淺析粉土河床橋墩局部沖刷計算

仲兵兵 徐 成 曾斯亮 胡建林

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005）

淺析粉土河床橋墩局部沖刷計算

仲兵兵 徐 成 曾斯亮 胡建林

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223005）

本文根據實際橋梁工程橋墩沖刷計算，通過對比采用不同公式所得的結果，簡要分析確定粉土河床橋墩局部沖刷計算的適用公式，并指出各參數對橋墩局部沖刷的影響，對局部沖刷計算提出一些建議。

橋墩 粉土 河床 局部沖刷

1 概述

水流急劇流入橋孔，在橋頭前緣、橋墩兩側等部分形成繞流，使水流與建筑物壁面出現邊界分離，不斷地產生旋渦，并向下游傳播和發展，卷走床面泥沙，在橋頭前緣、橋墩上游端及兩側附近形成沖刷坑，稱為局部沖刷。目前，我國橋涵水文計算將局部沖刷分為非粘性土河床局部沖刷和粘性土河床局部沖刷兩大類。而相關橋梁設計規范將橋梁地基巖土分為巖石（碎石土）、砂土、粉土和粘性土。沖刷計算公式并未給出公式的適用范圍。

筆者在實際橋梁工程設計中粉土河床沖刷計算時，采用不同公式所得局部沖刷計算結果差異較大，本文根據實際橋梁工程設計實例，通過分析對比，確定粉土河床橋墩局部沖刷的適用公式。

2 粉土定義及基本特性

《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）中對粉土的定義：塑性指數Ip≤10且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過總質量50%。粉土是介于砂土和粘性土之間的過渡性土類，具有砂土和粘性土的某些特征，根據粘粒含量可以將粉土再劃分為砂質粉土和粘質粉土。

粉土在黃淮地區分布十分廣泛，在黃泛沖積區和江淮沖積區都普遍存在，是該區域橋梁工程建設經常遇到的土類之一。但粉土工程性質較差，結構松散，強度低，屬于中、

高壓縮性土。粉土中粉粒占比重較大，粘粒含量較少，與水膠結作用能力較差，顆粒間聯結強度低，土體滲透系數較高，粘結力低，抗沖刷性差。粉土河床在汛期橋位河段水流集中，深泓線擺動和河灣凹岸沖刷，是引起橋梁墩臺、橋頭防護嚴重沖刷，導致水毀的最常見的原因。在橋梁墩臺處產生的沖刷刷坑，減少了樁基礎墩臺樁的有效長度，形成較大安全隱患。因此，準確計算粉土河床橋梁墩臺的沖刷深度，在橋梁設計階段就采取有效措施避免因沖刷產生的不利影響具有重要意義。

3 橋下局部沖刷計算公式

3.1非粘性土河床局部沖刷計算公式

《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2002）中，計算非粘性土河床的一般沖刷有兩個公式，即65-2式和65-1修正式。

3.1.1 65-2式

式中：hb—橋墩局部沖刷后最大水深（m）；

hp—一般沖刷后最大水深（m）；

Kξ—墩形系數；

B1—橋墩計算寬度（m）；

d—河床泥沙平均粒徑（mm）；

Kη2—河床顆粒影響系數；

V—一般沖刷后墩前行近流速（m/s）；

Vo—河床泥沙起動流速（m/s）；

n2—指數，。

3.1.2 65-1修正式

式中：Kη2—河床顆粒影響系數；

n1—指數，。

3.1.3國內專家、學者根據多年研究確定的65-2修正式

式中：K—系數，一般建議用回歸值，取0.46。

3.2粘性土河床一般沖刷計算公式

式中：IL—沖刷坑范圍內粘性土液性指數，適用范圍0.16～1.48。

4 橋下局部沖刷計算分析結果

4.1橋梁基本概況

根據淮河入海水道遠期規劃，入海水道遠期工程將在現狀河道基礎上向下擴挖河槽，淮金一級公路跨淮河入海水道大橋橋址處河道遠期規劃斷面河床沖刷層為粉土層，該層厚約8m，沖刷層平均粒徑為0.0475mm，塑性指數Ip=5.8，液性指數IL=0.65。在淮河入海水道范圍橋跨布置為：4×40m+4×40m+4×40m+4×40m，均為裝配式預應力簡支轉連續小箱梁結構。橋墩為樁柱式橋墩，樁徑1.8m。橋址處設計流量7000m3/s，設計流速1.36m/s。

4.2局部沖刷計算結果

4.2.1按非粘性土河床計算局部沖刷

按64-2簡化式計算一般沖刷深度時，按非粘性土公式（64-2簡化式）計算一般沖刷深度為3.59m，計算得一般沖刷后墩前行近流速V=1.5m/s。

（1）按65-2式計算得河床泥沙起動流速Vo=0.28（d+ 0.7）0.5=0.24 m/s，帶入公式得到局部沖刷深度hb=26.8m。

（2）按65-1修正式計算得河床泥沙起動流速V0=，帶入公式得到局部沖刷深度hb=8.73m。

（3）按65-2修正式采用張瑞瑾公式計算得河床泥沙起動流速，帶入公式得到局部沖刷深度hb=8.98m。

4.2.2按粘性土河床計算局部沖刷

hp＞2.5B1，按公式計算得局部沖刷深度hb=0.83KξB10.6IL1.25V=1.46m。

比較各公式的計算結果，非粘性土計算公式所得結果都比較大。65-2式計算結果偏大到不合理的程度，而65-1修正式和65-2修正式計算結果相近，但是目前淮河入海水道已建成橋梁的墩臺局部沖刷坑并沒有上述計算結果那么多。通過分析非粘性土計算局部沖刷公式發現，非粘性土局部沖刷計算公式以及各系數計算式都與沖刷層泥沙平均粒徑有關系，而且粒徑大小變化對沖刷計算反映比較敏感，粒徑越小，計算得深度越大。粉土顆粒粒徑比較小，所以按非粘性土局部沖刷公式計算得結果偏大。

而采用粘性土局部沖刷計算公式所得結果相對較為合理，但粘性土局部沖刷計算公式與顆粒粒徑無關，顯然粒徑大小及粘粒含量對土的抗沖刷性有較大影響，在采用該公式計算局部沖刷時應謹慎。

5 建議

針對粉土河床，橋墩局部沖刷可采用粘性土橋墩局部沖刷公式進行計算，但應根據顆粒粒徑組成謹慎選取使用。鑒于粉土土體抗沖刷性能較差，建議在粉土河床上建設橋梁應對橋梁范圍內河床進行護砌■