肖玉德 孫開旗

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051）

1 概述

橋梁是現(xiàn)代化建設(shè)中的基礎(chǔ)交通載體和重要設(shè)施， 無論是在交通出行、 貨物運輸， 還是在促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中都發(fā)揮著核心作用和關(guān)鍵價值。 然而， 作為一個重要的交通運輸樞紐， 橋梁工程在施工開展也存在一定阻礙， 就外部阻礙因素來說： 復(fù)雜的工程開展環(huán)境、 水土流失、 洪水、 泥石流和地震等具有不可抗性自然災(zāi)害； 就內(nèi)部阻礙因素來看： 周密性和科學(xué)性設(shè)計施工方案、 現(xiàn)場的交通及專業(yè)碰撞交叉等。 國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)， 侵蝕是橋梁的重要因素之一。

當(dāng)橋梁工程建在河流中時， 橋梁的基礎(chǔ)， 如柱子和墩， 會隨著河水的流動資產(chǎn)狀況和河床的自然環(huán)境變動發(fā)展?fàn)顩r而發(fā)生時間變化。 當(dāng)水流受阻時， 橋墩結(jié)構(gòu)、 橋墩周圍水流狀態(tài)發(fā)生變化， 形成渦流和底切流， 最終形成河床沖刷。 沖坑的形成將減小橋基的深度， 降低橋基的承載力。

目前， 對橋墩周圍沖刷的研究方法主要通過集中在沖刷影響因素、 沖刷作用機(jī)理、 沖刷試驗和數(shù)值模擬技術(shù)等方面。 對這些問題取得了一些成果， 也取得了一些解決辦法。 事實上， 河流相關(guān)橋梁的建設(shè)需要在施工前進(jìn)行合理的預(yù)判， 并對已建成的河流相關(guān)橋梁進(jìn)行運營安全評估， 特別是對橋墩周圍沖刷的評估。 然而， 關(guān)于既有橋梁技術(shù)基礎(chǔ)和未建橋梁發(fā)展基礎(chǔ)沖刷風(fēng)險管理評估的研究工作成果較少。 局部沖刷風(fēng)險評價可為河道橋梁的選址、 測量、 設(shè)計、 施工和運營管理提供有力的支持。 因此， 研究橋墩局部沖刷的分類和評價具有重要意義。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)， 現(xiàn)有的局部沖刷風(fēng)險管理評估方法研究內(nèi)容主要問題包括： 沖刷引起的沖刷坑深度預(yù)測、 局部沖刷破壞風(fēng)險分析評估和預(yù)測， 基于企業(yè)風(fēng)險的沖刷坑深度。 本文對地方?jīng)_刷評價的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述， 并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。

2 沖刷坑深度預(yù)測研究

2.1 橋墩局部沖刷影響因素

影響橋墩周圍局部沖刷的因素很多。 目前， 影響因素的研究大致可分為三大類： 流量因素、 泥沙因素和碼頭因素。

1） 流量系數(shù)。 流動因素一般包括接近速度、 接近水深和水沖擊角。 針對接近中國速度對橋墩周圍進(jìn)行局部沖刷的影響， 已進(jìn)行了分析大量的試驗方法研究。

東爾認(rèn)為， 在移動床偵察階段， 由于上游砂供應(yīng)的原因， 偵察深度隨著接近速度的增加而減小， 當(dāng)減小到最小時再次增加到另一個峰值。 王順義通過分析模型進(jìn)行研究了不同可以逼近中國速度對移動床條件下沖刷坑深度和范圍的影響系統(tǒng)測試。 結(jié)果表明， 隨著流速的增大， 沖刷坑的最大深度和最大范圍增大。

王順意和Raudkiv的實驗研究表明， 局部沖刷的最大深度隨著接近水深的增加而增加。 根據(jù)Dey， 當(dāng)近水深度影響較小， 局部沖刷的最大經(jīng)濟(jì)深度發(fā)展隨著中國接近水深的增加而顯著增加， 但當(dāng)接近水深增加到一定大值時， 最大工作深度與接近學(xué)生深度學(xué)習(xí)無關(guān)。

田勇、 張新燕等學(xué)者也進(jìn)行了不同水沖擊角度下的局部沖刷試驗， 得出了一些結(jié)論。

2） 沉積因子。 有學(xué)者如Santos認(rèn)為泥沙顆粒的大小對橋墩周圍局部沖刷最大深度沒有影響， 而Gill等學(xué)者認(rèn)為泥沙顆粒的大小與橋墩周邊最大沖刷深度有關(guān)。

受天然河流泥沙分布不均勻等自然因素的影響，應(yīng)就泥沙非均勻性對橋墩及周邊工程局部沖刷的破壞性進(jìn)行全面分析和深入研究。

Chiew和趙凱進(jìn)行了床沙非均質(zhì)性對局部沖刷影響的模型試驗， 發(fā)現(xiàn)局部沖刷坑的深度、 范圍和體積隨著床沙非均質(zhì)性的增加而減小。

3） 橋墩因素。 橋墩對水流的壓縮作用是橋墩周圍局部沖刷的直接原因。 因此， 橋墩長度、 墩寬等橋墩數(shù)據(jù)是研究橋墩周圍局部沖刷的重要因素。

韓敏對不同直徑的圓柱墩進(jìn)行了模型試驗， 結(jié)果表明， 直徑越大， 沖刷坑范圍越大。

贠鵬進(jìn)行了類似的數(shù)值模擬， 結(jié)果表明， 在移動床條件下， 沖刷坑深度隨著直徑的增加而增加。

2.2 橋墩局部沖刷深度計算公式

長期發(fā)展以來， 由于墩臺局部沖刷機(jī)理的復(fù)雜性和影響社會因素的多樣性， 局部沖刷深度的計算企業(yè)沒有一個統(tǒng)一的理論分析公式。 近年來， 有兩種分析方法和半經(jīng)驗方法。

國內(nèi)外常用的局部沖刷深度計算公式如下。

2.2.1 《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》 （JTG C30—2015） 中的65 -2 式和65 -1 修正式

一些發(fā)展中國企業(yè)工程師和專家對中國碼頭局部沖刷試驗的數(shù)據(jù)和結(jié)果我們進(jìn)行了研究總結(jié)和分析。根據(jù)137 次活動床墩沖刷試驗和115 次清水沖刷試驗的資料， 建立了非粘性土層局部沖刷深度的預(yù)測公式。 它們是（64 -1）、 （64 -2）、 （65 -1）、 （65 -2）和修訂（65 -1）， 這些公式在我國的公路、 鐵路和水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

對于非粘性土河床， 公式（65 -2） 和修訂（65-1） 是根據(jù)我國各河段和橋梁多年實測數(shù)據(jù)和模型試驗數(shù)據(jù)分析得出的， 已廣泛應(yīng)用于橋墩周圍局部沖刷計算。 公式（65 -2） 和修訂（65 -1） 如下。

65 -2 式：

65 -1 修正式：

公式中K為河床顆粒影響系數(shù)， 其它參數(shù)與前相同。

2.2.2 美國HEC-18 公式

該公式由Richardson 和Davis等人建立。 它也被美國聯(lián)邦公路管理局的FHWA推薦使用。 公式為：

式中： K是橋墩形狀， K、 K、 Kη3、 K分別為考慮水流沖擊角、 河床狀況、 床沙粒徑分布、 寬墩影響的系數(shù)； F為弗汝德數(shù)； d為床沙粒徑（mm）；V、 V分別為粒徑d泥沙的墩前行進(jìn)流速、 臨界流速（m/s）。

2.2.3 梅爾維爾公式

Melville和Sutherland 通過對橋墩沖刷試驗數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計， 基于包絡(luò)曲線的方法建立了Melville公式， 公式為：

式中： K是橋墩形狀系數(shù)， K、 K、 K yb、 K分別為水流強(qiáng)度系數(shù)、 床沙粒徑系數(shù)、 泥沙非均勻性調(diào)整系數(shù)及水流深度與墩寬綜合修正系數(shù)； V為床沙的臨界流速。

3 局部沖刷失效風(fēng)險評估研究

在橋梁工程設(shè)計和后期運營中局部沖刷風(fēng)險是難以回避的， 作為影響橋梁安全性的突出因素， 局部沖刷也是橋梁安全性評估的重點內(nèi)容之一。 為了進(jìn)一步明確局部沖刷的損害情況， 應(yīng)結(jié)合風(fēng)險的發(fā)生機(jī)制和規(guī)律， 深入探究科學(xué)的安全性評價方法， 以此來更好地提高工程建設(shè)水平。 橋墩局部沖刷風(fēng)險管理評估對判斷一個局部發(fā)生的橋梁破壞影響程度和判斷橋墩局部沖刷具有研究和應(yīng)用的理論及現(xiàn)實意義。 目前比較常用的風(fēng)險評價方法可以歸納為： 事故樹法、 模糊綜合評價法， 其次還有層次分析法以及逆方法。 應(yīng)根據(jù)工程開展的實際情況， 結(jié)合不同的評估方法， 妥善選擇， 發(fā)揮其在有效評估橋梁局部沖刷風(fēng)險的價值作用。

王飛在分析橋墩局部沖刷的各項參數(shù)過程中， 進(jìn)一步總結(jié)了影響因素， 并通過選取主要破壞因素， 將其作為評價指標(biāo)， 合理量化為四個等級指標(biāo)， 建立了局部沖刷和模糊風(fēng)險評價模型。 該模型可以用于進(jìn)行評價研究甘肅省會蘭州楊家灣大橋的危險性。

姜旭根據(jù)黃土流域水文地質(zhì)特點， 研究分析了橋梁在水流沖刷作用下的損傷類型， 并結(jié)合大量研究試驗和工程實際調(diào)查， 針對黃土河谷環(huán)境的受沖刷影響因素， 有效地構(gòu)建了橋梁損傷指標(biāo)體系。

在充分分析影響黃河大橋墩基礎(chǔ)的安全因素的基礎(chǔ)上， 建立了橋墩基礎(chǔ)安全評價指標(biāo)體系和安全評價模型。 黃河是馮忠居采用模糊水平綜合評價法建立的。 將該模型應(yīng)用于鄭州柳江黃河大橋的安全性評價。

Bryan 等工程研究人員， 就坦桑尼亞某地區(qū)的部分公路橋梁進(jìn)行深入調(diào)查， 就其中的8 座橋梁進(jìn)行了安全風(fēng)險評估， 并針對沖刷條件， 建立了特定的函數(shù)關(guān)系， 得到了臨界荷載的相關(guān)數(shù)據(jù)， 結(jié)合失效原理用統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算臨界荷載下的沖刷破壞概率。

目前我國已經(jīng)可以采用損傷模型、 損傷效應(yīng)研究分析和風(fēng)險優(yōu)先級等方法對橋梁局部沖刷病害的損傷風(fēng)險管理進(jìn)行數(shù)據(jù)量化。

4 基于風(fēng)險理論的沖刷坑深度預(yù)測分析

造成橋墩出現(xiàn)局部沖刷現(xiàn)象的因素有許多， 且具有無規(guī)律特點。 這些無規(guī)律因素不僅是造成安全風(fēng)險的來源， 更是造成我國傳統(tǒng)計算公式不準(zhǔn)確的重要原因， 亟待對局部進(jìn)行沖刷坑深度進(jìn)行更深入的探索和計算。 因此， 如何更準(zhǔn)確地預(yù)測橋墩周圍進(jìn)行局部沖刷坑的深度， 是擺在我們大家自己面前的一個重要難題。 隨著風(fēng)險評估在橋墩局部沖刷研究中的應(yīng)用， 一些學(xué)者將其應(yīng)用于沖刷坑深度預(yù)測研究中。

基于馬爾可夫模型， 考慮到累積過程中， 沖刷侵蝕演化存在關(guān)鍵時間效應(yīng)， 結(jié)合洪水事件的不可預(yù)測性， 難以確定洪水流量以及洪峰的發(fā)展規(guī)律和趨勢，圖巴爾迪就清水條件下的橋墩局部沖刷情況， 構(gòu)建了概率評估框架。

在NCHRP項目“基于企業(yè)風(fēng)險的橋梁沖刷預(yù)測分析方法” 中， Lagasse等人對局部沖刷預(yù)測管理方法問題進(jìn)行了一個基于財務(wù)風(fēng)險相關(guān)研究， 通過識別和評估在局部沖刷狀態(tài)下的水文及水力情況， 結(jié)合預(yù)測數(shù)據(jù)模型在建立中存在的不確定因素， 并將應(yīng)用比較廣泛的水力模型與洪水預(yù)測框架相結(jié)合， 進(jìn)一步提出了發(fā)展預(yù)測洪水技術(shù)的項目。 在此項目的NCHRP761 項目報告中， Lagasse和其他項目人員開發(fā)了一種能夠預(yù)測局部沖刷坑的深度的方法， 該方法以沖刷風(fēng)險為基礎(chǔ)， 將侵蝕估計與概率統(tǒng)計數(shù)據(jù)有機(jī)整合， 實現(xiàn)了提升分析可靠性的為目標(biāo)， 然而理論研究和實際分析中仍需要保證足夠的洪水勘測試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)場勘測作為概率支持和統(tǒng)計依據(jù)存在很大不確定性， 因此以計算沖刷坑深度為目標(biāo)的風(fēng)險評估項目尚處于有待深入開發(fā)階段。

5 結(jié)語

本文通過系統(tǒng)總結(jié)了橋墩局部沖刷危害評價的主要問題研究發(fā)展成果， 并進(jìn)行了初步分析， 包括沖刷坑深度預(yù)測、 局部沖刷危害風(fēng)險管理評估和風(fēng)險控制理論教學(xué)評價等研究工作成果。

同時， 本文應(yīng)從以下幾個方面對橋墩的侵蝕危害評價進(jìn)行研究。

1） 細(xì)化沖沙坑深度預(yù)測公式。 由于水文、 地質(zhì)、地形和建筑物的差異， 很難提出不同工作條件的公式。 目前， 土壤性質(zhì)等因素可以作為社會影響主要因素的分類管理方法略粗糙， 計算分析結(jié)果往往偏差較大， 建議細(xì)化公式分類。

2） 橋墩局部沖刷風(fēng)險評估因素量化。 在局部沖刷風(fēng)險評估方面， 基于模糊理論或?qū)哟畏治龇ǎˋHP） 的方法都是依靠人為確定指標(biāo)， 這會造成主觀誤差。 在未來的研究中， 有必要進(jìn)行深化對參數(shù)內(nèi)在關(guān)系的研究， 以盡量減少我們?nèi)祟惿鐣J(rèn)知能力可能就會造成的偏差。