橋墩周邊局部沖刷評價研究綜述

肖玉德 孫開旗

（安徽交通職業技術學院， 安徽 合肥 230051）

1 概述

橋梁是現代化建設中的基礎交通載體和重要設施， 無論是在交通出行、 貨物運輸， 還是在促進地區經濟發展中都發揮著核心作用和關鍵價值。 然而， 作為一個重要的交通運輸樞紐， 橋梁工程在施工開展也存在一定阻礙， 就外部阻礙因素來說： 復雜的工程開展環境、 水土流失、 洪水、 泥石流和地震等具有不可抗性自然災害； 就內部阻礙因素來看： 周密性和科學性設計施工方案、 現場的交通及專業碰撞交叉等。 國內外學者發現， 侵蝕是橋梁的重要因素之一。

當橋梁工程建在河流中時， 橋梁的基礎， 如柱子和墩， 會隨著河水的流動資產狀況和河床的自然環境變動發展狀況而發生時間變化。 當水流受阻時， 橋墩結構、 橋墩周圍水流狀態發生變化， 形成渦流和底切流， 最終形成河床沖刷。 沖坑的形成將減小橋基的深度， 降低橋基的承載力。

目前， 對橋墩周圍沖刷的研究方法主要通過集中在沖刷影響因素、 沖刷作用機理、 沖刷試驗和數值模擬技術等方面。 對這些問題取得了一些成果， 也取得了一些解決辦法。 事實上， 河流相關橋梁的建設需要在施工前進行合理的預判， 并對已建成的河流相關橋梁進行運營安全評估， 特別是對橋墩周圍沖刷的評估。 然而， 關于既有橋梁技術基礎和未建橋梁發展基礎沖刷風險管理評估的研究工作成果較少。 局部沖刷風險評價可為河道橋梁的選址、 測量、 設計、 施工和運營管理提供有力的支持。 因此， 研究橋墩局部沖刷的分類和評價具有重要意義。

根據相關文獻， 現有的局部沖刷風險管理評估方法研究內容主要問題包括： 沖刷引起的沖刷坑深度預測、 局部沖刷破壞風險分析評估和預測， 基于企業風險的沖刷坑深度。 本文對地方沖刷評價的相關研究進行了綜述， 并對其發展趨勢進行了探討。

2 沖刷坑深度預測研究

2.1 橋墩局部沖刷影響因素

影響橋墩周圍局部沖刷的因素很多。 目前， 影響因素的研究大致可分為三大類： 流量因素、 泥沙因素和碼頭因素。

1） 流量系數。 流動因素一般包括接近速度、 接近水深和水沖擊角。 針對接近中國速度對橋墩周圍進行局部沖刷的影響， 已進行了分析大量的試驗方法研究。

東爾認為， 在移動床偵察階段， 由于上游砂供應的原因， 偵察深度隨著接近速度的增加而減小， 當減小到最小時再次增加到另一個峰值。 王順義通過分析模型進行研究了不同可以逼近中國速度對移動床條件下沖刷坑深度和范圍的影響系統測試。 結果表明， 隨著流速的增大， 沖刷坑的最大深度和最大范圍增大。

王順意和Raudkiv的實驗研究表明， 局部沖刷的最大深度隨著接近水深的增加而增加。 根據Dey， 當近水深度影響較小， 局部沖刷的最大經濟深度發展隨著中國接近水深的增加而顯著增加， 但當接近水深增加到一定大值時， 最大工作深度與接近學生深度學習無關。

田勇、 張新燕等學者也進行了不同水沖擊角度下的局部沖刷試驗， 得出了一些結論。

2） 沉積因子。 有學者如Santos認為泥沙顆粒的大小對橋墩周圍局部沖刷最大深度沒有影響， 而Gill等學者認為泥沙顆粒的大小與橋墩周邊最大沖刷深度有關。

受天然河流泥沙分布不均勻等自然因素的影響，應就泥沙非均勻性對橋墩及周邊工程局部沖刷的破壞性進行全面分析和深入研究。

Chiew和趙凱進行了床沙非均質性對局部沖刷影響的模型試驗， 發現局部沖刷坑的深度、 范圍和體積隨著床沙非均質性的增加而減小。

3） 橋墩因素。 橋墩對水流的壓縮作用是橋墩周圍局部沖刷的直接原因。 因此， 橋墩長度、 墩寬等橋墩數據是研究橋墩周圍局部沖刷的重要因素。

韓敏對不同直徑的圓柱墩進行了模型試驗， 結果表明， 直徑越大， 沖刷坑范圍越大。

贠鵬進行了類似的數值模擬， 結果表明， 在移動床條件下， 沖刷坑深度隨著直徑的增加而增加。

2.2 橋墩局部沖刷深度計算公式

長期發展以來， 由于墩臺局部沖刷機理的復雜性和影響社會因素的多樣性， 局部沖刷深度的計算企業沒有一個統一的理論分析公式。 近年來， 有兩種分析方法和半經驗方法。

國內外常用的局部沖刷深度計算公式如下。

2.2.1 《公路工程水文勘測設計規范》 （JTG C30—2015） 中的65 -2 式和65 -1 修正式

一些發展中國企業工程師和專家對中國碼頭局部沖刷試驗的數據和結果我們進行了研究總結和分析。根據137 次活動床墩沖刷試驗和115 次清水沖刷試驗的資料， 建立了非粘性土層局部沖刷深度的預測公式。 它們是（64 -1）、 （64 -2）、 （65 -1）、 （65 -2）和修訂（65 -1）， 這些公式在我國的公路、 鐵路和水利工程中得到了廣泛的應用。

對于非粘性土河床， 公式（65 -2） 和修訂（65-1） 是根據我國各河段和橋梁多年實測數據和模型試驗數據分析得出的， 已廣泛應用于橋墩周圍局部沖刷計算。 公式（65 -2） 和修訂（65 -1） 如下。

65 -2 式：

65 -1 修正式：

公式中K為河床顆粒影響系數， 其它參數與前相同。

2.2.2 美國HEC-18 公式

該公式由Richardson 和Davis等人建立。 它也被美國聯邦公路管理局的FHWA推薦使用。 公式為：

式中： K是橋墩形狀， K、 K、 Kη3、 K分別為考慮水流沖擊角、 河床狀況、 床沙粒徑分布、 寬墩影響的系數； F為弗汝德數； d為床沙粒徑（mm）；V、 V分別為粒徑d泥沙的墩前行進流速、 臨界流速（m/s）。

2.2.3 梅爾維爾公式

Melville和Sutherland 通過對橋墩沖刷試驗數據的分析和統計， 基于包絡曲線的方法建立了Melville公式， 公式為：

式中： K是橋墩形狀系數， K、 K、 K yb、 K分別為水流強度系數、 床沙粒徑系數、 泥沙非均勻性調整系數及水流深度與墩寬綜合修正系數； V為床沙的臨界流速。

3 局部沖刷失效風險評估研究

在橋梁工程設計和后期運營中局部沖刷風險是難以回避的， 作為影響橋梁安全性的突出因素， 局部沖刷也是橋梁安全性評估的重點內容之一。 為了進一步明確局部沖刷的損害情況， 應結合風險的發生機制和規律， 深入探究科學的安全性評價方法， 以此來更好地提高工程建設水平。 橋墩局部沖刷風險管理評估對判斷一個局部發生的橋梁破壞影響程度和判斷橋墩局部沖刷具有研究和應用的理論及現實意義。 目前比較常用的風險評價方法可以歸納為： 事故樹法、 模糊綜合評價法， 其次還有層次分析法以及逆方法。 應根據工程開展的實際情況， 結合不同的評估方法， 妥善選擇， 發揮其在有效評估橋梁局部沖刷風險的價值作用。

王飛在分析橋墩局部沖刷的各項參數過程中， 進一步總結了影響因素， 并通過選取主要破壞因素， 將其作為評價指標， 合理量化為四個等級指標， 建立了局部沖刷和模糊風險評價模型。 該模型可以用于進行評價研究甘肅省會蘭州楊家灣大橋的危險性。

姜旭根據黃土流域水文地質特點， 研究分析了橋梁在水流沖刷作用下的損傷類型， 并結合大量研究試驗和工程實際調查， 針對黃土河谷環境的受沖刷影響因素， 有效地構建了橋梁損傷指標體系。

在充分分析影響黃河大橋墩基礎的安全因素的基礎上， 建立了橋墩基礎安全評價指標體系和安全評價模型。 黃河是馮忠居采用模糊水平綜合評價法建立的。 將該模型應用于鄭州柳江黃河大橋的安全性評價。

Bryan 等工程研究人員， 就坦桑尼亞某地區的部分公路橋梁進行深入調查， 就其中的8 座橋梁進行了安全風險評估， 并針對沖刷條件， 建立了特定的函數關系， 得到了臨界荷載的相關數據， 結合失效原理用統計數據計算臨界荷載下的沖刷破壞概率。

目前我國已經可以采用損傷模型、 損傷效應研究分析和風險優先級等方法對橋梁局部沖刷病害的損傷風險管理進行數據量化。

4 基于風險理論的沖刷坑深度預測分析

造成橋墩出現局部沖刷現象的因素有許多， 且具有無規律特點。 這些無規律因素不僅是造成安全風險的來源， 更是造成我國傳統計算公式不準確的重要原因， 亟待對局部進行沖刷坑深度進行更深入的探索和計算。 因此， 如何更準確地預測橋墩周圍進行局部沖刷坑的深度， 是擺在我們大家自己面前的一個重要難題。 隨著風險評估在橋墩局部沖刷研究中的應用， 一些學者將其應用于沖刷坑深度預測研究中。

基于馬爾可夫模型， 考慮到累積過程中， 沖刷侵蝕演化存在關鍵時間效應， 結合洪水事件的不可預測性， 難以確定洪水流量以及洪峰的發展規律和趨勢，圖巴爾迪就清水條件下的橋墩局部沖刷情況， 構建了概率評估框架。

在NCHRP項目“基于企業風險的橋梁沖刷預測分析方法” 中， Lagasse等人對局部沖刷預測管理方法問題進行了一個基于財務風險相關研究， 通過識別和評估在局部沖刷狀態下的水文及水力情況， 結合預測數據模型在建立中存在的不確定因素， 并將應用比較廣泛的水力模型與洪水預測框架相結合， 進一步提出了發展預測洪水技術的項目。 在此項目的NCHRP761 項目報告中， Lagasse和其他項目人員開發了一種能夠預測局部沖刷坑的深度的方法， 該方法以沖刷風險為基礎， 將侵蝕估計與概率統計數據有機整合， 實現了提升分析可靠性的為目標， 然而理論研究和實際分析中仍需要保證足夠的洪水勘測試驗數據，現場勘測作為概率支持和統計依據存在很大不確定性， 因此以計算沖刷坑深度為目標的風險評估項目尚處于有待深入開發階段。

5 結語

本文通過系統總結了橋墩局部沖刷危害評價的主要問題研究發展成果， 并進行了初步分析， 包括沖刷坑深度預測、 局部沖刷危害風險管理評估和風險控制理論教學評價等研究工作成果。

同時， 本文應從以下幾個方面對橋墩的侵蝕危害評價進行研究。

1） 細化沖沙坑深度預測公式。 由于水文、 地質、地形和建筑物的差異， 很難提出不同工作條件的公式。 目前， 土壤性質等因素可以作為社會影響主要因素的分類管理方法略粗糙， 計算分析結果往往偏差較大， 建議細化公式分類。

2） 橋墩局部沖刷風險評估因素量化。 在局部沖刷風險評估方面， 基于模糊理論或層次分析法（AHP） 的方法都是依靠人為確定指標， 這會造成主觀誤差。 在未來的研究中， 有必要進行深化對參數內在關系的研究， 以盡量減少我們人類社會認知能力可能就會造成的偏差。