桥墩冲刷危害调查与评价综述

2023-01-05秦瀚翔魏松段海鹏

安徽建筑 2022年12期

秦瀚翔，魏松，段海鹏,2

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2.安徽省交通控股集团有限公司，安徽合肥 230088）

1 前言

对于跨越河流的桥梁，桥墩等水下基础的建立，使河道的过水面积变窄，桥墩附近的水流流速增大。桥墩等桥梁基础的阻水效应会导致水流和泥沙相互作用发生变化，打破河床原有泥沙运动的平衡。水流结构会发生急剧变化从而在桥梁基础附近形成漩涡。漩涡不断掏挖桥墩附近的泥沙，最终形成局部冲刷坑。冲刷坑的形成会导致桥梁基础埋深相对减少，威胁桥梁结构本身安全和稳定，同时使得桥墩周围覆盖层缺失，桥墩基础直接裸露在水流中而遭到冲刷侵蚀，带来严重的安全隐患，甚至直接造成桥梁失稳和破坏。

在目前已有的桥墩冲刷研究中，研究人员更侧重对一般冲刷和局部冲刷进行分类研究。国内外的研究人员为了更深入地研究冲刷过程的机理，开展了大量的室内水槽试验，但是在现场调查分析中，冲刷因素的复杂性导致试验结果难以运用。因此通过对冲刷坑深度进行估算和冲刷程度进行评估，可以帮助现场调查人员对桥梁在冲刷方面进行评价，另一方面对局部冲刷进行深度估算和评估研究则可以将其危害进行数据化、量化，可以更加客观地认识到潜在的危险性。

因此，本文从桥梁冲刷预测评估研究现状出发，从桥墩冲刷危害调查和评估两个方面进行现有研究进展的归纳和综述。通过总结现有研究存在的问题，阐述未来研究方向。

2 桥梁冲刷预测评估研究

在冲刷研究的早期，Postacchini等[1]开始尝试在实验室测量水流导致的冲刷。然而，由于缺乏可用的数据，对进一步的冲刷机理没有进行系统的研究。在此基础上对于尺度效应、挡板参数、雷诺数、桩身粗糙度以及水槽试验中存在小波纹等影响因素，已由Sumer等人[2]讨论过。通过在更复杂的条件下进行的实验。Myrhaug和Rue[3]提出了一种推导随机水流强度下桩周冲刷预测方法，进一步发展为长峰和短峰非线性随机水流下的预测方法。Sumer[4]和Whitehouse[5]扩展了随机水流在大型跨海桥墩的冲刷影响。在山区河流建造的桥梁暴露于各种复杂的水流环境中，冲刷的影响更为严重。Eadie和Herbich[6]、Olabarrieta[7]等人、Zanke[8]等人对水流和桥墩联合作用下的桩周流场进行研究表明，桥梁冲刷的全过程中水力因素起着原始和主要的影响。

国内外科研人员对冲刷深度的预测做了众多试验和监测，研究分析了大量数据，在此基础上提出了诸多冲刷坑深度的预测公式。预测桥墩的局部冲刷深度时存在太多不确定的影响因素，各种因素相互耦合使冲刷坑深度的预测变得更复杂。在桥梁工程设计中，对桥墩周围局部冲刷深度的预测是必要的，高估了桥墩局部冲刷深度，会大大增加桥墩的加固和防护费用，低估了桥墩局部冲刷深度时，会使得工程在实际运用中存在安全隐患。国内外相关研究人员基于大量的室内试验以及现场观测数据的研究分析，提出了以下几类预测公式：经验性局部冲刷深度预测公式，半经验半理论性局部冲刷深度预测公式。经验性公式通过筛选桥墩冲刷参数，利用大量试验及现场勘测数据进行量纲分析；半经验半理论公式通常是在一定的理论基础上进行推导得到公式的结构形式，再利用现场观测数据对公式内的参数进行拟合，包括环流切线流原理、能量平衡理论、泥沙平衡理论。现有公式的结构形式各不相同，具有较强的经验性，目前尚未有一个公认的公式能准确预测清水冲刷或动床冲刷条件下的局部冲刷深度。

研究人员试图使实验室和实际现场的冲刷条件相匹配，以便获得更可靠的结果。实际上，在实验室中这些实验均采用水槽试验，水槽中的水流和野外现场的水流并不完全相同，虽然都造成了冲刷的结果，但冲刷过程并不完全相同。

以往的研究表明，冲刷现象与冲刷参数之间的关系是复杂的，研究冲刷影响参数在解决桥墩冲刷问题上有可能取得突破性进展。当这些关系可以通过现场调查来实际分析时，冲刷深度的估算可以与桥墩冲刷评估同时进行。可将冲刷评估列入规范，结合冲刷深度的估算来指导工程实践。

3 桥墩冲刷现场调查研究

桥墩基础冲刷对桥梁的破坏是一个复杂的问题。国内外研究人员一直在研究现有桥梁的冲刷状况，并确定是否需要进行冲刷防护。由于冲刷预测方程可能导致与观测现场值不同的冲刷估算值，桥梁设计人员也应考虑实际现场需要来提供防护措施，例如桥墩和桥台周围的抛石。因此，桥墩冲刷现场调查是非常必要的。

在已有的调查文献中，对桥墩周围水流变化及其对冲刷演变的直接影响进行了广泛的分类，可根据桥墩的结构类型、有效墩宽和桥墩周围水流情况进行细分。也可根据河床材料性质和尺寸进行细分。总体上现场调查基础冲刷主要因素有以下几种：

①行近流速；②水流深度；③桥墩形状；④桥墩的有效宽度；⑤桥墩基础结构；⑥河道水流对桥墩的交角；⑦河床材料的尺寸和级配；⑧河床比降；⑨水流漂浮物；⑩河道形态；⑪洪水重现期。

根据现场调查经验，上述参数可分为三大类，即：

①桥墩临近水流参数：水流强度、水深、临界剪切速度、平均流速、流速分布和河床材料；

②桥墩冲刷现状参数：桥墩的尺寸、几何形状、间距、数量和水流交角；

③河床参数：河床材料、河床植被、桥址河道条件、河床比降。

在实际现场调查中，针对三大类参数调查人员可以通过使用仪器进行测量和目视观察，将桥墩冲刷的现状数据化地记录下来，结合现场调查拍摄的影像资料，为桥墩冲刷评估提供依据。

4 桥墩冲刷危险性评价研究

目前对桥墩冲刷评价的研究大体上有三个方面：①从可能导致冲刷危险的影响因素进行分析，通过每个因素可能导致的冲刷程度加深情况进行分析，综合总结所有因素的影响，对局部冲刷造成的桥墩危害进行危险性评价；②从桥梁现状出发，研究桥梁损毁可能导致的后果，建立桥梁损毁指标体系；③基于数理统计和概率学的研究成果，建立数学模型进行评价研究。

董海婷[9]在分析桥梁倒塌可能引起的各项损失时，从物质易损性、经济易损性、社会易损性三方面建立局部冲刷灾害易损性指标体系。王飞[10]在深入分析影响桥墩局部冲刷因素的基础上，筛选出主要的因素作为模糊评价指标并进行量化分级，根据关联度方法确定了各指标权重，求得各指标与桥墩局部冲刷灾害发生概率之间的隶属函数，建立了局部冲刷风险模糊评价模型。雷大臣[11]分析了河流冲刷场景下，桥墩的失稳失效概率，分析了不同的因素对风险概率评估方法的影响，提出了基于统计反演理论的风险评估方法。也有大量的研究人员从桥梁建筑、桥梁壅水与洪水侵桥等方面，定性、定量、全面系统地研究了发生五十年一遇或百年一遇洪水灾害时，大型桥梁防洪影响的评估分析方法。何志虎[12]根据Fuzzy-AHP法的基本原理，建立了危险性评价模型。熊文[13]发现利用自振频率构建的动力指纹对冲刷发展较为敏感，提出一种基于时频分析与神经网络的桥梁冲刷动力评估方法，该方法对冲刷深度还是冲刷墩位均具有较高的识别准确度。彭可可[14]通过原型实测研究桥梁所处河道河床演变及桥墩冲刷，研究桥墩极限冲刷坑的深度和范围，为桥梁的冲刷评估提供了一定的工程依据。徐学东[15]从桥梁浅基防护的角度，研究了桥渡冲刷评估计算。张英杰[16]从桥墩局部冲刷的机理出发，提出了基于河床条件分类的桥墩冲刷评估研究。

目前国内外的研究人员在已有的研究基础上不断地建立新的评价指标模型。使得桥梁评估冲刷的理论研究日渐完善。越来越多的科研人员开始立足于工程实际，从现场调查中发现的问题出发，对桥梁在冲刷方面所造成的潜在危险进行桥梁基础危害性评价。

桥梁基础冲刷危险性评价含义：从可能导致冲刷危险的影响因素进行分析，通过每个因素可能导致的冲刷程度加深情况进行分析，综合总结所有因素的影响，对局部冲刷造成的桥墩危害进行危险性评价。

桥梁基础冲刷的危害评价内容：根据现场调查的实际情况，分析各个影响因素在桥墩基础冲刷中的权重，选择主要影响因素为评价的指标，根据评估所需精准度的不同，选取不同级别的评估方式进行分析评价。

根据目前已有的现场调查的情况来看，大多数桥墩附近的局部冲刷都较为严重，桥墩水下基础受到水流不同程度的侵蚀，存在不同程度的冲刷水毁的风险。现场调查的定性分析判断无法得出具体的危险性程度。在对桥梁基础进行危险性评价时需要考虑不同桥梁的现状情况，以及在未来可能遭到的洪水程度。为了使桥梁的评估研究有更全面的代表性和实用性，需要建立一个指标体系，能正确地区分桥梁在冲刷水毁方面是否具有危险性，以及危险性的程度。