阿什河哈爾濱城區段橋墩沖刷計算

毛倩倩，李碩嬌，季永興

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

阿什河位于哈爾濱市東部，是松花江右岸的一級支流，干流河道長213 km，流域面積3 581 km2。阿什河下游哈爾濱市城區段約25 km，橫跨香坊和道外兩個區，其間有11座公路橋梁和1座跨河鐵路橋梁。由于河道中設置了橋梁墩臺，部分橋梁為減少投資而局部縮窄河道，使得橋梁位置河道過水斷面縮窄，上下游水位差加大，流速加快，橋下河床沖刷嚴重，影響了河床穩定，并進一步影響橋梁安全。

橋梁墩臺沖刷在沖積性河流中是無法避免的問題，是一個綜合復雜的沖刷過程。橋梁墩臺位置局部流速加大，墩臺周圍水流的邊界層分離，從而產生高強度水流沖擊和旋渦作用，使墩臺附近河床產生沖刷，形成下切變形現象。當橋梁墩臺周圍沖刷坑深度較大時，會大大影響橋梁基礎的穩定，威脅到橋梁自身的安全，需要進行橋梁防護。因此，橋墩沖刷計算就成了進行橋梁防護工程的首要任務。國內外學者通過物理模型試驗、現場觀測對橋梁沖刷的機理進行了分析研究，并通過實際測量及多變量分析等方法提出了一些橋墩沖刷計算方法[1]。

為向阿什河下游段河道整治建設部門提供橋梁位置合理過水斷面，同時為橋梁防護提供可靠設計依據，筆者等人擬通過對國內外有關橋墩沖刷計算方法進行分析，結合實際工程選擇可行性計算方法，并對哈爾濱阿什河城區段部分橋梁進行沖刷計算，為其橋墩防護工程提供科學依據。

1 國內外橋墩沖刷計算研究

在計算橋梁墩臺沖刷時，應考慮橋孔壓縮后河床斷面內發生的一般沖刷、墩臺周圍水流結構發生急劇變化引起局部沖刷、河床自然演變沖刷等其他影響因素引起的沖刷。橋梁墩臺沖刷深度的計算是對一般沖刷深度和局部沖刷深度進行計算，然后將兩者結果疊加，作為橋梁墩臺的最大沖刷深度計算值，以此來確定橋梁墩臺防護工程的依據。

1.1 一般沖刷深度計算方法

（1）1964年，甘城道按照輸沙平衡原理建立一般沖刷深度計算公式[2]，即64-2公式：

（2）由于64-2公式包含了變指數m1和變系數k，需要大量野外實測資料，計算較為復雜，因此公路橋位勘測設計規范推薦使用64-2簡化公式[3]：

式中各參數意義見公式（1）中各參數意義。

（3）按沖止流速建立公式[4]，則非粘性土河槽一般沖刷深度計算64-1公式為：

式中，Bc為河槽部分橋孔過水凈寬，m；A為單寬流量集中系數；Q2為橋下河槽部分通過的設計流量，m3/s；為橋下河槽平均水深，m；hmax為設計斷面上河槽最大水深，m；為河槽泥沙平均粒徑，mm；E為與汛期含沙量的系數，S=（1～10）kg/m3時，E=0.66，S＞（1～10）kg/m3時，E=0.86。

非粘性土河灘的一般沖刷計算64-1公式為：

式中，Q′t為橋下河灘部分通過的設計流量，m3/s；hmt為橋下河灘最大水深，m；為橋下河灘平均水深，m；B′t為橋下河灘部分橋孔過水凈寬，m；vH1為河灘水深1 m時，非粘性土不沖刷流速，m/s。

（4）按沖止流速建立公式，則粘性土河床的橋下斷面一般沖刷計算公式，河槽部分為：

式中，IL為沖刷范圍內粘性土的液性指數，取值范圍為0.16～1.19；其余參數意義見公式（3）各參數意義。

粘性土河灘部分一般沖刷公式為：

式中，各參數意義見公式（4）中各參數意義。

根據別列柳伯斯基的假定建立的公式[5]：

包爾達可夫根據別列柳伯斯基的假定，建立的橋下一般沖刷的經驗公式，稱為包爾達可夫公式，適用于穩定性河段的河槽部分。

a.河槽土質均勻時可按下式計算：

式中，hp為一般沖刷后的垂線水深，m；h為沖刷前垂線水深，m；P為沖刷系數。

b.河槽土質不均勻時可按下式計算：

式中，h′p為河床中易沖刷部分沖刷后的水深，m；ωq為沖刷前橋下凈過水面積，m2；ω1為沖刷前易沖刷部分的凈過水面積，m2；ω2為沖刷后不可沖刷部分（表層土壤被沖去后）的凈過水面積，m2。

1.2 局部沖刷深度計算方法

目前國內外采用最多的局部沖刷計算公式主要有65-1公式、65-2公式和包爾達可夫公式。

（1）65-1公式和65-2公式：

從20世紀50年代后期開始，我國鐵路系統和公路系統對非粘性土河道橋墩局部沖刷進行了研究。根據我國有關局部沖刷的實測資料，在1964年的全國橋渡沖刷匯總工作會議上，制定了65-1公式和65-2公式[1]。兩個公式已經過廣泛應用與驗證，精度較好，具有一定可靠性。

a.65-1公式：

當V≤V0時，hB=kξkη1b10.（6V-V0′）

當V≥V0時，

b.65-2公式：

當 V ≤V0時，

當V≥V0時，

式中，hB為橋墩局部沖刷坑深度，m；kξ為墩形系數，可查有關表；b1為橋墩計算寬度，m；V為一般沖刷后垂線平均流速，m/s；h為一般沖刷后水深，m；V0為床沙起動流速，m/s；V0′為始沖流速，n1=1/（[V/V0）0.2d0.15]；n2=1/（[V/V0）0.23+0.19lgd]；d為床沙平均粒徑，mm。

（2）包爾達可夫公式：

在國外的局部沖刷計算公式中，包爾達可夫公式結構相對簡單，對大量野外實測資料等要求較少，因此得到了廣泛應用。其公式形式為：

式中，hB為局部沖刷水深，m；hp為一般沖刷水深，m；Vp為設計流速，m/s；V不沖為不沖刷流速，m/s；n為墩臺形狀系數，一般取1/4～2/3[6]。V不沖和n均可以查相應圖表得到。

其中，Vp的計算應符合下列規定：式中：V為行進流速，m/s；η為水流流速分配不均勻系數。

（3）其他公式：

除了上述比較常用的公式外，還有基于現場實測資料、模型試驗得來的經驗公式，如Jain.c.c Lacey公式和Lacey公式。還有基于一定理論，通過建立一些假定來推出來的半經驗半理論公式等。由于這類公式的參數需要根據具體情況而定，具有一定的不確定性，因此使用較少。

2 橋墩沖刷計算

2.1 橋梁現狀

賓西鐵路橋等5座橋，位于公阿什河下游哈爾濱市城區段約25 km，范圍內有11座跨河公路橋梁和1座跨河鐵路橋梁。長江路橋等級較高，屬于城市主干道，但大都建設年代久遠，橋下過水流速大，沖刷嚴重。因此本文選擇長江路橋、繞城高速跨河橋、東方紅橋、賓西鐵路橋和伏爾加橋5座跨河橋梁進行沖刷計算，其平面位置見圖1所示。橋梁基本情況為：長江路橋的橋梁規模屬于大橋，公路等級為1級，橋孔有16孔，每孔凈寬25 m，全長407 m，橋墩寬1.8 m，橋面底高程為124.06 m，河底高程為114.8 m，防洪標準為100 a一遇；繞城高速跨河橋的橋梁規模屬于大橋，公路等級為1級，橋孔有13孔，全長390.4 m，橋面底高程為125.95 m，河底高程為118.33 m，防洪標準為100 a一遇；東方紅橋的橋梁規模屬于大橋，公路等級為2級，橋孔有8孔（14.5 m+15.8 m+15.8 m+15.8 m+15.8 m+15.8 m+15.8 m+14.3 m），橋墩寬1.0 m，橋面底高程為127.54 m，河底高程為120.1 m，防洪標準為100 a一遇；賓西鐵路橋的橋梁規模屬于中橋，等級為2級，橋孔有10孔，全長330.4 m，橋柱直徑3.0 m，橋面底高程為129.56 m，河底高程為121.20 m，防洪標準為100 a一遇；伏爾加橋有 6 孔（19.98 m+20.0 m+19.98 m+19.98 m+20.0 m+19.98 m），橋墩寬1.0 m，橋面底高程為132.51 m，河底高程為125.1 m，防洪標準為100 a一遇。

圖1 阿什河城區段5座橋梁平面位置示意圖

2.2 河道水文情況

阿什河位于哈爾濱市東部，是松花江右岸的一級支流。河道發源于尚志市帽兒山鎮尖山砬子，于哈爾濱水泥廠附近注入松花江，干流總長213 km2，流域總面積3 518 km2[7]。流域大部分地形起伏坡降大，東南高、西北低。阿什河是半山區河流，上游為山區，地勢較高坡降較大，水流湍急；中游為丘陵地區；下游為平原河流，河谷寬闊、地勢低平，河漫灘與松花江河灘相連，該地區也是阿什河流域主要農業生產區。查《黑龍江省水文圖集》流域多年平均懸移質輸沙模數約為30（t/km2）/a，考慮輸沙量有逐年加大的趨勢，根據水文圖集分析結論，修正后年輸沙模數為45（t/km2）/a。由此計算流域多年平均懸移質輸沙量為16.1萬t/a。推移質按懸移質的30%估算。

阿什河干流道外香坊段防洪及河道整治工程，位于下游的香坊和道外兩區境內，河段總長約25 km，地貌單元為阿什河河漫灘，沿線地勢略有起伏，地形變化不大。工程上游從阿城區伏爾加橋開始，下游到阿什河入松花江河口為止，主要涉及香坊區成高子鎮、幸福鎮、向陽鄉、道外區團結鎮和阿城區程家店村。道外和香坊段區共4段堤防，總長15.92 km，排水閘3座，跨河公路橋11座和跨河鐵路橋1座。由于上游地勢高坡度大，河流泄洪能力低，容易形成洪水災害，對橋梁、道路及水利工程造成破壞，再加上區間內跨河公路橋梁建設年代久遠，部分橋梁沖刷損壞嚴重，影響正常使用，因此，本文針對工程范圍內部分橋梁進行橋梁沖刷計算，為橋梁防護工程提供參考依據。

2.3 橋墩沖刷模式與參數選擇

2.3.1 橋梁水文參數

通過實測資料和相關計算，可以得到5座橋梁的基本水文參數，見表1所列。

表1 阿什河城區段5橋梁水文參數表

2.3.2 一般沖刷計算

研究區段河道屬于平原蜿蜒性河流，是穩定河段，本文選擇了基于別列柳伯斯基假定建立的包爾達可夫公式，進行橋梁一般沖刷計算：

hp=Ph

公式中各參數意義見上文。其中沖刷系數P的最大允許值見表2所列。

表2 P值最大允許值[6]一覽表

由于研究區域位于阿什河下游段，地貌為河漫灘，屬于寬淺型河道，且橋梁為進行過防護的淺基橋梁，故該項計算沖刷系數P選擇1.4。

2.3.3 局部沖刷計算

無論是理論推導得出的理論公式，還是由實驗推導的經驗公式，都需要收集河道中大量野外實測水文、泥沙數據和模型實驗數據，并且結構比較復雜。而包爾達可夫公式結構簡單，使用方便，是迄今常用的國外方法。因此本文選擇包爾達可夫局部沖刷公式來進行計算：

公式中參數意義見上文。其中，橋墩形狀系數取0.5。

2.4 結果與分析

根據包爾達可夫公式，5座橋的一般沖刷結果、局部沖刷結果及局部沖刷與一般沖刷結果比值見表3所列。

表3 阿什河城區段5座橋梁沖刷計算結果一覽表

根據資料可知[8]，橋梁墩臺及一些建筑物的局部沖刷與一般沖刷比值約為1.5～4。由計算結果可以看出，5座橋梁中4座的局部沖刷與一般沖刷比值結果均在1.5～4的范圍內，繞城高速公路橋為1.07，接近1.5。可見，該5座橋梁沖刷計算結果是合理的。

3 結論與建議

（1）本文主要針對橋梁沖刷計算進行了淺析，分別介紹了國內外比較常用的一般沖刷計算方法和局部沖刷計算方法。針對阿什河哈爾濱城區段水文、水流、河道地貌、河床地質等特性，選擇了基于別列柳伯斯基假定建立的一般沖刷公式、包爾達可夫公式，分別進行了河道上5座跨河橋梁的一般沖刷計算和局部沖刷計算。

（2）分析表明，在進行一般沖刷計算時，包爾達可夫公式對于平原蜿蜒形河流及山區穩定性河流都比較合適，并且該公式結構簡單，對實測資料要求較簡單，因此在實測資料比較難獲取的河道或是工程前期規劃中，更為實用。

（3）包爾達可夫公式顯示，橋墩墩形系數對沖刷結果有影響作用，因此建議橋梁設計適宜選擇對水流影響小的墩臺形狀，以此來優化墩形系數，從而減小墩臺沖刷，保證橋梁自身的安全。

（4）計算表明，5座橋梁墩臺都存在不同程度的沖刷，需要進行橋梁防護。可以沿橋梁下游方向，按1∶4河底沖刷坑坡度計算，作為防護長度。防護措施可采用拋石防護、混凝土模袋防護或混凝土鉸鏈排防護。

（5）同時，長江路橋和伏爾加橋對河道斷面縮窄過大，上下游形成較大水位差，過水流速較大，沖刷較為嚴重，建議采取橋梁擴孔措施，減小橋梁阻洪，以此減小橋墩沖刷。

[1] 董年虎，段文忠.國內外非粘性土橋墩局部沖刷計算方法綜述[J].鄭州工業大學學報，1997，（18）：94-99.

[2] 高冬光.橋梁一般沖刷64-2公式的簡化形式[J].西安公路學院學報，1984，（2）：30-38.

[3] 卜海磊，楊娜，張羅號.黃河下游橋渡沖刷計算問題探討[J].人民黃河，1997，（31）：30-38.

[4] TB10017-99，鐵路工程水文勘測設計規范[S].

[5] 闞澤.橋渡沖刷[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[6] 李煒.水力計算手冊（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[7] 管立志，孫旭.淺談阿什河流域整治工程中應注意的問題[J].水利科技與經濟，2012，（18）：47-48.

[8] 吳雪茹.橋墩一般沖刷計算研究[J].水運工程，2007，（5）：27-30.