桥梁水毁成因分析及防治措施综述

姜 涛，刘邦禹，王会利

（大连理工大学a.土木建筑设计研究院有限公司；b.土木工程学院，辽宁 大连 116024）

桥梁是直接架设在水面之上的构造物，其造价较高，重要性不言而喻，当暴雨来临，会直接受洪水的冲击，容易遭到破坏.近年来我国多次发生公路桥梁水毁，例如2012年“7.21”特大自然灾害就对北京公路桥造成了巨大破坏，共计水毁19座公路桥梁，直至2013年6月才全部修复通车，给人民的生活与国民经济都造成了巨大影响.因此，桥梁水毁的分析与预防应当引起足够重视，应以预防为主，治理为辅，使其危害降至最低.

1 桥梁水毁形式

当洪水水位超过桥梁的设计洪水水位，桥梁就容易出现水毁.首先，洪水流速较高，能够裹挟泥沙等杂物，一旦杂物堵塞桥孔，洪流就会壅高将桥梁上部结构损毁.其次，洪水单位时间流量较大，冲刷效果较强，一旦桥梁下部基础被洪流掏空，就会造成倒塌［1］.根据桥涵破坏位置的不同，具体可分为基础破坏、墩身破坏、上部结构破坏等，见表1.

表1 桥梁水毁形式Table 1 Forms of bridges washout

2 桥梁水毁原因

造成桥梁水毁的原因是多方面的，除了部分桥梁由于设计标准低、施工及设计有缺陷、桥面材料质量差等原因外，还有以下几方面成因.

2.1 桥位选择不当

桥位选择不当是桥梁水毁的一大原因.如果桥梁没有选择在河床与流量稳定的河段建造，不仅会增大调治构造物的规模，同时也会增大产生水毁的可能性.如果桥位选于河湾，则凹岸冲刷严重，若桥位与洪水中泓线斜交，就可能冲毁桥头引道.另外，河滩桥孔分配不合理，桥位处于游荡变迁性河段或在水土流失和发生特大洪水时，主流摆动、侵蚀等影响河床逐渐扩宽，也能造成桥梁水毁［5］.

2.2 桥孔设计偏小

我国早期的桥梁通常设计流量偏低，因此桥梁孔径也较小，这也是造成水毁的重要原因之一.桥孔过小会对泄洪造成阻碍，洪水漫过桥面或桥位上游水位壅高，加剧桥址冲刷，使桥梁墩台、锥坡被冲毁或冲断桥头引道；若洪水中有大量泥沙或漂浮物，易使桥孔淤塞，导致桥梁被洪水冲垮［6］.

2.3 墩台基础埋深不足

墩台基础埋深不足也是桥梁水毁的重要原因.在河床修建墩台后使洪断面面积减小，水流流速增大，造成了墩台周围的局部冲刷，使基础掏空［7］.例如，在河海交汇处的支流，当支流受洪水水流顶托时，水流中携带的泥沙容易在河口淤积，使河床高度上升.但当支流发生洪水时，淤积的泥沙又会被洪水轻易冲刷，造成基础埋深降低.尤其近年来全球气候变化导致雨水逐渐集中、洪水多发，埋深不足的墩台基础一旦遭到洪水冲刷就易被掏空而倒塌.图1是典型的桥墩埋深不足的实例.

图1 桥墩埋深不足Fig.1 Insufficient depth of pier

2.4 河道变迁

河道变迁主要包括河床退化、淤积以及横向迁移，这种变迁可能改变进桥水流流态，使水流直接冲击墩台，加剧墩台局部冲刷，使基础露出，最终造成洪水冲断桥头引道、冲断调治与防护设施.特别是蜿蜒河道（如图2），处于不稳定状态.例如1986年内蒙古自治区敖汉旗新玉线扎兰营子桥锥坡被冲毁，原因是桥址河道向北岸迁移30m，导致洪水斜向冲击桥头引道及锥坡基础，并在锥坡基础附近形成漩流所致［8］.又如美国哈奇田纳西51号桥由于横向河道以每年2m的速度迁移而倒塌，造成了8人死亡［9］.

图2 蜿蜒河道Fig.2 Bend channel

2.5 环境影响

近年来厄尔尼诺现象导致区域性干旱少雨，生态环境恶化，地表糙率不断下降.植被的日益稀疏也造成地表径流加快，使河流上游汇水面积范围内蓄水能力下降，当暴雨突降造成洪水时，河流水位猛增，从而冲毁桥梁.例如赤峰市G303线八沟营桥冲淤达3m深，无法排泄洪水造成了路基水毁，G306线杜家地桥由于水土流失，冲淤严重，桥孔堵塞无法排泄洪水造成引道水毁［10］.此外，某些高纬度地区冬天冰凌和冬雪不断堆积，春融后也会造成水毁［11］.

2.6 缺乏调治构造物与防冲刷措施

当洪水来临时，主流流向往往并不正好朝向桥孔中心，因此单靠桥孔泄洪并不十分流畅.一般工程中使用调治构造物调节水流流向，这样既提高了排洪效率，也避免洪流直接冲刷墩台基础乃至冲毁桥头引道.在河床较稳定、冲刷范围较小时，宜增设立面防护措施；当河床不稳定、冲刷范围较大时，宜采用平面防护措施［12］.如果缺少必要的调治构造物与防冲刷措施，桥梁往往难以抵挡洪水的冲刷.例如1970年竣工的墨玉桥，由于曲坝布设偏短，调治不力，其东岸有一股与坝体成60°交角的洪水股流顶冲导流坝坝头及旁蚀坝外河岸，使坝头遭到水毁［13］.

2.7 河道内漂浮物造成桥梁水毁

当洪水来临时，如果河道内泥沙、草木等漂浮物过多也会对桥梁造成水毁的危险.这主要是由于泥沙等体积较小的漂浮物容易淤积在桥孔中，影响泄洪，造成桥前壅水，使桥梁容易被水流冲垮.而树木等大型漂浮物则会直接冲击桥梁基础，使墩台与桥孔遭到破坏.如扎兰屯境内的成吉思汗大桥（5孔桥），汛期洪水夹带大量树木，互相交叉的树木横在桥孔中阻截大量漂浮物，使水位抬高，达到一定高度时冲毁了该桥［14］.

3 桥梁水毁防治措施

3.1 注重桥梁设计

3.1.1 桥位选择

桥位应选择在工程地质、水文地质条件较好的河段，并考虑到未来数年内河段地质条件的变化.具体来说，首先要确保河床土质坚实，避免河床地段出现断层、石膏土层、泥沼或者有侵蚀性化学物质.而在水文条件上则应尽量保证河道顺直、主河槽较深且窄、水流稳定，同时也应避免选址在支流河口下游而造成淤积问题.桥轴线应选择与洪水主流流向正交，在不通航的河流上，当河槽流量占70%以上时，则以河槽流向为准，当河槽流量占30%以下时，则以河滩流向为准，介于两者之间时，则以平均流向为准［15］.

3.1.2 桥孔设计

在确定设计水位后绘制桥下断面过水面积累计曲线并计算过水面积，之后在过水面积累计曲线图上求出桥孔的模糊长度和大体位置，最后根据桥孔布置的一般原则确定桥孔位置以及数量.桥孔的布设首先必须满足排水排沙的要求，确保桥梁的泄洪能力，同时应与路线排水系统和水利规划相配合，并适应农田灌溉要求［16］.

3.1.3 墩台结构与基础深度

为应对近年来雨水逐渐集中、洪水多发的极端天气状况，现在的桥梁设计中，必须避免墩台基础被掏空而倒塌这种情况的发生.具体措施包括在基础不良的河段上对河底进行铺砌，以及增加基础埋深等，使最大冲刷线在基础埋深之上，保证墩台基础牢固.这样一旦洪水来临，桥梁基础不宜倒塌，可以抵抗大规模洪水的冲击［17］.

3.2 完善桥梁调治与防护工程

桥梁调治与防护工程的主要作用是调整洪流方向，从而减轻洪水对桥梁的冲击与局部冲刷作用，许多桥梁水毁灾害都是由于缺乏必要的调治与防护工程而造成的.一般来说，在变迁性河段、游荡性河段和冲击漫流性河段上，调治物是必不可少的.同时，在稳定性河段两岸漫溢流量大或河滩河槽受到较大压缩时，也需要建造调治构造物.调治构造物主要包含：导流堤、丁坝、挑水坝等，各类调治构造物可以同时设置以充分发挥调节效果［18］.调治构造物随布置方式、规模尺寸的变化，其作用也有所不同.例如，丁坝就包含淹没式与非淹没式两种形式，其中淹没式丁坝可以加速泥沙沉积，非淹没式丁坝则具有较强的调流能力.因此设计构造物时应根据河流的水文与工程地质条件综合考虑布设方案.桥梁墩台常用的防护包括：石笼防护、板桩防护、抛石防护、混凝土防护等.图3为某桥台的石笼防护.

图3 石笼防护桥台Fig.3 Gabion protection abutments

3.3 加强桥梁养护工作

桥梁养护是延长桥梁寿命的重要措施，尤其是基础不良河段上的桥梁，其遭遇洪水的概率较大，更应加强桥梁养护工作，以降低水毁的风险.桥梁养护的内容主要包括日常检查、清除桥面污物、清理伸缩缝与疏通泄水槽、修理支座及桥面、河道清淤、疏通排水系统（如图4）等［19］.具体来说，对于墩台基础则应注意当圬工砌体镶面部分损坏，应用石料更换，并尽量保持与原镶面一致，若为轻度损坏，则可用水泥砂浆抹面修补，其强度等级不可小于M5.当墩身发生纵向贯通裂缝时，可加大墩台截面［20］.若通过声波探测得知桥墩内部存在裂缝与薄弱区，则采用环氧树脂注射装置是十分必要的，用以填补裂缝，提升桥墩水密性［21］.对于桥跨部分，当因基础位移或漂浮物冲击而引起桥跨损害时，可以尝试加固，具体包括八字撑架加固法、连续加固法、梁拱组合加固法、粘贴加固技术等方法.

图4 疏浚河道Fig.4 Training of river channel

3.4 结合生物措施防治桥梁水毁

生物措施防治桥梁水毁具有不错的效果.第一，树木等植物具有发达的根系，能够使河道底层土壤夯实稳固，使河道土层抵抗冲刷的能力变强；同时，植物的躯干与根茎能起到消能作用，降低水流动能，从而减轻洪水冲击作用.第二，在桥址上游凹岸处设置石笼丁坝，坝后回流区配植树木可以防止洪水冲刷.随着树木生长，回流区淤积土层也得到加固，坝体局部冲刷也因此变弱，起到了保护调治物的作用.例如位于111国道新惠镇东出口的新慧桥，河水主流对河岸冲刷颇为严重，桥位上游河道于200～300m处向西岸迁移了近50m.1992年，在河湾处修建了5道石笼丁坝，并种植杨树辅助治理，使桥梁免遭水毁［22］.第三，在河岸种植树木能美化护岸等防护设施，并且河岸土地肥沃，水分充足，可以通过种植经济作物取得经济利益.图5为某生物防治河道.

图5 生物防治Fig.5 Biological control

4 结 语

尽管我国桥梁工程规模发展迅猛，但水毁灾害依然如影随形，应当引起重视.由于不同河流所处河段与地貌都各有特点，因此桥梁水毁的形式与原因也有所不同.所以，工程上防治水毁应该因地制宜，根据河段工程地质特点完成桥梁设计，注重施工质量、加强养护，力求以预防为主，以治理为辅.只有这样才能从源头上杜绝水毁灾害的发生，维护国家的桥梁工程建设.

［1］ LeBeau K，Wadia－Fascetti S.Fault Tree Analysis of Schoharie Creek Bridge Collapse ［J］. Journal of Performance of Constructed Facilities，2007，21（4）：320－326.

［2］ Johnson P A.Fault Tree Analysis of Bridge Failure Due to Scour and Channel Instability ［J］. Journal of Infrastructure Systems，1999，5（1），35－41.

［3］ 史斌.公路水毁防治对策［J］.北方交通，2006（4）：42－46.

（Shi Bin.Strategies for Prevention and Treatment of Water Injury to Highway［J］.Northern Communications，2006（4）：42－46.）

［4］ 凌建明，朱文强，李若灵.浅议水毁防治措施选择［J］.西部交通科技，2007（1）：6－9.

（Ling Jianming，Zhu Wenqiang，Li Ruoling.A Brief Discussion on How to Select the Prevention Measures for Flood Damage［J］.Western China Communication Science＆ Technology，2007（1）：6－9.）

［5］ 郭晓英.桥梁设计中的水文问题分析［J］.黑龙江交通科技，2010（5）：69.

（Guo Xiaoying.An Analysis on the Hydrology Problems in the Bridge Design［J］.Communications Science and Technology Heilongjiang，2010，33（5）：69－70.）

［6］ 吕宏韬，蔡秀斌，宋华.浅析公路桥梁水毁［J］.黑龙江交通科技，2009，32（10）：108，110.

（LüHongtao，Cai Xiubin，Song Hua.A Brief Discussion on Water Injury to Highway and Bridges ［J］.Communications Science and Technology Heilongjiang，2009，32（10）：108－110.）

［7］ 阮新建，田兴参.农桥水毁破坏及整修加固［J］.中国农村水利水电，1999（8）：9－11.（Ruan Xinjian，Tian Xingcan.Washout and Reinforcement for Agricultural Bridges［J］.China Rural Water and Hydropower，1998（8）：9－11.）

［8］ 李海瑞.桥梁水毁的预防与治理［J］.公路，2007（7）：209－211.

（Li Hairui.Prevention and Treatment for Bridge Washout［J］.Highway，2007（7）：209－211.）

［9］ Johnson PA，Whittington RM.Vulnerability－Based Risk Assessment for Stream Instability at Bridges［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2011，137（10）：1248－1256.）

［10］ 赵宇.赤峰市桥梁水毁原因与治理［J］.内蒙古公路与运输，2000（1）：39－40.

（ZhaoYu.The Causes and Treatment of Bridges in Chifeng City［J］.Highways ＆ Transportation in Inner Mongolia，2000（1）：39－40.）

［11］ 李秀荣，逄德武，刘成林，等.内蒙古自治区公路桥梁水毁现状调查与防治对策［J］.内蒙古公路与运输，2001（2）：26－28.

（Li Xiurong，Pang Dewu，Liu Chenglin. Present Conditions and Countermeasures of Prevention and Control of Highway Bridges Washout of Flood in Inner Mongolia Autonomous Region ［J］. Highways ＆Transportation in Inner Mongolia，2001（2）：26－28.）

［12］ 王保国，王淑芝，姜兴文.造成公路水毁的原因及防治措施［J］.森林工程，2000，16（1）：56－58.

（Wang Baoguo，Wang Shuzhi，Jiang Xingwen.Reasons of Causing Flood Destruction to Highways and Its Prevention［J］.Forest Engineering，2000，16（1）：56－68.）

［13］ 李贞栋.谈变迁性河段上调治构造物的水毁［J］.公路，1983（4）：24－27.

（Li Zhendong. Washout of the Bridge Buildings over Shifting Rivers［J］.Highway，1983（4）：24－27.）

［14］ 张玉强.呼盟公路桥梁水毁原因分析与防治［J］.内蒙古公路与运输，2000（2）：41－42.

（Zhang Yuqiang. An Analysis on the Causes and Prevention of Highway Bridges Washout of Flood in Humeng Highway［J］.Highways ＆ Transportation in Inner Mongolia，2000（2）：41－42.）

［15］ 李青善.浅析桥位选择［J］.青海交通科技，2010（1）：27，30.

（Li Qingshan.A Brief Discussion on Bridge Site Selection［J］.Qinghai Science ＆ Technology of Communications，2010（1）：27－30.）

［16］ 李晓，贾界峰，陈春羽.桥孔布设原则及桥孔长度计算方法研究［J］.公路，2012（4）：12－15.

（Li Xiao，Jia Jiefeng，Chen Chunyu.A Study on Lay Principle and Length Calculation Method of Bridge Opening［J］.Highway，2012（4）：12－15.）

［17］ 马建华，王慧勇，张亚俊，等.浅谈公路桥梁水毁的预防［J］.黑龙江交通科技，1999（2）：32.

（Ma Jianhua，Wang Huiyong，Zhang Yajun，et al.A Brief Discussion on Prevention and Treatment for Bridge Washout［J］.Communications Science and Technology Heilongjiang，1999（2）：32.）

［18］ 于冬意，赵俊义，田艳萍.关于桥梁调治构造物设计的探讨［J］.水利科技与经济，2002，8（1）：18－19.

（Yu Dongyi，Zhao Junyi，Tian Yanping.Talk about the Designing of Bridge Buildings［J］.Water Conservancy Science and Technology and Economy，2002，8（1）：18－19.）

［19］ 高贵滨，薛丽，曹春龙.公路桥梁养护存在的问题及预防措施和方法［J］.吉林交通科技，2006（2）：50－51.

（Gao Guibin，Xue Li，Cao Jinlong.The Problems in Highway Bridge Maintenance and the Measures to Prevent Them ［J］. Jilin Science ＆ Technology of Communications，2006（2）：50－51.）

［20］ 王咏梅.桥梁墩台的养护和加固分析［J］.交通标准化，2012（22）：62－64.

（Wang Yongmei. Analysis of Maintenance and Reinforcement about Bridge Pier and Abutment［J］.Transportation Standardization，2012（22）：62－64.）

［21］ Perret S，Khayat K H，Gagnon E.Repair of 130－Year Old Masonry Bridge using High－Performance Cement Grout［J］.Journal of Bridge Engineering，2002，1（7）：31－38.）

［22］ 李海瑞.植物防护与工程防护相结合综合治理桥梁水毁［J］.内蒙古公路与运输，2001（2）：32－34.

（Li Hairui.Comprehensive Control of Bridge Washout of Flood with the Combination of Plant Protection and Engineering Protection［J］.Highways ＆ Transportation in Inner Mongolia，2001（2）：32－34.）