响桥梁安全性的突出因素，局部冲刷也是桥梁安全性评估的重点内容之一。为了进一步明确局部冲刷的损害情况，应结合风险的发生机制和规律，深入探究科学的安全性评价方法，以此来更好地提高工程建设水平。桥墩局部冲刷风险管理评估对判断一个局部发生的桥梁破坏影响程度和判断桥墩局部冲刷具有研究和应用的理论及现实意义。目前比较常用的风险评价方法可以归纳为：事故树法、模糊综合评价法，其次还有层次分析法以及逆方法。应根据工程开展的实际情况，结合不同的评估方法，妥善选择，发挥其在有效评估桥梁局部冲刷风险的价值作用。

王飞在分析桥墩局部冲刷的各项参数过程中，进一步总结了影响因素，并通过选取主要破坏因素，将其作为评价指标，合理量化为四个等级指标，建立了局部冲刷和模糊风险评价模型。该模型可以用于进行评价研究甘肃省会兰州杨家湾大桥的危险性。

姜旭根据黄土流域水文地质特点，研究分析了桥梁在水流冲刷作用下的损伤类型，并结合大量研究试验和工程实际调查，针对黄土河谷环境的受冲刷影响因素，有效地构建了桥梁损伤指标体系。

在充分分析影响黄河大桥墩基础的安全因素的基础上，建立了桥墩基础安全评价指标体系和安全评价模型。黄河是冯忠居采用模糊水平综合评价法建立的。将该模型应用于郑州柳江黄河大桥的安全性评价。

Bryan 等工程研究人员，就坦桑尼亚某地区的部分公路桥梁进行深入调查，就其中的8 座桥梁进行了安全风险评估，并针对冲刷条件，建立了特定的函数关系，得到了临界荷载的相关数据，结合失效原理用统计数据计算临界荷载下的冲刷破坏概率。

目前我国已经可以采用损伤模型、损伤效应研究分析和风险优先级等方法对桥梁局部冲刷病害的损伤风险管理进行数据量化。

4 基于风险理论的冲刷坑深度预测分析

造成桥墩出现局部冲刷现象的因素有许多，且具有无规律特点。这些无规律因素不仅是造成安全风险的来源，更是造成我国传统计算公式不准确的重要原因，亟待对局部进行冲刷坑深度进行更深入的探索和计算。因此，如何更准确地预测桥墩周围进行局部冲刷坑的深度，是摆在我们大家自己面前的一个重要难题。随着风险评估在桥墩局部冲刷研究中的应用，一些学者将其应用于冲刷坑深度预测研究中。

基于马尔可夫模型，考虑到累积过程中，冲刷侵蚀演化存在关键时间效应，结合洪水事件的不可预测性，难以确定洪水流量以及洪峰的发展规律和趋势，图巴尔迪就清水条件下的桥墩局部冲刷情况，构建了概率评估框架。

在NCHRP项目“基于企业风险的桥梁冲刷预测分析方法” 中， Lagasse等人对局部冲刷预测管理方法问题进行了一个基于财务风险相关研究，通过识别和评估在局部冲刷状态下的水文及水力情况，结合预测数据模型在建立中存在的不确定因素，并将应用比较广泛的水力模型与洪水预测框架相结合，进一步提出了发展预测洪水技术的项目。在此项目的NCHRP761 项目报告中， Lagasse和其他项目人员开发了一种能够预测局部冲刷坑的深度的方法，该方法以冲刷风险为基础，将侵蚀估计与概率统计数据有机整合，实现了提升分析可靠性的为目标，然而理论研究和实际分析中仍需要保证足够的洪水勘测试验数据，现场勘测作为概率支持和统计依据存在很大不确定性，因此以计算冲刷坑深度为目标的风险评估项目尚处于有待深入开发阶段。