山丘区桥下河床一般冲刷危害及防治分析探讨

王靖辉

(天津大学土木工程系)



山丘区桥下河床一般冲刷危害及防治分析探讨

王靖辉

(天津大学土木工程系)

分析了一般冲刷起始水流、水流搬运能力、设计流量、水流泥沙粒径、河床结构构造等因素，对山丘区桥下河床一般冲刷的影响，对一般冲刷产生的危害及防治进行了探讨。详细阐述了起始水流对河床的破坏机理和非均质结构构造河床对一般冲刷的影响。指出河床结构构造的非均质性是导致一般冲刷深度计算与模拟出现较大误差或波动的重要原因。

桥下河床；一般冲刷；危害及防治；结构构造

1 一般冲刷起始水流危害分析

当桥下未发生冲刷时，流量流速存在如下关系

Qp=ωyVp

(1)

当桥下河槽冲刷停止时。流量流速存在如下关系：存在如下关系

Qp=PωyVs

(2)

由(1)/(2)可得：

Vp=pVs

(3)

其中：Vp为冲刷前桥下河槽流速，即起始冲刷水流速度(m/s)；Vs为设计流速(m/s)；P为冲刷系数。

2 河流搬运能力提高危害分析

根据爱里定律：被搬运碎屑颗粒的粒径与流速的平方成正比，而颗粒重量与其半径的立方成正比，所以被搬运颗粒的重量与流速的六次方成正比。桥梁建设压缩河道引发桥下流速增加，若流速增加1～1.4倍，其它自然条件不变，则河流可搬运的颗粒重量将增至1～7.5倍，可搬运的颗粒直径将增至1～2倍。沟道水流挟沙力Xn∝V3。较大的颗粒运动则与水流能量有关。上游来沙(或推移质运动)会破坏河床结构，使其强度降低。因连续来沙，必须改变河道的河床结构强度，才能增加推移质的输沙率。山丘区河流，在汛期往往伴有不同程度的塌方或滑坡，河流泥沙、推移质含量较多，加大了桥下河床的冲刷强度。一般冲刷初始流速较大，一旦破坏河床结构，水流的沙砾量便快速增加，进而提高水流对河床的冲刷强度。如果同时叠加其它不利因素，就可能危机桥梁安全。

3 设计流量对一般冲刷深度的影响

按我国目前《桥涵水文》和《公路桥位勘测设计规程》推荐，对于非粘性土河槽一般冲刷计算可采用公式64-1、公式64-2或包尔达可夫公式。不同公式有对应的使用范围。采用公式64-2计算一般冲刷结果较合理，为此采用该公式说明设计流量对一般冲刷深度的影响。

对于山丘区河床，可设造床流量下的河槽宽度、河槽平均水深不变，则Ad不变。为量化设计流量对一般冲刷深度的影响，可假设桥梁和墩台形态不变，则造床流量下的河槽宽度、桥长范围内的河槽宽度、系数λ、μ均可认为不变。河床形态、桥梁及墩台确定后，Qc:Qtl随着Qp变化较小，也可设为固定比例。公式64-2可简化为(4)。

hp=K(Qp)0.9hcm

(4)

当Qp1=nQp时

hp1=n0.9K(Qp)0.9hcm

(5)

由(5)/(4)得

hp1=n0.9hp

(6)

通过对(6)式进行线性转换，可到式(7)，相关系数R2=0.989 4。

hp1=0.94n·hp

(7)

其中：hp为桥下一般冲刷后的最大水深，m;Qp为:频率为P%的设计流量，m3/s；Hcm为河槽最大水深，m。

土壤生态环境也具一定抗风险能力。其土壤微生物可促进Bt蛋白的降解。从转Cry1Ac基因水稻种植田土壤中得到降解Cry1Ac蛋白的细菌FJSB3，为寡养单胞菌(Stenotrophomonas sp.)，4 d内水稻秸秆中Cry1Ac蛋白降解率达到92. 86%[5-6]。新疆阿克苏盐碱地土壤细菌资源丰富，已分离培养盐碱地土壤中的细菌103株[7]，但目前新疆棉田Cry1Ac蛋白的降解研究鲜有报导。因此对Cry1Ac毒蛋白的降解细菌进行筛选和鉴定将可对长期种植转Bt棉田土壤的生态治理提供参考。

在此情形下，hp1和n呈线性关系，当实际过流量为设计流量n倍时，一般冲刷就会增加到0.94n倍。在季节性河流或冲洪沟上建设桥梁，由于缺乏气象、水文监测数据，Qp往往出现较大偏差，多数山丘区桥梁被冲毁多是由于Qp偏小造成。如果实际过桥洪流量大于设计洪流量1倍以上，不但一般冲刷会增加，局部冲刷也会相应增加，至少增加与一般冲刷同等数量级，导致桥下冲刷至少增加1倍。当桥下冲刷加深超出设计安全深度，墩台会失稳或被冲毁。这是山丘桥梁被冲毁的主要因素。

对于此种危害，可利用3S等现代新技术，提高设计洪水流量的精度。

4 水流泥沙粒径对一般冲刷深度的影响

(8)

(9)

由(8)/(9)得

(10)

对式(10)进行线性转换，得到式(11)，相关系数R2=0.995 3。

hp1=(0.0731n+0.93)hp

(11)

在此情形下，hp1与n呈线性关系，当粒径增大4倍时，hp1增加1.22倍。当桥前附近堤岸垮塌、或上游发生滑坡，引起洪流砂砾含量增加、平均粒径增大时，桥下冲刷也会增加。此现象汛期常有，有时会损坏桥梁。由于堤岸垮塌、上游滑坡为随机事件，很难对具体发生部位预测并防护，全流域防护又不现实，最佳防治策略为加大冲刷深度。建议将一般现有计算模拟的冲刷深度提高10%～20%。

5 河床结构构造对一般冲刷影响分析

利用河道防护抛石堆顶上石块稳定计算公式分析流速与河床冲刷破坏关系。当水流冲击力与石块所受摩擦力平衡时，石块保持稳定，此时流速与石块粒径存在如下关系

(12)

当水流速度变化1.0～1.4倍，可冲起卵石粒径D变化1～2倍。河床特定地段覆盖物粒径和结构是河流汛期与非汛期水流长期、交替作用形成的，粒径与水流速度相匹配，结构构造与河流演化历史相匹配。跨河建设桥梁，压缩河道，导致通过桥下水流速度增大，原先稳定的平衡关系被打破。虽然流速增大不大，但由于其破坏原河道的固有平衡，因此可能对墩台稳定带来危害。

桥下河床一般冲刷起始流速常常大于桥址处河床抗冲刷能力。当河床为均质构造时，则会按正常冲刷过程演进并在设计冲刷深度停止。当河床为上大下小构造时，如果起始水流冲刷小于表层抗冲能力，则河床不会被冲刷。如果相反则河床冲刷深度会不断加大，直到流速减小到不足以继续携带河床下部细粒物质为止。当河床为上小下大构造时，如果起始水流冲刷小于其下某层抗冲能力，当冲刷到达该层时，冲刷将停止，否则继续冲刷，随着流速减小，冲刷减缓，到达水沙平衡时停止。当河床为大小粒径交替构造时，冲刷会出现跳动式发展，对于较大颗粒层，随水速增加，冲刷深度基本不变，当达到一定速度，作用层被破坏，冲刷深度快速增加，后又进入相对稳定状态。非均质构造河床冲刷演进机理与现行理论假设存在较大差别是导致一般冲刷深度计算与模拟出现较大偏差的重要原因，也是导致桥墩基础失稳并危害桥梁安全的重要因素。

对于一般冲刷深度计算，需核算不同构造层的抗冲刷能力、不同水流冲刷力，结合河床结构构造核算冲刷停止条件和冲刷深度。最好建立水工模型或复杂数字模型，模拟非均质结构造河床冲刷过程，提高计算精度。

6 结 论

(1)一般冲刷起始水流速度最大，可破坏桥下河床覆盖物上部结构，并诱发河床进一步冲刷。

(2)河床结构构造对一般冲刷有重要影响。非均质结构构造河床，冲刷演进机理与目前理论假设偏差较大。非均质性是导致一般冲刷深度计算与模拟出现较大误差或波动的重要原因。

(3)对于非均质结构构造河床,采用水工模型模拟或三维数字技术有可能得出较为客观的冲刷深度结果。

(4)对桥下以及近桥前、后堤岸进行防护，可以有效避免初始较高水流对河床及堤岸破坏，提高桥梁工程在汛期的安全性。

[1] 吴雪茹.桥墩一般冲刷计算研究[J].水运工程，2007，(5)：27-30.

[2] 吴雪茹，陈光强，莫崇勋，等.桥墩局部冲刷计算探讨[J].广西大学学报(自然科学版)，2008，(4)：370-373.

[3] 中华人民共和国行业标准公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2002)[S].

[4] 王玲玲，刘兰玉，姚文艺.水流挟沙力计算公式比较分析[J].水资源与水工程学报，2008，(4)：33-35.

[5] 余国安，王兆印、杨吉山，等.来沙条件对山区河流推移质输沙的影响[J].清华大学学报：自然科学版，2009，49(3):342-346.

2015-04-11

U416.1

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1008-3383(2015)09-0017-02