典型橋墩局部沖刷深度公式在不同水文地質(zhì)區(qū)的適用性

王志華，陳 猇，王 振，李文虎，張 汁

(1. 青海省交通工程技術(shù)服務(wù)中心，青海 西寧 810000；2. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044)

0 引言

基礎(chǔ)局部沖刷是造成橋梁垮塌的主要原因。橋墩局部沖刷最大(平衡)深度與下部結(jié)構(gòu)幾何特征、水流和泥沙特性密切相關(guān)。隨著對橋梁基礎(chǔ)沖刷規(guī)律研究的不斷深入和工程實(shí)踐的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多關(guān)于橋墩局部沖刷深度的計算公式，世界各國也以規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)形式對橋墩局部沖刷深度計算方法給出具體規(guī)定[1-3]。然而，由于局部沖刷機(jī)理的復(fù)雜性和工程建設(shè)環(huán)境的多樣性，現(xiàn)有計算公式在準(zhǔn)確性和普適性方面還存在較大不足，因此，對已有局部沖刷深度計算公式進(jìn)行對比是指導(dǎo)具體工程選擇合適設(shè)計方法的重要途徑。

同提出橋墩局部沖刷深度計算公式一樣，國內(nèi)外研究人員對不同公式開展對比性研究也具有久遠(yuǎn)歷史。Jones[4]在1984年將已有沖刷深度預(yù)測公式利用模型實(shí)驗(yàn)和有限的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)這些公式均可包絡(luò)所有測試數(shù)據(jù)，即對于工程設(shè)計而言總是安全的；Johnson[5]在1995年使用收集到的大量原型觀測數(shù)據(jù)對當(dāng)時使用最廣泛的7個沖刷深度計算公式進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)部分公式的預(yù)測結(jié)果在許多情況下是不安全的，而個別公式的預(yù)測結(jié)果則過于保守；Sheppard等[6]收集整理了半個多世紀(jì)以來提出的多個沖刷計算方法，利用實(shí)橋數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并在融合Sheppard & Miller[7]公式和Melville[8]公式的基礎(chǔ)上提出了橋梁平衡沖刷深度計算的新公式(簡稱S/M式)；Qi等[9]基于模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)橋沖刷數(shù)據(jù)對中國規(guī)范65-1修正式、65-2式、美國HEC-18式以及Melville式等進(jìn)行了比較評估，分析了主要變量對公式預(yù)測結(jié)果的影響規(guī)律；祝志文等[10]結(jié)合實(shí)例計算對中美橋墩局部沖刷公式進(jìn)行了評估；雷婷等[11]對美國HEC-18公式、包爾達(dá)柯夫計算方法、中國規(guī)范65-1修正式、65-2式、王亞玲公式等進(jìn)行了對比分析，并比較了公式計算結(jié)果的差異。然而，現(xiàn)有對比研究對實(shí)測數(shù)據(jù)的運(yùn)用比較籠統(tǒng)，缺乏針對不同水流、泥沙及結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下各公式適用性的具體分析，研究結(jié)果對于特殊水文地質(zhì)地區(qū)(如我國柴達(dá)木盆地地區(qū))的橋梁建設(shè)難以提供針對性指導(dǎo)。

本研究針對我國西部干旱地區(qū)橋梁大量建設(shè)的需求，選擇中、美、俄3大世界橋梁強(qiáng)國設(shè)計規(guī)范推薦的橋墩局部沖刷深度計算公式，采用水流、泥沙及橋墩參數(shù)分組分析的方法，對各公式在不同參數(shù)條件下的預(yù)測性能進(jìn)行評估，并結(jié)合柴達(dá)木盆地地區(qū)工程實(shí)例進(jìn)行分析，以期為不同水文地質(zhì)地區(qū)橋墩局部沖刷設(shè)計方法的選擇提供依據(jù)。

1 局部沖刷深度計算公式與數(shù)據(jù)

1.1 橋墩局部沖刷深度計算公式

我國現(xiàn)行《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范(TB 10017—99)》及《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范(JTG C30—2015)》均推薦65-1修正式用以計算非黏性土橋墩局部沖刷深度。

65-1修正式：

(1)

我國《公路工程水文勘察設(shè)計規(guī)范》(JTG C30—2015)中同時推薦了 65-2 式用以計算非黏性土橋墩局部沖刷深度。

65-2式：

(2)

美國運(yùn)輸部聯(lián)邦公路管理局最新發(fā)布的水利工程通告(HEC-18)第5版中沿用了基于科羅拉多州立大學(xué)成果持續(xù)改進(jìn)的公式(簡稱HEC-18式)計算非黏性土橋墩局部沖刷深度。

HEC-18式：

(3)

在第5版水利工程通告中，美國聯(lián)邦公路管理局同時推薦了融合Sheppard & Miller公式和Melville公式優(yōu)點(diǎn)的S/M公式計算橋墩局部沖刷深度。

S/M式：

(4)

20世紀(jì)50年代，我國從蘇聯(lián)整體引進(jìn)了橋渡設(shè)計學(xué)科，因此，兩國橋墩局部沖刷計算公式具有顯著承啟關(guān)系。俄羅斯現(xiàn)行《橋渡與路堤構(gòu)筑規(guī)范(SP 32-102-95)》規(guī)范中推薦了計算非黏性土河床橋墩局部沖刷深度的公式(簡稱俄羅斯公式)。

俄羅斯公式：

(5)

1.2 橋墩局部沖刷深度數(shù)據(jù)

本研究收集了國內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)于橋墩局部沖刷的工程實(shí)例數(shù)據(jù)共計507例，這些數(shù)據(jù)主要來源于公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，包括Zhuravljov[12],Froehlich[13],Gao[14],Mueller & Wagner[15]等。所收集的工程數(shù)據(jù)覆蓋了不同結(jié)構(gòu)類型、尺寸及較大范圍的水流、泥沙條件，其中泥沙粒徑范圍為0.1～150 mm，墩寬范圍為0.2～13 m，墩前水深范圍為0.11～18.8 m，水流行近流速范圍為0.27～4.7 m/s，沖刷深度范圍為0.15～7.8 m。對影響橋墩局部沖刷深度的主要無量綱量的分析表明，墩前水深與墩寬之比(簡稱相對水深)范圍為0.04～7.75，覆蓋了窄墩和寬墩兩種類型；墩前行近流速與泥沙起動流速之比(簡稱相對流速)范圍為0.55～6.89,包含清水沖刷與動床沖刷兩種工況；墩寬與泥沙粒徑之比(簡稱相對粒徑)范圍為8.47～52 941.18，包含細(xì)沙和粗沙兩種條件。本研究基于以上數(shù)據(jù)對各國規(guī)范公式在不同參數(shù)條件下的適用性進(jìn)行對比。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

為了分析每個局部沖刷深度計算公式在不同工況條件下的預(yù)測性能，將實(shí)測工程數(shù)據(jù)按水流、泥沙及橋墩參數(shù)進(jìn)行分組。對于每個實(shí)測數(shù)據(jù)和計算公式，利用已知的水流、泥沙和結(jié)構(gòu)參數(shù)可計算平衡沖刷深度hc，再根據(jù)對應(yīng)的實(shí)測沖刷深度hm按式(6)得到公式計算值的相對誤差。此外分別按式(7)和式(8)統(tǒng)計每組工況條件下各計算公式相對誤差的均值和方差，得到每個沖刷深度計算公式在該工況條件下的平均偏差μm和表示誤差離散程度的均方誤差σm，為定量評價公式預(yù)測性能提供依據(jù)。

(6)

(7)

(8)

式中，ε為局部沖刷深度計算公式的相對誤差；N為各工況條件下的實(shí)測數(shù)據(jù)量。

2 橋墩局部沖刷深度計算公式性能對比

2.1 基于全體數(shù)據(jù)的預(yù)測性能分析

以收集到的全部507組工程數(shù)據(jù)為樣本，統(tǒng)計各公式?jīng)_刷深度計算結(jié)果的相對誤差的分布情況，并以箱線圖展示在圖1。圖中結(jié)果表明，當(dāng)不區(qū)分水流、泥沙及結(jié)構(gòu)條件時，中國和俄羅斯規(guī)范公式的平均偏差較小且誤差分布更為集中，而美國規(guī)范公式計算結(jié)果明顯正偏且誤差離散程度較大，表明其計算結(jié)果偏安全且在不同工況條件下的預(yù)測精度差異較大，上述規(guī)律與祝志文、雷婷等[10-11]已有的研究結(jié)果相符合。各國公式性能的差異主要與其推導(dǎo)方法有關(guān)，中國和俄羅斯公式主要基于工程實(shí)測數(shù)據(jù)擬合而來，因而與工程實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好；相反，美國規(guī)范公式盡管量綱和諧，但主要基于沖刷平衡條件下的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合建立，且公式參數(shù)擬合時采用了所有數(shù)據(jù)外包絡(luò)線的保守做法，因此計算結(jié)果比實(shí)測沖刷深度大。

圖1 全體算例誤差箱線圖Fig.1 Error boxplot of all examples

2.2 不同粒徑條件下的預(yù)測性能對比

床沙粒徑是反映局部沖刷時河床抗沖能力的主要變量，在不同地區(qū)和河段往往具有不同的大小。本研究參照水利與土木工程中常用的泥沙粒徑分類方法，將收集到的507組工程數(shù)據(jù)按泥沙粒徑分為沙粒、礫石、卵石3組，其中沙粒的粒徑范圍為0.1～2 mm，礫石粒徑范圍為2～20 mm，卵石粒徑范圍為20～150 mm。圖2～4分別展示了沙粒、礫石、卵石條件下各局部沖刷深度計算公式計算值與實(shí)測值，進(jìn)一步統(tǒng)計各公式在不同粒徑條件下的平均偏差和均方誤差，結(jié)果見表1。

圖2 沙粒組各局部沖刷深度計算結(jié)果對比Fig.2 Comparison of calculation results of laeal scour depths of sand grain group

表1 各公式在不同粒徑分組條件下的計算誤差Tab.1 Calculation errors of each formula under different particle size conditions

由表1中各列數(shù)據(jù)可知，俄羅斯公式、美國HEC-18式及S/M公式計算結(jié)果的平均偏差與均方誤差均隨粒徑增大而變大，中國65-1修正式的平均偏差及均方誤差均隨粒徑增大而變小，中國65-2式的平均偏差和均方誤差隨粒徑無趨勢性變化。上述規(guī)律表明，大多數(shù)橋墩局部沖刷公式的預(yù)測性能均受泥沙粒徑影響。當(dāng)床沙為沙粒時，由圖2及表1第1行數(shù)據(jù)可知，各公式間的計算精度差異不顯著，中國65-2式及俄羅斯公式預(yù)測性能相對較好，中國65-1修正式、美國HEC-18式及S/M公式的計算結(jié)果相對更偏保守且離散性更大。當(dāng)床沙為礫石時，由礫石條件下各局部沖刷計算公式計算值與實(shí)測值結(jié)果對比及表1第2行數(shù)據(jù)可知，中國65-1修正式、65-2式及俄羅斯公式表現(xiàn)較好且預(yù)測性能基本一致。當(dāng)床沙為卵石時，結(jié)合卵石條件下各局部沖刷深度計算公式計算值與實(shí)測值結(jié)果對比和表1第3行數(shù)據(jù)可知，中國65-1修正式及65-2式的預(yù)測值普遍小于實(shí)測值，這對于工程的安全性是不利的；俄羅斯公式則具有偏保守的相對較好的預(yù)測性能。根據(jù)礫石、卵石3種條件下各局部沖刷深度計算公式計算值與實(shí)測值結(jié)果對比可知，美國HEC-18及S/M公式在床沙為礫石及卵石時的計算值均顯著大于實(shí)測值，盡管可以確保工程設(shè)計絕對安全，但會降低橋梁建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 不同水深條件下的預(yù)測性能對比

在天然河流中，水深是反映橋位河段河流等級的重要變量，中小型河流的水深通常小于大江大河，因而也具有顯著的地域特征。本研究將收集到的工程數(shù)據(jù)按水深分別小于1，1～5和大于5 m分為3組，分析各個公式在不同水深條件下的預(yù)測性能。圖3展示了具有代表性的水深為1～5 m條件下各局部沖刷深度計算公式計算值與實(shí)測值(水深小于1和大于5 m各局部沖刷深度計算公式計算值與實(shí)測值結(jié)果對比圖由于篇幅受限未給出)，進(jìn)一步統(tǒng)計各公式在不同水深條件下的平均偏差和均方誤差，結(jié)果見表2。

圖3 水深為1～5 m組各局部沖刷深度計算結(jié)果對比Fig.3 Comparison of calculation results of local scour depths of group with water depth of 1-5 m

根據(jù)表2各列數(shù)據(jù)可知，除俄羅斯公式的平均偏差與均方誤差隨水深增大而變大外，其余公式的計算精度隨水深無趨勢性變化。當(dāng)水深小于1 m時，由表2第1行數(shù)據(jù)及水深小于1 m組計算結(jié)果可知，盡管中國65-2式及俄羅斯公式的平均偏差為正，但上述公式在沖刷深度較大時的計算值容易小于實(shí)測值，對于工程設(shè)計是不安全的；相反，美國HEC-18式及S/M式的計算值則較為保守和離散；

表2 各公式在不同水深分組條件下的計算誤差Tab.2 Calculation errors of each formula under different water depth conditions

比較而言，中國65-1修正式更適合用于此水深條件下的工程設(shè)計。當(dāng)水深介于1～5 m時，中國65-1修正式、65-2式及俄羅斯公式的計算值與實(shí)測值均吻合較好，美國HEC-18式及S/M式的計算值則過于保守和離散；當(dāng)水深大于5 m時，根據(jù)水深大于5 m組計算結(jié)果可知各國公式的計算值均較為保守，但中國65-1修正式、65-2式及俄羅斯公式計算值的離散程度小于美國HEC-18公式與S/M公式。

2.4 不同相對水深條件下性能對比

相對水深hp/B即墩前水深hp與墩寬B的比值，是影響局部沖刷深度的關(guān)鍵無量綱量之一。Melville[9]的研究表明，相對水深較小時，局部沖刷深度與墩寬無關(guān)，與水深呈線性正相關(guān)關(guān)系，此時為寬墩工況；相對水深較大時，沖刷深度與水深無關(guān)，與墩寬呈線性正相關(guān)關(guān)系，稱為窄墩工況；相對水深介于寬墩和窄墩之間時，沖刷深度同時受墩寬和水深影響，稱為過渡墩工況。關(guān)于寬墩和窄墩的劃分界限，不同學(xué)者有不同的結(jié)論，本研究根據(jù)Ettema等[16]的建議取相對水深等于0.2和1.4分別作為寬墩和窄墩的界限，并將收集到的所有工程數(shù)據(jù)按相對水深劃分為hp/B≤0.2，0.2

圖4 相對水深為0.2～1.4組各局部沖刷深度計算結(jié)果對比Fig.4 Comparison of calculation results of loeal scour depths of group with relative water depth of 0.2-1.4

表3 各公式在不同相對水深條件下的計算誤差Tab.3 Calculation errors of each formula under different relative water depth conditions

根據(jù)表3可知，所有5個公式的平均偏差及均分誤差均隨著相對水深的增大而減小，表明公式預(yù)測性能受相對水深影響且在寬墩時性能相對較差。由相對水深小于0.2組計算結(jié)果對比可知，實(shí)際工程中滿足寬墩條件的案例相對較少，表3第1行數(shù)據(jù)表明，中國65-2式及俄羅斯公式的計算精度在寬墩時較好，中國65-1修正式、美國HEC-18式和S/M式的計算值則較為保守，且美國HEC-18式和S/M式的計算誤差過于離散。在過渡墩條件下，由圖4及表3第2行數(shù)據(jù)可知，中國65-1修正式、65-2式及俄羅斯公式的計算精度均較好。窄墩條件下，相對水深大于1.4組的計算結(jié)果對比及表3第3行數(shù)據(jù)表明，中國65-2式計算結(jié)果偏負(fù)，用于工程設(shè)計時已不安全，中國65-1修正式和俄羅斯公式具有相似的預(yù)測性能，美國HEC-18式和S/M公式的計算結(jié)果相對較保守和離散。不同相對水深條件下各局部沖刷深度計算公式計算值與實(shí)測值。

2.5 不同相對流速條件下性能對比

本研究定義相對流速為墩前行近流速ν與床沙起動流速ν0之比，在橋梁基礎(chǔ)沖刷過程中，相對流速小于和大于1時分別稱為清水沖刷與動床沖刷。本節(jié)將所有實(shí)測工況劃分為清水沖刷和動床沖刷兩種工況進(jìn)行分析。圖5展示了清水沖刷和動床沖刷條件下各局部沖刷深度計算公式計算值與實(shí)測值，進(jìn)一步統(tǒng)計各公式在不同相對流速條件下的平均偏差和均方誤差，結(jié)果見表4。

圖5 不同相對流速條件下各局部沖刷深度計算結(jié)果對比Fig.5 Comparison of calculation results of local scour depths under different relative flow velocity conditions

由圖5(a)和5(b)及表4第1行數(shù)據(jù)可知，在清水沖刷條件下，中國65-1修正式和65-2式計算結(jié)果的平均偏差為負(fù)，用于工程設(shè)計時偏危險；俄羅斯公式的平均偏差盡管大于0，但其計算值在沖刷深度較大時基本均小于實(shí)測值，因而也不建議用于指導(dǎo)工程設(shè)計；另一方面，美國HEC-18式及S/M 公式的計算值則過于保守和離散。上述結(jié)果表明清水沖刷條件下的局部沖刷深度預(yù)測公式還需要進(jìn)一步研究。動床沖刷條件下，由圖5(c)和5(d)及表4第2行數(shù)據(jù)可知，中國65-1修正式、65-2式及俄羅斯公式計算精度基本一致，且這些公式在不同沖刷深度條件下的預(yù)測性能較為穩(wěn)定；美國HEC-18式及S/M式的平均偏差盡管顯著大于零，但其保守性主要體現(xiàn)在沖刷深度較小時，且這兩個公式的計算值離散性較大。

表4 各公式在不同相對流速條件下的計算誤差Tab.4 Calculation errors of each formula under different relative flow velocity conditions

2.6 不同相對粒徑條件下性能對比

相對粒徑通常定義為墩寬B與床沙粒徑d之比，是影響橋墩局部沖刷深度的3個主要無量綱量之一。Melville等[9]的早期試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)非黏性沙的相對粒徑小于25～50時，局部沖刷深度隨粒徑增大而減小，而相對粒徑大于50時的局部沖刷深度與粒徑無關(guān)。Sheppard等[17]增加更多試驗(yàn)資料后發(fā)現(xiàn)局部沖刷深度在相對粒徑大于40～50后隨粒徑變大而增加。Lee和Sturm[18]進(jìn)一步補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，沖刷深度隨粒徑增大的情況主要發(fā)生在相對粒徑為25～400時，相對粒徑大于400時泥沙粒徑對平衡沖刷深度的影響已可以忽略。基于以上分析，本研究根據(jù)相對粒徑將所有實(shí)測數(shù)據(jù)劃分為小于25、25～400和大于400這3組進(jìn)行分析。圖6展示了具有代表性的相對粒徑為25～400條件下各局部沖刷深度計算公式計算值與實(shí)測值(相對粒徑小于25和大于400條件下各局部沖刷深度計算公式計算值與實(shí)測值計算結(jié)果對比圖由于篇幅受限未給出)，進(jìn)一步統(tǒng)計各公式在不同相對粒徑條件下的平均偏差和均方誤差，結(jié)果見表5。

圖6 相對粒徑為25～400組各局部沖刷深度計算結(jié)果對比圖Fig.6 Comparison of calculation results of local scour depths of group with relative particle size of 25-400

表5 各公式在不同相對粒徑條件下的計算誤差Tab.5 Calculation errors of each formula under different relative particle size conditions

由表5可知，除中國65-1式平均偏差及均方誤差隨相對粒徑增大而變大，其余公式的平均偏差和均分誤差均隨著相對粒徑先增大后減小，而表明已有公式對于相對粒徑介于25～400范圍內(nèi)的沖刷深度影響機(jī)理考慮不充分。當(dāng)相對粒徑小于25時，中國65-1修正式及65-2式的平均偏差為負(fù)，俄羅斯公式盡管平均偏差為正，但根據(jù)相對粒徑小于25組中國和俄羅斯公式計算結(jié)果對比可知其計算值在沖深較大時明顯小于實(shí)測值，因此，上述3個公式應(yīng)用于工程設(shè)計是不安全的；相反，根據(jù)表5第1行數(shù)據(jù)和相對粒徑小于25組美國公式計算結(jié)果對比可知，美國HEC-18公式及S/M公式在該工況下的計算值則過于保守。當(dāng)相對粒徑介于25～400之間時，由表5第2行數(shù)據(jù)和圖6可知，中國65-1修正式、65-2式及俄羅斯公式的平均偏差和均方誤差較為合理，而美國HEC-18式及S/M式的計算結(jié)果則過于保守和離散。當(dāng)相對粒徑大于400時，由表5第3行數(shù)據(jù)和相對粒徑大于400組公式計算結(jié)果對比可知，此時5個公式的預(yù)測性能相差不大，均可用于指導(dǎo)工程設(shè)計，但美國HEC-18式及S/M式計算結(jié)果的離散程度相對更大。

3 已有公式在柴達(dá)木盆地的適用性

柴達(dá)木盆地地形四周高、中間低，周圍山區(qū)及山前沖積平原區(qū)地貌以荒漠為主，氣候干旱、全年降雨少但時空集中，區(qū)域內(nèi)河流多為發(fā)源于山區(qū)的間歇性流水中小河流，河床坡度較大，汛期洪水以陡漲陡落且含沙量較大的山洪為主，河床沉積物中鹽漬土分布較為廣泛。盆地內(nèi)公路及鐵路主要沿山前區(qū)等高線修建，線路跨越河流的橋梁以中小跨度梁橋?yàn)橹鳎瑯蚨赵诟吆成胶榈淖饔孟庐a(chǎn)生沖刷，近年來已多次發(fā)生橋梁水毀事故。為了科學(xué)指導(dǎo)柴達(dá)木山前區(qū)特殊環(huán)境下的公路橋梁設(shè)計，本研究進(jìn)一步收集了該地區(qū)典型橋梁的橋墩局部沖刷數(shù)據(jù)，評估已有橋墩局部沖刷設(shè)計方法在本地區(qū)的適用性。

3.1 實(shí)橋資料獲取

在柴達(dá)木盆地拖拉海河新老橋開展了水流、泥沙、橋墩及沖刷資料勘測。拉托海新橋?yàn)?×20 m簡支梁橋，老橋?yàn)?×8 m簡支梁橋，新老橋平行布置，橋墩相互不遮擋；新老橋均采用雙柱式圓形橋墩，單樁基礎(chǔ)的直徑分別為1.4 m和1 m；橋址處覆蓋層深厚，對河床質(zhì)的取樣分析表明，泥沙中值粒徑為0.63 mm；橋位河段河流順直，水流與橋軸線基本正交，河床實(shí)測比降為1.8%，由于勘測時河流無水，根據(jù)現(xiàn)場洪痕位置得知洪水水深為0.7 m，根據(jù)相似河流的糙率取值按謝奇公式計算出墩前行近流速為1.98 m/s；根據(jù)橋位河段河床地形分析，基礎(chǔ)一般沖刷已發(fā)展充分，墩周局部沖刷坑明顯且無明顯回淤現(xiàn)象，實(shí)測新老橋典型橋墩的局部沖刷深度分別為0.45 m和0.3 m。根據(jù)上述實(shí)測資料，拖拉海河橋的相對水深分別為0.5和0.7，相對流速為5.66，相對粒徑分別為2 222和1 587，橋墩局部沖刷屬于過渡墩條件下的動床沖刷。

3.2 公式適用性評價

根據(jù)實(shí)測水流、泥沙及橋墩數(shù)據(jù)，利用中國65-1修正式、65-2式、俄羅斯公式、美國HEC-18式及S/M式分別計算局部沖刷深度，對應(yīng)的計算值與實(shí)測值如圖7所示。為了分析柴達(dá)木盆地地區(qū)橋墩局部沖刷規(guī)律與其他地區(qū)的異同，從收集到的507組數(shù)據(jù)中選取同時滿足水深小于1 m，泥沙粒徑小于2 mm且流速小于2.5 m/s的相似工況數(shù)據(jù)26組，這些工況對應(yīng)的局部沖刷深度計算值與實(shí)測值也點(diǎn)繪于圖7進(jìn)行對照分析。

圖7 類同工況條件下沖刷深度計算結(jié)果對比Fig.7 Comparison of calculation results of scour depth under similar working conditions

圖7表明，對于柴達(dá)木盆地及其他相似水沙條件地區(qū)的橋墩局部沖刷深度，中國65-2式及俄羅斯式的計算值與實(shí)測值最為接近，美國HEC-18式及S/M公式的計算值顯著大于實(shí)測值，中國65-1修正式的計算值介于上述4個公式之間。與其他具有相似水沙條件的橋梁相比，各公式計算出的拉托海河新老橋局部沖刷深度均明顯偏小，表明該橋在相同水沙條件下的實(shí)際沖刷深度小于其他地區(qū)的橋梁，這可能與本地區(qū)河道水流多為季節(jié)性山洪及河床含鹽量高有關(guān)。其中，陡漲陡落的山洪歷時較短，使橋墩局部沖刷深度不能充分發(fā)展；鹽漬土干河床表面堅硬，洪水發(fā)生時需要先溶解河床再產(chǎn)生沖刷，進(jìn)一步縮短了有效沖刷時長。根據(jù)前文分析結(jié)果，盡管中國65-2修正式及俄羅斯公式在床沙為沙粒、過渡墩、相對粒徑大于400的動床沖刷條件下具有最好的計算精度，但在水深小于1 m時計算結(jié)果會略微不安全。而在實(shí)際沖刷深度偏小的柴達(dá)木盆地地區(qū)，中國65-2修正式及俄羅斯公式在低水深條件下計算值偏小的問題將不復(fù)存在，可以作為指導(dǎo)本地區(qū)橋梁局部沖刷深度設(shè)計的最優(yōu)方法，而中國65-1修正式及美國公式應(yīng)用于本地區(qū)將過于保守。

4 結(jié)論

本研究利用廣泛收集的實(shí)際橋梁局部沖刷數(shù)據(jù)，對中國65-1修正式、65-2式、俄羅斯規(guī)范公式及美國HEC-18式和S/M式在不同水流、泥沙及橋墩條件下的預(yù)測性能進(jìn)行分析，并初步討論了這些公式在柴達(dá)木盆地的適用性，得到了以下主要結(jié)論：

(1)局部沖刷深度計算公式的預(yù)測性能受部分水流、泥沙及橋墩參數(shù)的影響。大多數(shù)公式的預(yù)測性能隨床沙粒徑及相對水深趨勢性變化，同時，現(xiàn)有公式在清水沖刷和過渡墩條件下的預(yù)測性能均相對較差。

(2)從確保工程安全的角度，中俄局部沖刷深度計算公式均存在不適用工況。中國65-1修正式、65-2式及俄羅斯公式均不適用的工況包括清水沖刷及床沙相對粒徑小于25， 中國65-2式及俄羅斯公式的不適用工況還包括水深小于1 m，此外，中國65-1修正式在床沙為卵石時的計算值也偏小。

(3)除床沙為沙粒、水深小于1 m或大于5 m、相對粒徑大于400、動床沖刷、相對水深大于1.4等工況外，美國HEC-18式和S/M式的計算值平均誤差大于150%且方差大于200%，應(yīng)用于實(shí)際工程將不經(jīng)濟(jì)和存在較大不確定性。

(4)柴達(dá)木盆地地區(qū)橋梁的局部沖刷深度整體小于其他相似水沙條件下的橋梁，最合適依據(jù)中國65-2式進(jìn)行橋墩局部沖刷深度的設(shè)計。