曾桂華，程素珍，張慶麗

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省科源工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 濟(jì)南 250014）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和建筑水平的快速提高，跨河橋梁的建設(shè)數(shù)目越來越多，規(guī)模越來越大，部分墩臺(tái)不可避免地位于河道的行洪斷面內(nèi)，在一定程度上阻礙河道行洪，改變局部河道水流流態(tài)，對(duì)河道行洪安全造成一定影響，橋墩部位的沖刷，在一定程度上也影響橋梁自身安全。為了河道的行洪安全和橋梁自身運(yùn)行安全，對(duì)橋梁墩臺(tái)進(jìn)行沖刷分析計(jì)算是必要的。沖刷深度計(jì)算公式的選擇正確與否、成果是否合理，會(huì)直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)論，也是水行政主管部門對(duì)橋梁建設(shè)方案進(jìn)行審查的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

1.1 河床自然演變沖刷

1）縱向沖刷?？v向沖刷計(jì)算公式規(guī)范一般采用一維河床沖淤數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，采用上下斷面河道含沙量的變化推算一般沖刷深度。受目前理論研究水平的制約，根據(jù)理論公式計(jì)算的天然河道挾沙能力成果，存在較大偏差，對(duì)設(shè)計(jì)人員來說確定縱向沖刷成果難度較大。

2）橫向沖刷。橫向沖刷是河槽橫向變動(dòng)引起的自然演變沖刷，對(duì)于天然河道，橫向沖刷是不可避免的，但考慮到在山東地區(qū)，按地貌大體分為黃泛平原區(qū)和山丘區(qū)。對(duì)于黃泛平原區(qū)，基本以淤積為主，對(duì)于山丘區(qū)，由于局部侵蝕基準(zhǔn)面抗沖刷能力較強(qiáng)，短期的自然演變沖刷也比較小，因此，考慮到目前計(jì)算方法不太可靠，且短時(shí)間變化很小，在沖刷計(jì)算中，一般不再考慮河床自然演變沖刷對(duì)墩臺(tái)的影響。

1.2 橋下一般沖刷

因橋梁墩臺(tái)的修建，壓縮了河道的行洪斷面，致使橋孔上游水流急劇集中流向橋孔，河床切應(yīng)力迅速加大，在橋下河床斷面內(nèi)發(fā)生的沖刷稱為橋下一般沖刷，隨著其沖刷發(fā)展橋下段面逐漸增大，流速降低，至泥沙輸送和交換達(dá)到暫時(shí)的平衡狀態(tài)時(shí)，一般沖刷便趨于停止。通過計(jì)算某一設(shè)計(jì)頻率洪水沖刷后的最大水深計(jì)算橋下一般沖刷深度，一般采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC30－2015）中推薦的公式進(jìn)行計(jì)算。

河床土質(zhì)類別直接決定一般沖刷公式的選擇，所以進(jìn)行橋下一般沖刷計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)河床的實(shí)際土層情況，區(qū)分河床是非粘性土還是粘性土，然后對(duì)河槽和河灘部分分別采用規(guī)范推薦的公式進(jìn)行計(jì)算。

1.3 墩臺(tái)局部沖刷

墩臺(tái)對(duì)水流的干擾造成的局部沖刷是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力過程，影響沖刷坑的深度和大小的因素較多，墩前行近流速、橋墩寬度、墩體形狀、床沙粒徑、河流水深、水流交角等都是密切的影響因素。橋墩影響下的紊流是產(chǎn)生局部沖刷的內(nèi)因，但紊流沖刷問題目前沒有具體的計(jì)算理論，《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC30-2015）中局部沖刷計(jì)算公式綜合考慮了影響橋臺(tái)局部沖刷的外部因素，并進(jìn)行了水槽模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，其計(jì)算結(jié)果基本可靠、合理。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

故獻(xiàn)大橋位于高密市故獻(xiàn)村東南的膠河中泓線樁號(hào)K43+595 處，為原址拆除重建，橋梁全長125 m，跨徑組合6×20 m，共有7 個(gè)橋墩，其中5 個(gè)橋墩布置在河槽內(nèi)，2 個(gè)橋臺(tái)位于河灘上，橋墩直徑均為1 500 mm。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋面連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)采用U 型橋臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)，柱式墩擴(kuò)大基礎(chǔ)。

橋址處河道為復(fù)式斷面，河槽底寬102.68 m、底高程24.3 m，邊坡1∶2，河灘寬度6 m、灘頂高程29.39 m，兩岸岸頂高程31.59 m。河道設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇、設(shè)計(jì)流量680.00 m3/s、設(shè)計(jì)洪水位為30.49 m，故獻(xiàn)大橋設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇、設(shè)計(jì)流量2 218 m3/s、設(shè)計(jì)洪水位為31.69 m。

經(jīng)對(duì)河槽地層巖性的綜合分析，故獻(xiàn)大橋處地層性質(zhì)判別為粉土，沖刷計(jì)算時(shí)按非粘性土公式進(jìn)行，故獻(xiàn)大橋的沖刷計(jì)算時(shí)分別按64-2 簡(jiǎn)化式和64-1 修正式進(jìn)行計(jì)算。為節(jié)省篇幅，只對(duì)河槽進(jìn)行一般沖刷計(jì)算和分析。

2.2 非黏性土河槽一般沖刷計(jì)算

本次計(jì)算工況采用20 年一遇洪水的設(shè)計(jì)流量，根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC30-2015） 中推薦的兩個(gè)非黏性土河槽一般沖刷公式分別進(jìn)行計(jì)算，用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）推薦的計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)證。1

）64-2 簡(jiǎn)化式。

式中：hp為一般沖刷后的橋下最大水深，m；QP為相應(yīng)計(jì)算頻率的河道設(shè)計(jì)流量，m3/s；Qc為未建橋天然河槽設(shè)計(jì)流量，m3/s；Q2為相應(yīng)計(jì)算頻率的橋下河槽設(shè)計(jì)流量，m3/s；Qt1為未建橋天然橋下河灘設(shè)計(jì)流量，m3/s；Bz為造床流量時(shí)的河槽寬度，m，123.04 m；Bcg為設(shè)計(jì)橋長范圍內(nèi)河槽的寬度，m，取123.04 m；μ 為橋墩對(duì)水流的側(cè)向壓縮系數(shù)，μ 取值為0.97。

經(jīng)計(jì)算hp為1.43 m。

2）64-1 修正式

式中：Bcj為河槽部分的過水凈寬，m，項(xiàng)目中采用與平灘水位相應(yīng)的寬度作為造床流量時(shí)的河槽寬度，即123.04 m；hcq為河槽部分的平均水深，m；d 為河槽部位泥沙的平均粒徑，mm，根據(jù)地質(zhì)資料，本項(xiàng)目取0.08 mm；E 為和汛期河流含沙量相應(yīng)的系數(shù)，根據(jù)河道的含沙量，項(xiàng)目取0.66；其余符號(hào)含義同前。經(jīng)計(jì)算hp為1.77 m。

根據(jù)對(duì)本工程的實(shí)際沖刷的跟蹤測(cè)量調(diào)研，反推出的一般沖刷值為1.51 m，64-2 簡(jiǎn)化式計(jì)算成果與實(shí)際測(cè)量值的誤差為17.22%；64-1 修正式計(jì)算成果與實(shí)際測(cè)量值的誤差為5.30%，可見64-1 修正式計(jì)算成果更接近于實(shí)際。

2.3 非黏性土河槽一般沖刷計(jì)算公式的由來及存在的不足

當(dāng)橋梁上游天然斷面來沙量G 大于橋下沖刷區(qū)排出沙量G 時(shí)，床面則淤積；來沙量小于排沙量時(shí)，床面則沖刷；來沙量與排沙量相等時(shí)，沖淤平衡。推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生河槽沖刷的主要因素，根據(jù)推移質(zhì)輸沙量平衡條件，導(dǎo)出橋下河槽斷面64-2 一般沖刷計(jì)算公式。1964 年中國土木工程學(xué)會(huì)“橋梁沖刷計(jì)算學(xué)術(shù)會(huì)議”把“64-2 計(jì)算式”作為推薦的橋下一般沖刷計(jì)算公式之一寫入規(guī)范，由于其計(jì)算考慮影響因素較多，計(jì)算繁瑣，1985 年西安公路學(xué)院對(duì)“64-2 計(jì)算式” 進(jìn)行簡(jiǎn)化，即為“64-2 簡(jiǎn)化式”，計(jì)算簡(jiǎn)便且其精度與“64-2 計(jì)算式” 相當(dāng)。它是依據(jù)河槽輸沙平衡理論建立的公式，并參照外國相應(yīng)同類公式和我國多年橋梁洪水沖刷實(shí)測(cè)觀測(cè)資料進(jìn)行了驗(yàn)證修正，具有豐富的實(shí)踐基礎(chǔ)和堅(jiān)實(shí)理論，其計(jì)算成果比較符合橋下河流一般沖刷深度的實(shí)際情況。

64-1 修正式也是1964 年中國土木工程學(xué)會(huì)在會(huì)議上推薦的橋下一般沖刷計(jì)算公式，《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ062-91）對(duì)64-1 計(jì)算式作了局部修正，即為64-1 修正式。

這兩個(gè)公式的建立都是依據(jù)水力學(xué)連續(xù)性原理，依據(jù)沖止流速的概念建立的適合非黏性土河槽的一般沖刷計(jì)算公式。在山東省水利廳2021 年度重點(diǎn)調(diào)研課題“涉河、涉水建筑物對(duì)洪水的影響以及防護(hù)措施落實(shí)、運(yùn)行情況的調(diào)研報(bào)告”中，對(duì)已竣工的山東省境內(nèi)20 個(gè)涉河建設(shè)項(xiàng)目、50 個(gè)單項(xiàng)工程為對(duì)象進(jìn)行了修建涉河項(xiàng)目的河槽實(shí)際沖刷情況調(diào)研得知，對(duì)非黏性土河槽，泥沙平均粒徑對(duì)計(jì)算成果影響較大，公式64-1 修正式更接近于實(shí)際情況。

3 結(jié)論及建議

1）橋梁墩臺(tái)沖刷是一個(gè)復(fù)雜河槽再造過程，是水流、結(jié)構(gòu)物和泥沙之間三維的相互作用問題，目前尚無符合計(jì)算精度要求的單一公式，只能將復(fù)雜的沖刷過程分解為河床自然演變沖刷、橋下一般沖刷、墩臺(tái)局部沖刷三個(gè)相對(duì)獨(dú)立部分，并假定三部分沖刷過程依次進(jìn)行，采用不同公式分別計(jì)算，將三部分計(jì)算結(jié)果相加，作為橋梁墩臺(tái)的最大計(jì)算沖刷深度。對(duì)于不同條件下的橋梁墩臺(tái)沖刷機(jī)理尚有待進(jìn)一步研究。

2）橋下沖刷計(jì)算公式形式較多，各行業(yè)根據(jù)沖刷影響因素的側(cè)重均相應(yīng)提出了本專業(yè)的計(jì)算方法，但所有公式的理論基礎(chǔ)均來自國外的同一參考資料，雖進(jìn)行了幾十年研究，理論上缺少創(chuàng)新，當(dāng)代跨河建筑物的形式和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了較大變化，需要開展橋下沖刷計(jì)算理論研究。

3）由于計(jì)算理論和方法的局限性，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)在役工程沖刷觀測(cè)，積累工程經(jīng)驗(yàn)，為今后類似工程項(xiàng)目沖刷計(jì)算提供更加可靠的依據(jù)。