王靖輝

(天津大學土木工程系)

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山丘區(qū)橋下河床一般沖刷危害及防治分析探討

王靖輝

(天津大學土木工程系)

分析了一般沖刷起始水流、水流搬運能力、設計流量、水流泥沙粒徑、河床結構構造等因素，對山丘區(qū)橋下河床一般沖刷的影響，對一般沖刷產生的危害及防治進行了探討。詳細闡述了起始水流對河床的破壞機理和非均質結構構造河床對一般沖刷的影響。指出河床結構構造的非均質性是導致一般沖刷深度計算與模擬出現(xiàn)較大誤差或波動的重要原因。

橋下河床；一般沖刷；危害及防治；結構構造

1 一般沖刷起始水流危害分析

當橋下未發(fā)生沖刷時，流量流速存在如下關系

Qp=ωyVp

(1)

當橋下河槽沖刷停止時。流量流速存在如下關系：存在如下關系

Qp=PωyVs

(2)

由(1)/(2)可得：

Vp=pVs

(3)

其中：Vp為沖刷前橋下河槽流速，即起始沖刷水流速度(m/s)；Vs為設計流速(m/s)；P為沖刷系數(shù)。

2 河流搬運能力提高危害分析

根據(jù)愛里定律：被搬運碎屑顆粒的粒徑與流速的平方成正比，而顆粒重量與其半徑的立方成正比，所以被搬運顆粒的重量與流速的六次方成正比。橋梁建設壓縮河道引發(fā)橋下流速增加，若流速增加1～1.4倍，其它自然條件不變，則河流可搬運的顆粒重量將增至1～7.5倍，可搬運的顆粒直徑將增至1～2倍。溝道水流挾沙力Xn∝V3。較大的顆粒運動則與水流能量有關。上游來沙(或推移質運動)會破壞河床結構，使其強度降低。因連續(xù)來沙，必須改變河道的河床結構強度，才能增加推移質的輸沙率。山丘區(qū)河流，在汛期往往伴有不同程度的塌方或滑坡，河流泥沙、推移質含量較多，加大了橋下河床的沖刷強度。一般沖刷初始流速較大，一旦破壞河床結構，水流的沙礫量便快速增加，進而提高水流對河床的沖刷強度。如果同時疊加其它不利因素，就可能危機橋梁安全。

3 設計流量對一般沖刷深度的影響

按我國目前《橋涵水文》和《公路橋位勘測設計規(guī)程》推薦，對于非粘性土河槽一般沖刷計算可采用公式64-1、公式64-2或包爾達可夫公式。不同公式有對應的使用范圍。采用公式64-2計算一般沖刷結果較合理，為此采用該公式說明設計流量對一般沖刷深度的影響。

對于山丘區(qū)河床，可設造床流量下的河槽寬度、河槽平均水深不變，則Ad不變。為量化設計流量對一般沖刷深度的影響，可假設橋梁和墩臺形態(tài)不變，則造床流量下的河槽寬度、橋長范圍內的河槽寬度、系數(shù)λ、μ均可認為不變。河床形態(tài)、橋梁及墩臺確定后，Qc:Qtl隨著Qp變化較小，也可設為固定比例。公式64-2可簡化為(4)。

hp=K(Qp)0.9hcm

(4)

當Qp1=nQp時

hp1=n0.9K(Qp)0.9hcm

(5)

由(5)/(4)得

hp1=n0.9hp

(6)

通過對(6)式進行線性轉換，可到式(7)，相關系數(shù)R2=0.989 4。

hp1=0.94n·hp

(7)

其中：hp為橋下一般沖刷后的最大水深，m;Qp為:頻率為P%的設計流量，m3/s；Hcm為河槽最大水深，m。

土壤生態(tài)環(huán)境也具一定抗風險能力。其土壤微生物可促進Bt蛋白的降解。從轉Cry1Ac基因水稻種植田土壤中得到降解Cry1Ac蛋白的細菌FJSB3，為寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas sp.)，4 d內水稻秸稈中Cry1Ac蛋白降解率達到92. 86%[5-6]。新疆阿克蘇鹽堿地土壤細菌資源豐富，已分離培養(yǎng)鹽堿地土壤中的細菌103株[7]，但目前新疆棉田Cry1Ac蛋白的降解研究鮮有報導。因此對Cry1Ac毒蛋白的降解細菌進行篩選和鑒定將可對長期種植轉Bt棉田土壤的生態(tài)治理提供參考。

在此情形下，hp1和n呈線性關系，當實際過流量為設計流量n倍時，一般沖刷就會增加到0.94n倍。在季節(jié)性河流或沖洪溝上建設橋梁，由于缺乏氣象、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，Qp往往出現(xiàn)較大偏差，多數(shù)山丘區(qū)橋梁被沖毀多是由于Qp偏小造成。如果實際過橋洪流量大于設計洪流量1倍以上，不但一般沖刷會增加，局部沖刷也會相應增加，至少增加與一般沖刷同等數(shù)量級，導致橋下沖刷至少增加1倍。當橋下沖刷加深超出設計安全深度，墩臺會失穩(wěn)或被沖毀。這是山丘橋梁被沖毀的主要因素。

對于此種危害，可利用3S等現(xiàn)代新技術，提高設計洪水流量的精度。

4 水流泥沙粒徑對一般沖刷深度的影響

(8)

(9)

由(8)/(9)得

(10)

對式(10)進行線性轉換，得到式(11)，相關系數(shù)R2=0.995 3。

hp1=(0.0731n+0.93)hp

(11)

在此情形下，hp1與n呈線性關系，當粒徑增大4倍時，hp1增加1.22倍。當橋前附近堤岸垮塌、或上游發(fā)生滑坡，引起洪流砂礫含量增加、平均粒徑增大時，橋下沖刷也會增加。此現(xiàn)象汛期常有，有時會損壞橋梁。由于堤岸垮塌、上游滑坡為隨機事件，很難對具體發(fā)生部位預測并防護，全流域防護又不現(xiàn)實，最佳防治策略為加大沖刷深度。建議將一般現(xiàn)有計算模擬的沖刷深度提高10%～20%。

5 河床結構構造對一般沖刷影響分析

利用河道防護拋石堆頂上石塊穩(wěn)定計算公式分析流速與河床沖刷破壞關系。當水流沖擊力與石塊所受摩擦力平衡時，石塊保持穩(wěn)定，此時流速與石塊粒徑存在如下關系

(12)

當水流速度變化1.0～1.4倍，可沖起卵石粒徑D變化1～2倍。河床特定地段覆蓋物粒徑和結構是河流汛期與非汛期水流長期、交替作用形成的，粒徑與水流速度相匹配，結構構造與河流演化歷史相匹配?？绾咏ㄔO橋梁，壓縮河道，導致通過橋下水流速度增大，原先穩(wěn)定的平衡關系被打破。雖然流速增大不大，但由于其破壞原河道的固有平衡，因此可能對墩臺穩(wěn)定帶來危害。

橋下河床一般沖刷起始流速常常大于橋址處河床抗沖刷能力。當河床為均質構造時，則會按正常沖刷過程演進并在設計沖刷深度停止。當河床為上大下小構造時，如果起始水流沖刷小于表層抗沖能力，則河床不會被沖刷。如果相反則河床沖刷深度會不斷加大，直到流速減小到不足以繼續(xù)攜帶河床下部細粒物質為止。當河床為上小下大構造時，如果起始水流沖刷小于其下某層抗沖能力，當沖刷到達該層時，沖刷將停止，否則繼續(xù)沖刷，隨著流速減小，沖刷減緩，到達水沙平衡時停止。當河床為大小粒徑交替構造時，沖刷會出現(xiàn)跳動式發(fā)展，對于較大顆粒層，隨水速增加，沖刷深度基本不變，當達到一定速度，作用層被破壞，沖刷深度快速增加，后又進入相對穩(wěn)定狀態(tài)。非均質構造河床沖刷演進機理與現(xiàn)行理論假設存在較大差別是導致一般沖刷深度計算與模擬出現(xiàn)較大偏差的重要原因，也是導致橋墩基礎失穩(wěn)并危害橋梁安全的重要因素。

對于一般沖刷深度計算，需核算不同構造層的抗沖刷能力、不同水流沖刷力，結合河床結構構造核算沖刷停止條件和沖刷深度。最好建立水工模型或復雜數(shù)字模型，模擬非均質結構造河床沖刷過程，提高計算精度。

6 結 論

(1)一般沖刷起始水流速度最大，可破壞橋下河床覆蓋物上部結構，并誘發(fā)河床進一步沖刷。

(2)河床結構構造對一般沖刷有重要影響。非均質結構構造河床，沖刷演進機理與目前理論假設偏差較大。非均質性是導致一般沖刷深度計算與模擬出現(xiàn)較大誤差或波動的重要原因。

(3)對于非均質結構構造河床,采用水工模型模擬或三維數(shù)字技術有可能得出較為客觀的沖刷深度結果。

(4)對橋下以及近橋前、后堤岸進行防護，可以有效避免初始較高水流對河床及堤岸破壞，提高橋梁工程在汛期的安全性。

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2015-04-11

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1008-3383(2015)09-0017-02