□文/翟鈞

橋梁墩臺(tái)沖刷病害及加固方法的分析

□文/翟鈞

沖刷是導(dǎo)致橋梁破壞的主要原因之一。長(zhǎng)期的河流沖刷會(huì)使橋梁墩臺(tái)破損，橋梁基礎(chǔ)掏空，致使橋梁下部結(jié)構(gòu)的承載力大幅降低，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致墩臺(tái)的傾斜或橋梁的垮塌。文章綜述了河流沖刷對(duì)橋梁病害機(jī)理及相關(guān)理論，結(jié)合某橋橋墩的沖刷病害實(shí)例，介紹了其采用的沖刷防護(hù)加固措施并評(píng)估了其加固效果。

沖刷；橋梁；病害；加固

沖刷是造成橋梁破壞的主要原因之一。由于橋梁處于復(fù)雜的水環(huán)境中，局部泥沙沖刷導(dǎo)致橋墩基礎(chǔ)的承載力不足，使橋墩發(fā)生傾覆等變形甚至失穩(wěn)導(dǎo)致橋梁毀壞。墩臺(tái)的承載力是橋梁穩(wěn)定性和安全性的重要保證，直接關(guān)系到橋梁的安危。大多數(shù)橋梁墩臺(tái)都有不同程度的沖刷現(xiàn)象且沖刷多發(fā)生于水下，沒有明顯的征兆，難以被發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重威脅著使用者的安全和橋梁結(jié)構(gòu)安全，沖刷造成的橋梁破損存在高隱蔽性，一旦遭受破壞修復(fù)起來(lái)成本巨大。

1　河流沖刷機(jī)理及相關(guān)理論

為連接河道兩端的道路，需要設(shè)置橋墩于河道中，但由于橋墩的設(shè)置改變了路徑和河流通水?dāng)嗝妫瑥亩鴮?dǎo)致橋墩受到局部沖刷。我國(guó)橋涵水文中將橋梁河流沖刷問(wèn)題分解為一般沖刷、自然演變沖刷與局部沖刷，沖刷基本形態(tài)分類見圖1。

圖1　河流沖刷形態(tài)分類

自然演變沖刷主要是由于超限開采泥沙或者河道輸沙不平衡所形成；并非是水工結(jié)構(gòu)建造物導(dǎo)致的沖刷。根據(jù)時(shí)間尺度將自然演變沖刷可以分為長(zhǎng)期型演變沖刷和短期型演變沖刷。長(zhǎng)期型演變沖刷指在較長(zhǎng)時(shí)間區(qū)間內(nèi)，水流對(duì)既有河床的沖刷，主要是泥沙的堆積搬運(yùn)、河川的自然侵燭及長(zhǎng)期的河道蜿蜒與擺動(dòng)對(duì)側(cè)向河岸的緩慢侵燭。短期型演變沖刷是指在較短時(shí)間區(qū)間內(nèi)，洪水對(duì)河床的嚴(yán)重沖刷，主要包括側(cè)流匯入主流時(shí)的河道變動(dòng)、主流和支流匯聚時(shí)的沖刷以及洪水在短時(shí)間內(nèi)引起河道劇烈變化的沖刷；局部沖刷主要是因?yàn)榻ㄖ盟そY(jié)構(gòu)物后造成的沖刷。水工結(jié)構(gòu)物置于河道中會(huì)干擾阻礙水流行進(jìn)，改變結(jié)構(gòu)物（壤、臺(tái)）附近局部流場(chǎng)，從而增大了河床剪力，導(dǎo)致河床的局部沖刷。局部沖刷則通常會(huì)造成橋梁基礎(chǔ)（橋墩和樁基）以及橋臺(tái)的侵蝕破損，是導(dǎo)致橋梁水毀破壞的主要原因。一般沖刷是指河道收縮斷面的沖刷。橋孔上游水流急劇流過(guò)橋孔會(huì)造成下游斷面束縮。當(dāng)橋孔的有效過(guò)水?dāng)嗝婷娣e變小時(shí)，水流流速急劇增大，此時(shí)沖刷最為強(qiáng)烈。當(dāng)這段水流繼續(xù)流向下游后，河道斷面恢復(fù)到正常狀態(tài)，水流和泥沙運(yùn)動(dòng)漸漸變緩，直到相當(dāng)遠(yuǎn)處時(shí)恢復(fù)到天然狀態(tài)。當(dāng)河床面沖刷完畢后，河流的原始設(shè)計(jì)水位至一般沖刷線的垂直水深即為一般沖刷深度。

墩臺(tái)局部沖刷影響因素甚多，具體歸納起來(lái)，可以分為以下幾個(gè)方面：

1)流體特征因素，包括流體運(yùn)行粘度、流體重度、重力加速度；

2)流動(dòng)特征因素，流速、水流行進(jìn)深度、水流弗汝德數(shù)；

3)河床特征因素，粒徑極配、泥沙重度及粒徑、土質(zhì)粘性；

4)壤臺(tái)特征因素，水流、壤臺(tái)形狀（寬度、長(zhǎng)度、形狀系數(shù)）與橋臺(tái)夾角。

2　橋梁基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)措施

橋墩局部沖刷的防護(hù)工程一直是防止河槽中橋墩失穩(wěn)、橋墩周圍床面沖刷和橋梁水毀的重要措施之一。沖刷防護(hù)工程措施按照其防護(hù)機(jī)理又可分為兩類：實(shí)體抗沖防護(hù)措施，指在橋墩周圍的床面上放置一些實(shí)體材料，來(lái)提高其抗沖刷的能力，從而使橋墩免于被其附近的下降水流及旋渦體系掏底失穩(wěn)的工程措施；減速不沖防護(hù)措施，通過(guò)在橋墩前方或周圍設(shè)置非完全固定式結(jié)構(gòu)物或者通過(guò)改變橋墩自身結(jié)構(gòu)，來(lái)改變橋墩周圍的水流，使水流經(jīng)過(guò)這些防護(hù)工程后，直接降低水流速度及動(dòng)能，從而改變流場(chǎng)及水流剪力，以削弱或抑制水流沖刷能力的工程措施。

近年來(lái)研究過(guò)的實(shí)體抗沖防護(hù)工程措施，主要包括混凝土鉸鏈排防護(hù)、拋石防護(hù)、擴(kuò)大橋墩基礎(chǔ)防護(hù)、填充混凝土模袋防護(hù)和四腳混凝土塊防護(hù)等。

3　某橋橋墩沖刷病害的處理實(shí)例

某橋建于1978年，其設(shè)計(jì)荷載為汽-18，拖-80。橋?qū)拑?7+2×0.75 m人行道。本橋上部結(jié)構(gòu)為4片T字梁，跨徑為11.4 m，5孔，全長(zhǎng)66.6 m，下部結(jié)構(gòu)鉆孔采用沖擊式打井機(jī)沖孔，水下混凝土灌注，河底以上采用木膜灌注。后發(fā)現(xiàn)該橋橋墩受到不同程度的沖刷，2#橋墩和3#橋墩均有較為明顯的傾斜現(xiàn)象，見圖2。

圖2　橋墩沖刷

為防止該橋在遇到洪水或超限超重荷載時(shí)的傾覆風(fēng)險(xiǎn)，決定利用拋石防護(hù)的方法加固2#和3#橋墩，防止其傾斜加劇，進(jìn)而加大傾覆風(fēng)險(xiǎn)。加固過(guò)程中的主要參數(shù)：

1）采取拋石護(hù)底防護(hù)的范圍位于2#、3#墩上下游區(qū)域以及橋墩周圍的區(qū)域；

2）拋石防護(hù)橋基前緣邊灘坡腳，每間隔2m用鋼筋石籠作肋加固。防護(hù)長(zhǎng)度8m，橋軸線上、下游各3m；

3）用塊石碼砌橋基前緣邊灘，碼砌厚度0.5 m，面積15m2。

該橋基礎(chǔ)采用拋石防護(hù)后，經(jīng)2 a洪期考驗(yàn)，防護(hù)效果完全達(dá)到預(yù)期目的。經(jīng)實(shí)地勘察：

1）除2#墩迎水面有少量沉降（5～10 cm）外，其余均安然無(wú)恙；

2）鋼筋石籠及拋石防護(hù)邊灘坡腳原封未動(dòng)，加固達(dá)到了預(yù)期目的。

4　結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，洪水頻發(fā)對(duì)橋墩局部沖刷造成了嚴(yán)重的病害，如何防護(hù)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于中小跨徑橋梁的橋墩沖刷病害，利用拋石防護(hù)可以取得較好的加固效果。

[1]景天然.橋涵水文[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1993.

[2]胡守增.橋渡沖刷的現(xiàn)狀及簡(jiǎn)評(píng)[J].四川建筑，2008，28（4）：65-66.

[3]鄭聰信.橋墩沖刷保護(hù)機(jī)構(gòu)之現(xiàn)地實(shí)驗(yàn)與探討[D].臺(tái)北：成功大學(xué),2007.

[4]Posey C J.Test of scour Protection at bridge Piers[J].Journal of Hydraulic Engineering，2004,110 (12)：1173-1183.

[5]孟慶峰.橋渡局部沖刷深度預(yù)測(cè)方法研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué),2008.

[6]Chiew YM.Seour Prectionatbridge Piers[J].Journal ofHydraulie Engineering,1992,118(9)：1260-1269.

[7]房世龍,唐洪武.透水框架布設(shè)形式對(duì)橋墩局部沖刷防護(hù)的影響[J].人民長(zhǎng)江,2005,36(7)：63-65.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.027

□U443.22

□C

□1008-3197（2015）04-68-02

□2015-04-10

□翟均/男，1964年出生，高級(jí)工程師，天津市交通運(yùn)輸工程建設(shè)服務(wù)中心，從事工程項(xiàng)目管理工作。