王珍福

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京100000）

0 引言

我國國土面積遼闊，地形地貌種類多，從古至今橋梁數(shù)量頗多，在我國橋梁建筑史上留下了各具特色的橋梁文化。近代高速公路、高速鐵路因其自身的特殊性，帶動(dòng)了橋梁工程向更高層次的發(fā)展。橋梁主要是為了跨越山谷、河流而建設(shè)的構(gòu)筑物。為減少河流對(duì)橋梁沖刷帶來的損壞，設(shè)計(jì)者對(duì)橋頭引線、導(dǎo)流堤等跨越河流、深谷、低洼地帶的全部建筑物進(jìn)行研究，從橋位選址、洪水頻率、洪水流量計(jì)算橋梁孔徑，確定通航凈空、橋面高程，設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)等全部工作稱為橋渡設(shè)計(jì)。

1 橋渡設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 橋址選擇

橋址選擇是橋渡設(shè)計(jì)的第一步，為了保證橋址設(shè)計(jì)的合理性，在橋位選擇方面，一般橋址應(yīng)處于沖淤平衡、河床演變盡可能小的河段。大橋選址需要全方位考慮，其影響因素不但包括周邊居民住所、拆遷、耕地占用等，而且需要重點(diǎn)關(guān)注水文地質(zhì)的影響，如河道具有通航功能，橋梁設(shè)計(jì)還需滿足船只通航的需要[1]。

選址時(shí)，河床穩(wěn)定性強(qiáng)、基巖裸露較少、河道平順、河道與水流及山谷地形變化趨勢(shì)保持一致的水文地質(zhì)條件才能最大限度地保證橋梁建設(shè)及運(yùn)營階段的安全。

橋位選址盡量選擇直流河口的上方，若其上下游存在特殊地形如支流、分叉等應(yīng)避開。

地質(zhì)方面應(yīng)選擇地下存在巖層或土質(zhì)堅(jiān)硬的河床地段，避免地下存在斷層、溶洞等，防止對(duì)墩臺(tái)基礎(chǔ)造成傷害。

1.2 墩臺(tái)基底埋置深度

河床沖刷是影響埋置深度的主要因素。河床沖刷，根據(jù)其沖刷機(jī)理分為：河流自然沖刷是指在設(shè)計(jì)洪水條件下河床瞬時(shí)最大沖刷，河床最低沖刷線是指設(shè)計(jì)洪水條件下考慮了各種影響因素下河床沖刷后的最低河床高程。

影響河床沖刷的各種因素在橋渡設(shè)計(jì)中一般分為：天然沖刷是指無橋梁建筑物時(shí)河床在設(shè)計(jì)流量下的沖刷；一般沖刷是指受到橋渡壓縮后因水流集中單寬流量增大而引起的河床沖刷；局部沖刷是處于過流區(qū)的橋墩或橋臺(tái)建筑物附近因局部渦旋流形成的河床沖刷[2]。

采用不同的公式計(jì)算出的沖刷深度存在一定的差異，橋梁設(shè)計(jì)中采用的設(shè)計(jì)頻率流量相差30%，則計(jì)算得到的沖刷深度相差約20%。在我國橋渡水文規(guī)范中，將設(shè)計(jì)洪水條件下，因橋渡壓縮發(fā)生的河床面沖刷分解為兩步：先完成一般沖刷，然后再出現(xiàn)局部沖刷，而一般沖刷計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果認(rèn)為是包含了天然沖刷在內(nèi)。計(jì)算一般沖刷的公式算出的結(jié)果是一般沖刷后的最大水深，而局部沖刷計(jì)算公式采用一般沖刷完成后的水流和泥沙參數(shù)，算出的是最大沖刷深度?？倹_刷后的最大水深為一般沖刷水深與局部沖刷深度之和。最低沖刷線高程等于設(shè)計(jì)水位與總沖刷后水深之差[3]。

1.3 導(dǎo)流設(shè)施設(shè)計(jì)

引水設(shè)施的布置主要是通過調(diào)節(jié)水流和河道，保證通過橋孔的水流均勻流暢，避免橋址附近河床和河岸的不利變形，并為橋梁、橋墩和橋頭引道的正常使用提供可靠保證。根據(jù)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)水流的影響，可分為導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、懸臂結(jié)構(gòu)和底流結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)可以單獨(dú)設(shè)置，也可以組合設(shè)置。此外，可以采取生物措施補(bǔ)充控制結(jié)構(gòu)，如植樹造林等。

2 河床局部沖刷

2.1 概述

國內(nèi)外大多數(shù)橋梁都是跨水橋梁，而造成橋梁損壞等事故的主要原因是河流不穩(wěn)定、長期沖刷、一般沖刷和局部沖刷。1987年-1999年間，美國已有25 座橋梁因事故而被摧毀。各種調(diào)查結(jié)果表明，造成重大橋梁事故有一半以上是由于洪水作用下橋墩局部沖刷造成的[4]。

在橋梁建成之后，除了河床的自然演變外，還有由于橋墩阻礙水流和泥沙的運(yùn)動(dòng)而引起的河床沖刷，它們交織在一起同時(shí)進(jìn)行，沖刷過程非常復(fù)雜。河床沖刷的力學(xué)原理是水流作用于河床面上泥沙顆粒的切應(yīng)力，在水流切應(yīng)力大于泥沙顆?？沽l件下，床面上泥沙被水流帶走。天然河流因?yàn)楹恿鬟吔绮灰?guī)則，所以水流運(yùn)動(dòng)一般是三維的，河床面上不同空間位置的流動(dòng)物理量是不同的，流動(dòng)邊界的變化通常帶來局部流暢的變化。例如，處于水流區(qū)域的橋墩或橋因其阻擋水流，在其周圍產(chǎn)生渦旋流，這樣的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與遠(yuǎn)離阻水物區(qū)域的流動(dòng)結(jié)構(gòu)有明顯不同，因而對(duì)河床上泥沙顆粒的作用力也明顯不同。工程中為了方便計(jì)算，常將天然河流運(yùn)動(dòng)按一維總流處理，而一維總流不能反映流動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部特點(diǎn)，所以只能將總體的沖刷現(xiàn)象認(rèn)為劃分為天然沖刷、一般沖刷、局部沖刷。

橋下河床沖刷的河流動(dòng)力學(xué)解釋：河床沖刷最直接的物理概念就是水流對(duì)泥沙顆粒的作用力和泥沙顆粒抵抗水流作用力相互平衡問題，當(dāng)后者大于前者時(shí)，泥沙顆?？梢员３制湎鄬?duì)靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)前者大于后者時(shí)泥沙顆粒在水流作用下失去靜止的平衡狀態(tài)而被水流挾帶運(yùn)動(dòng)。因此在水流作用力與泥沙顆粒抗動(dòng)力之間存在一個(gè)臨界平衡力，使得泥沙顆粒處于由相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入隨水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)臨界平衡狀態(tài)。泥沙顆粒受水流作用力由靜止于河床的狀態(tài)轉(zhuǎn)入由水流挾帶運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，這一過程是復(fù)雜的，而其中臨界狀態(tài)的描述也是復(fù)雜的。復(fù)雜性主要表現(xiàn)在：其一，天然水流處于紊流流態(tài)，天然水流的紊動(dòng)性決定了泥沙顆粒受到的水流作用力嚴(yán)格來講具有不確定性，但可以由時(shí)均量描述；其二，泥沙顆粒的大小、形狀是不均勻的，不同顆粒受水流作用出現(xiàn)臨界不平衡狀態(tài)的條件是不同的；其三，河床面上各泥沙顆粒所處的相對(duì)位置千差萬別，影響了水流對(duì)各顆粒施加作用力的不同，并且顆粒之間相互作用力也不同。

研究河床沖刷，實(shí)際上是研究泥沙顆粒在各種力作用下由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡S水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的臨界平衡條件。河床沖刷研究還可以從水流挾沙能力的角度分析。天然河流泥沙運(yùn)動(dòng)可描述為懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)和推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)兩種形式。采用推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸沙率公式根據(jù)輸沙平衡可計(jì)算河床沖刷量。據(jù)實(shí)際觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)河流輸沙以懸移質(zhì)輸沙為主，我國長江、黃河多年觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，年均懸移質(zhì)輸沙量占年均全部輸沙量的95%以上。采用懸移質(zhì)挾沙能力公式可近似推出河床沖刷的沙量。

2.2 橋墩繞流沖刷特征

橋孔范圍內(nèi)最大單寬流量出現(xiàn)的位置將產(chǎn)生最大沖刷。一般過流斷面上垂線平均流速分布不均勻，河床組成也不一定均勻，導(dǎo)致河床沖刷深度在整個(gè)斷面內(nèi)是不同的。這就有可能沿橫斷面寬度不同位置上沖刷停止時(shí)流速不同，即不同位置沖止流速不同。當(dāng)沖刷停止時(shí)沖刷深度最大的位置應(yīng)具有最小的沖止流速。根據(jù)連續(xù)原理，一般沖刷停止后的最大水深可由連續(xù)方程給出[5]。

3 橋墩壅水

3.1 概述

跨河橋梁的修建，因橋墩、橋臺(tái)侵占河流斷面，導(dǎo)致行洪斷面縮小，水流流線在橋梁的上游形成了收縮，下游形成了擴(kuò)散，加上橋體本身的阻力等原因致使河道改變局部流態(tài)，上游水位壅高，改變河道天然水面的形態(tài)，形成了橋梁上下的水位差。河道橋梁壅水在流量低的情況下并不明顯，而在洪水期間較為明顯，對(duì)河床造成影響。

3.2 橋渡壅水影響因素

河道水流流態(tài)、河道邊界、河床地質(zhì)、冰塞、橋墩型式及布置形式等都會(huì)影響橋渡壅水，其影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜。

在北方冬天河流中的冰塞會(huì)引起河道過流斷面面積減小，從而導(dǎo)致橋梁上游壅水。通過數(shù)值模擬，研究了不同冰塞厚度、在相同進(jìn)口流速條件下，相同冰塞厚度、不同進(jìn)口流速條件下橋墩壅水的變化規(guī)律。結(jié)果表明：冰塞厚度、進(jìn)口流速對(duì)橋墩壅水有很大影響；在冰塞等相同條件下，最大壅水高度隨進(jìn)口流速增加而增大；在進(jìn)口流速等相同條件下，最大壅水高度隨冰塞厚度的增加而增大。

河流流態(tài)對(duì)橋渡壅水也有不同程度的影響，在河流急流下橋渡壅水效應(yīng)要大于河流緩流條件下橋渡壅水效應(yīng)。橋軸線與河流中心線的夾角大小對(duì)橋渡雍水的影響，例如橋墩間距相同的條件下，斜交角度越大，最大壅水高度越大，因此在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使橋梁軸線與水流方向成正交，以降低上游水位壅高對(duì)河道防洪帶來的不利影響[5]。

4 結(jié)語

從橋渡設(shè)計(jì)內(nèi)容、局部沖刷、壅水三方面可以看出橋渡設(shè)計(jì)的重要性：其一，橋渡設(shè)計(jì)為跨水建筑物提供了寶貴的理論基礎(chǔ)。其二，在眾多的橋梁水毀事故中，有超過一半是由沖刷引起的，局部沖刷的研究為橋梁基礎(chǔ)埋深的設(shè)計(jì)提供了參考。其三，隨著基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，越來越多的橋梁建筑屹立在大河、大江、大海、深谷中，例如長江大橋、北盤江大橋、港珠澳大橋等。橋梁修建會(huì)占用縮小河道行洪斷面，造成橋梁上游水位壅高，對(duì)防洪產(chǎn)生不利影響。因此，如何正確分析計(jì)算橋墩壅水對(duì)防洪等方面的影響，以采取合適的補(bǔ)償措施是橋渡設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)。