橋梁防洪評價中黏性土河床沖刷問題探討

王圓圓，李 飛，王 偉

（水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

在鐵路橋梁建設(shè)中，為保障河道行洪安全以及橋梁的安全運(yùn)行，跨河橋梁作為河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)項目必須進(jìn)行防洪影響評價。防洪影響評價主要是評價橋梁建設(shè)對河道行洪能力的影響以及河道水流對橋梁安全的影響。橋梁橋墩的建設(shè)，侵占了部分河道，縮窄了河道的過水?dāng)嗝妫斐蓸蚩讓λ鞯臄D壓，當(dāng)發(fā)生洪水時使得橋下流速加大，加劇了河床的沖刷，而且橋墩周圍產(chǎn)生繞流，流速、流向急劇變化，引起漩渦和折沖水流及較大的床面切力，隨著時間的推移，會形成局部沖刷坑，沖刷坑的發(fā)展威脅著橋梁的安全和穩(wěn)定。因此對河床沖刷的研究十分重要。本文以工程實(shí)例中橋梁跨越黏性土河床一般沖刷計算為例，并假定3組河床黏性土土樣進(jìn)行探討。

1 橋址處水文計算

現(xiàn)以李黃崖潮河特大橋和匯河大橋橋址計算為例，進(jìn)行沖刷計算分析。其中100年一遇的設(shè)計洪峰流量可根據(jù)山東省山丘、平原混合區(qū)小匯水面積洪峰流量公式計算。經(jīng)計算李黃崖潮河特大橋跨甜水河橋址處100年一遇設(shè)計洪峰流量為563.3 m3/s。匯河大橋跨匯河橋址處100年一遇流量為1 892.3 m3/s。

橋址水位一般情況下橋梁跨越河流處缺乏系統(tǒng)的水面線推求成果，橋梁跨越處河段水位采用河道形態(tài)斷面法估算。經(jīng)計算，李黃崖潮河特大橋跨甜水河橋址處水位為11.31 m，平均流速為2.7 m/s。匯河大橋跨匯河橋址處水位為67.79 m，平均流速為2.15 m/s。

2 一般沖刷計算方法

2.1 地質(zhì)情況

為研究不同黏性土質(zhì)河床，本文采用洪大林《黏性原狀土沖刷特性研究》[1]一文中從中運(yùn)河等河道內(nèi)采取的黏性土樣的試驗參數(shù)（見表1）。

表1 黏性土土樣物理參數(shù)表

2.2 沖刷計算

墩臺沖刷應(yīng)包括河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷3部分，本文主要研究黏性土河床的一般沖刷問題。

1）根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTGC30-2015）[2]黏性土河床一般沖刷，應(yīng)分為河槽、河灘兩部分進(jìn)行計算，本文主要研究黏性土河槽沖刷。黏性土河床河槽部分一般沖刷采用如下公式：

式中：hp是橋下一般沖刷后的最大水深，m；Ad為單寬流量集中系數(shù)，Ad=1.0～1.2；Q2為橋下河槽部分通過的設(shè)計流量，m3/s；μ為橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)；Bcj為河槽部分橋孔過水凈寬，m；hcm為橋下河槽部分最大水深，m；hcq為橋下河槽部分平均水深，m；IL為沖刷坑范圍內(nèi)黏性土液性指數(shù)，適用范圍為0.16～1.19。

2）鐵道部第四勘測設(shè)計院的朱炳祥在《黏性土橋渡沖刷計算》[3]一文中假定垂線平均流速降低到該垂線的沖止流速時沖刷即停止，并根據(jù)調(diào)查資料與部分試驗觀察總結(jié)出黏性土橋渡的沖止流速經(jīng)驗公式進(jìn)而推得黏性土河槽的一般沖刷深度計算公式為：

式中：各符號意義同前。

3）鐵道部第四勘測設(shè)計院的盧金利在《黏性土河床橋渡沖刷計算》[4]一文中認(rèn)為橋下水流平均流速在沖刷發(fā)展過程中逐漸降低，直至流速降低到水流所具有的剪切力和河床中黏性土的抗剪力相等時，沖刷即行停止，基于以上假定推得黏性土橋渡一般沖刷深度計算公式為：

式中：C為土的黏著力，kg/cm2；其它符號意義同前。

采用以上3個經(jīng)驗公式，并根據(jù)表1假定的各黏性土物理指標(biāo)，對匯河大橋及李黃崖潮河特大橋的一般沖刷進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表2。

對比現(xiàn)狀土樣及土樣1計算結(jié)果得：表2當(dāng)IL＜1時，公式（1）計算結(jié)果大于公式（2）計算結(jié)果，當(dāng)IL＞1時，公式（1）計算結(jié)果小于公式（2）計算結(jié)果。為保證工程的安全性，建議當(dāng)IL＜1時采用公式（1）進(jìn)行計算一般沖刷深，當(dāng)IL＞1時采用公式（2）進(jìn)行計算；根據(jù)匯河大橋現(xiàn)狀土樣及兩河土樣1計算結(jié)果，3個公式一致性比較好，即當(dāng)黏性土為軟塑或流塑狀態(tài)時3個公式均比較適用；根據(jù)土樣2及土樣3計算結(jié)果，土質(zhì)的液性指數(shù)基本一樣，但黏聚力差別很大，導(dǎo)致公式（3）計算一般沖刷深差距很大，公式（1）、（2）沖刷深均為負(fù)值，即不沖刷，這與實(shí)際不相符，并且說明當(dāng)黏性土質(zhì)為堅硬、硬塑、可塑狀態(tài)時3個經(jīng)驗公式一致性不好。

表2 不同黏性土質(zhì)計算成果表

3 結(jié)語

由于受黏性土顆粒均勻程度、土的成因、含水量、液塑限、抗剪強(qiáng)度等的影響，黏性土的沖刷問題十分復(fù)雜，上述3個公式均是根據(jù)原狀黏性土河床沖刷停止時垂線上水流連續(xù)性原理推得一般沖刷深的計算公式的，所不同的是公式（1）、（2）的沖止流速是經(jīng)過大量的調(diào)查資料及分析得出的關(guān)于IL的經(jīng)驗公式。公式（3）是根據(jù)河道流速降低到水流所具有的剪切力和河床中黏性土抗剪力相等時沖刷即行停止的假定推得的經(jīng)驗公式，并且該文認(rèn)為C與IL呈反比關(guān)系，根據(jù)表1各土樣物理參數(shù)表知，實(shí)際并不存在這種關(guān)系。當(dāng)黏性土處于軟塑、流塑狀態(tài)時，C與IL大致呈反比關(guān)系，此時3個公式一致性比較好，筆者認(rèn)為上述3個公式適用范圍為軟塑與流塑狀態(tài)的黏土，對于處于堅硬、硬塑、可塑狀態(tài)黏土的一般沖刷還有待于更深一步的研究。