某高速公路跨河橋涵防洪評價最大沖刷深度計算

馮 露 許 可 劉錦雯

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 蚌埠 233000 2.南水北調東線江蘇水源有限責任公司 南京 210009）

1 項目概況

該項目擬建高速公路位于兩湖之間，全線高速公路設計速度為120km/h，路線全長17.711km。全線橋涵設計汽車荷載等級采用公路-Ⅰ級，采用雙向八車道高速公路標準，路面總寬42m。項目沿線跨越A河、B河和C河3條骨干河道及25條村鎮河道，沿線路設置了12 座箱涵跨越上述河道，其中跨越A、B、C 三條骨干河道的橋梁設置如下。

1.1 A 河

橋梁位于A 河工程樁號7+001.3 處，采用3×30m 預應力混凝土連續箱梁橫跨A 河，橋墩順河道方向布設，鉆孔灌注樁基礎。

1.2 B 河

B 河特大橋全程1232.2m，主橋采用55m+95m+55m 三跨預應力混凝土變截面連續箱梁，主跨95m，一跨跨越航道。主墩采用實體墩，基礎為鉆孔灌注群樁基礎。

1.3 C 河

C 河中橋橋梁與河道中心線夾角為110°，橋梁全長81.4m。橋梁采用3×25m 裝配式PC 箱型連續梁跨越C 河，上部結構采用裝配式PC 箱型連續梁，下部結構為柱式橋墩、肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎。

2 橋址處最大沖刷深度計算

2.1 沖刷計算

本次計算方案考慮河道行洪的實際情況計算沖刷深度。橋址處最大沖刷深度按《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2015）中的一般沖刷和局部沖刷計算公式計算[3]。

2.2 土質指標取用

橋梁墩臺的沖刷計算包括一般沖刷和局部沖刷，一般沖刷計算根據河床泥沙的組成分為非粘性土河床與粘性土河床，橋墩局部沖刷根據一般沖刷后橋墩處河床泥沙組成及土層分布再分析計算。根據江蘇省交通規劃設計院有限公司提供的A 河和C河橋位處工程地質勘探試驗綜合成果建議值表，按新孟河延伸拓浚工程設計參數，A 河河床下臥層以2-3 層粉砂為主，C 河以2-1 層粘土和2-1a 層粉質粘土為主，因此，對A 河按非粘性土，對C 河按粘性土進行一般沖刷和橋墩局部沖刷計算。

A 河橋梁沖刷計算土質指標采用見表，C 河橋梁沖刷計算土質指標采用見表2。

表1 A 河地勘土質指標成果表

2.3 沖刷深度計算

本文沖刷公式根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30－2015）取用，進行了一般沖刷和墩臺局部沖刷計算。對C 河和A 河分別選用粘性土和非粘性土進行河床沖刷公式計算[4]。

（1）粘性土河床一般沖刷與橋墩局部沖刷深度計算公式

①河槽部分

式中：

hp—橋下一般沖刷后的最大水深（m）；

Ad—單寬流量集中系數，Ad＝1.0～1.2；

IL—沖刷坑范圍內粘性土液性指數，適用范圍為0.16～1.19；

μ—橋墩水流側向壓縮系數，按規范表取用；

Bz、Hz—造床流量下河槽寬度和河槽平均水深（m）；

Qp—頻率為p%的設計流量（m3/s）；

Qc—天然狀態下河槽部分設計流量（m3/s）；

Qtl—天然狀態下河灘部分設計流量（m3/s）；

Q2—橋下河槽部分通過的設計流量（m3/s）；

hcm—橋下河槽最大水深（m），從橫斷面圖上量得；

hcq—橋下河槽平均水深（m），。

②橋墩局部沖刷

表2 C 河地勘土質指標成果表

根據前面所述，橋墩處河床泥沙的組合變化較大，本次計算時針對橋墩處不同的土質情況分別計算其局部沖刷，各液性指數詳見表1、表2。

式中：

hb—橋墩局部沖刷深度（m）；

IL—沖刷坑范圍內粘性土液性指數，適用范圍為0.16～1.48；

Kξ—墩形系數，據規范附錄B 選用，取值為1.0；

B1—橋墩計算寬度（m）；

V—一般沖刷后墩前行近流速（m/s）；

其余符號意義同前。

（2）非粘性土河床一般沖刷與橋墩局部沖刷深度計算公式

①一般沖刷計算公式：

式中：

hp—一般沖刷后的最大水深（m）；

Qp—頻率為P%的設計流量（m3/s）；

Q2—橋下河槽部分通過的設計流量（m3/s），當河槽能擴寬至全橋時取用Qp；

表3 橋梁沖刷深度計算參數表

Qc—天然狀態下河槽部分設計流量（m3/s）；

Qt1—天然狀態下橋下河灘部分設計流量（m3/s）；

Bcg—橋長范圍內的河槽寬度（m），當河槽能擴寬至全橋時取用橋孔總長度；

Bz—造床流量下的河槽寬度（m），對復式河床可取平灘水位時河槽寬度；

λ—設計水位下，在Bcg寬度范圍內，橋墩阻水總面積與過水面積的比值；

μ—橋墩水流側向壓縮系數；

hcm—河槽最大水深（m）；

Ad—單寬流量集中系數，山前變遷、游蕩、寬灘河段當Ad＞1.8 時，Ad值可采用1.8；

Hz—造床流量下的河槽平均水深（m），對復式河床可取平灘水位時河槽平均水深。

②非粘性土河床橋墩局部沖刷計算

橋渡沖刷的產生是由于橋墩阻礙了水流，使水流形態發生變化，一般在墩前兩側發生集中現象，引起動能增加；另一方面水流受阻后部分動能轉化為位能，由于水流形態變化，橋墩附近水流沖刷能力加大，在橋墩處產生沖刷坑。

局部沖刷計算公式：

當V≤V0時，

當V＞V0時，

式中：

hb—橋墩局部沖刷深度（m）：

表4 橋梁墩臺沖刷深度成果表

Kξ—墩形系數；

B1—橋墩計算寬度（m）；

hp—一般沖刷后的最大水深（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）沖刷計算結果

沖刷計算的各項參數見表3。

根據前述的公式、土質指標及各項參數，通過計算，A 河行洪流量221.8m3/s 和引水流量88 m3/s時橋址處河床一般沖刷最大深度均為0，C 河行洪流量186m3/s 和引水流量57m3/s 時橋址處河床一般沖刷最大深度均為0。河床橋墩處局部沖刷深度，A河行洪時最大為3.09m，引水時最大為2.71m，C 河行洪時最大為1.02m，引水時最大為0.55m。一般沖刷和局部沖刷計算成果見表4 ■