汶川震区山洪泥石流引发桥梁灾害成因分析

邹　磊，赵灿辉，苗　宇

(1.四川都汶公路有限责任公司， 成都　610041； 2.西南交通大学， 成都　610031；

3.四川省交通厅公路规划勘察设计研究院， 成都　610041)



汶川震区山洪泥石流引发桥梁灾害成因分析

邹磊1，赵灿辉2，苗宇3

(1.四川都汶公路有限责任公司， 成都610041； 2.西南交通大学， 成都610031；

3.四川省交通厅公路规划勘察设计研究院， 成都610041)

摘要：对2010年8月、2011年7月和2013年7月汶川地震区3次大型区域性山洪泥石流灾害中桥梁灾害进行归纳总结，并对典型桥梁病害成因进行分析。结合重建工程，对山区桥梁地震地质灾害防治提出相应对策。

关键词：汶川地震区；地质灾害；山区桥梁；典型病害；防治对策

“5·12”汶川特大地震发生后，笔者对灾区42个县地质灾害情况进行了调查，发现滑坡、崩塌、泥石流隐患点约12 000余处，隐伏灾害点估计达3万～4万余处，分布范围约10万km2[1-3]。由于大量地质灾害隐患点的存在，虽然“5·12”汶川特大地震已过去7年多，但其影响却仍未停止，分别在2010年8月13日、2011年7月3日、2013年7月13日爆发了3次大型区域性山洪泥石流灾害(分别简称“813”“703”“713”泥石流灾害)，崩塌、落石等小型地质灾害随处可见，给地震中幸存的桥梁和重建的桥梁带来新的损伤[4-8]。综合来看，地震使得道路边坡松散，松散边坡为崩塌、滑坡及泥石流提供了丰富的物源。其中危害最大、持续时间最长、数量最多的是泥石流灾害[4-8]。

本文收集了汶川地震区在上述3次大型地质灾害中桥梁的受损情况，对桥梁灾害的形式和特点进行了归纳，并结合重建工程，对山区桥梁地震地质灾害的防治提出对策。

1山洪泥石流灾害中的典型桥梁病害

山洪泥石流导致的桥梁病害形式繁多[9]，归纳起来可分为以下几种形式。

1.1直接冲毁

“713”泥石流灾害的病害形式是直接冲毁，其是山洪泥石流中最为严重的病害形式[7]。在“713”泥石流灾害中，国道213线福堂坝大桥、兴文坪大桥等11座桥梁被冲毁，占被调查桥梁(共96座)的11.5%。这一调查结果纠正了桥梁为行洪结构物，在山洪泥石流灾害中，其病害主要为桥下淤积的认识。

从“713”“813”“703”3次泥石流灾害桥梁病害调查结果可知，就直接冲毁病害而言，既有兴文坪大桥、福堂坝大桥因桥墩被冲毁而导致的桥梁垮塌，也有毛家湾中桥主梁被直接冲毁的情况。

“713”泥石流灾害中大量桥梁被冲毁的事实，对山区桥梁的防灾减灾设计敲响了警钟。

其中，兴文坪大桥被冲毁现象如图1所示。

图1　兴文坪大桥被冲毁垮塌

1.2桥下净空淤塞或桥梁被掩埋

桥下净空淤塞或桥梁被掩埋是泥石流灾害中最为常见的桥梁病害形式。在“813”“703”“713”泥石流灾害中，共有27座桥梁出现该类型病害，轻微者桥下净空被淤塞，严重者整桥被掩埋。草坪2号大桥桥下淤积情况如图2所示。

图2　草坪2号大桥桥下淤积情况

1.3桥梁被洪水淹没

桥梁被洪水淹没多数是由于泥石流进入河道，其压缩河床断面或形成堰塞湖，导致水位上升所致。在“813”“703”“713”3次泥石流灾害中，共有11座桥梁被洪水淹没。

在“703”泥石流灾害中，连山村特大桥受银杏幸福沟泥石流的影响，沟谷堆积物形成了顺沟谷长约150 m、平均厚度约15 m的扇形堰塞体，堵塞岷江，致使该处岷江水位抬高约15 m。上游岷江江面变宽后，造成岷江上游连山村特大桥的桩基施工场地及设备被淹没，如图3所示。此外，映秀岷江桥、银杏坪中桥、羊店1号桥等桥梁也出现了被洪水淹没的病害。

图3　连山村特大桥被洪水淹没

1.4基础冲刷或桥墩磨蚀

基础冲刷或桥墩磨蚀也是山洪泥石流灾害中常见病害形式之一，其主要发生在冲沟型泥石流流通区，在“813”“703”“713”泥石流灾害中，共计12座桥梁出现此类病害。

调查结果表明，山洪泥石流下蚀沟床可从几m到几十m不等，泥石流下蚀沟床会使桥梁墩台和护岸基础被掏空，致使过沟建筑物和防护工程毁坏。在“813”“713”泥石流灾害中，国道213线K38+ 020中桥基础均被严重冲蚀，危及桥台或桥梁安全[8]。在“713”泥石流灾害中，桃关沟中桥3号墩、4号台基础被冲刷淘空，桥墩磨蚀严重，第3孔几近垮塌，严重威胁桥梁安全。桃关沟中桥病害如图4所示。

图4　桃关沟中桥病害

1.5主梁、桥墩被推挤

主梁、桥墩被推挤是“713”泥石流灾害中出现的新病害，且出现该病害桥梁数量多达8座。草坡2号大桥主梁受泥石流推挤横向移位达80 cm，主梁从支座上掉落，挡块破坏。兴文坪大桥第4跨受前3跨主梁落梁的影响，发生位移并伴有转动，其主梁从支座上掉落，并导致挡块破坏，几近落梁，且主梁横向移位50 cm以上，纵向移位超过20 cm，如图5所示。调查发现，泥石流推挤作用导致部分桥梁墩柱、桥台出现了开裂现象，如福堂大桥墩顶因推挤出现6条裂缝，裂缝最宽处达1 mm，且裂缝有继续发展的趋势，如图6所示。

图5　兴文坪大桥第4跨主梁移位

图6　福堂大桥桥墩墩顶开裂

1.6主梁被砸断

本次泥石流灾害调查发现，主梁被砸断病害仅出现在5座桥梁中，但后果极其严重。其中，连山村特大桥左幅1号桥第39孔主梁被砸断；2号桥右幅第15孔主梁腹板被毁，预应力钢束断裂，普通钢筋破坏，导致连山村特大桥仅能单幅限制通行，如图7所示。另外，一碗水中桥也出现了主梁被砸断导致交通中断的现象[7]。

山洪泥石流往往裹挟了体积较大的漂石。砸毁连山村特大桥左幅1号桥第39孔的巨石直径达3 m，砸毁连山村特大桥右幅2号桥的巨石直径超过3 m。体量如此大的漂石从高位随洪水高速下冲，其冲击力是桥梁结构难以承受的。

图7　连山村特大桥2号右幅15孔边梁被砸

1.7主梁下挠或主梁上拱

主梁下挠或主梁上拱现象在泥石流灾害中并不多见。簇头沟中桥泥石流堆积体在桥面上堆积过高，在堆积物重量的作用下，主梁下挠；福堂大桥左线则因桥下堆积物向上推挤主梁，导致2号墩顶处桥面上拱，其实质是主梁发生了向上位移。实际上，主梁下挠或上拱是泥石流所带来堆积物的压力所致。

2山洪泥石流灾害中典型桥梁病害成因分析

山洪泥石流导致桥梁出现不同病害的成因不尽相同，下面将对上述山洪泥石流灾害中典型桥梁病害成因进行分析。

2.1直接冲毁

目前，对山洪泥石流导致的桥梁毁坏机理尚缺乏定论。有观点认为，携带巨大漂砾的泥石流高速运动时，直接冲击线路桥梁，两者会产生强烈碰撞，当冲击力大于桥梁承载力时，桥梁即被破坏[10]。也有观点认为，泥石流是固-液两相复杂介质，泥石流的冲击破坏来自于泥石流浆体的冲击和泥石流固相颗粒集中荷载的耦合；泥石流运动具有脉动性，其在快速流动中与桥梁间存在复杂的相互动力作用，因此泥石流对桥墩的冲击力可采用冲击力时程来表达。一些研究进一步指出，随着泥石流浆体粘度增大，泥石流冲击力与冲击力标准差呈非线性增大，泥石流95%以上的冲击能量分布在低频部分；泥石流冲击能量百分比总体从低频至高频呈迅速衰减分布趋势，泥石流粘度越高，低频段至高频段的冲击能量衰减速度就越快[11]。

总体看，业界对泥石流对桥梁作用机理的研究目前远未成熟，对于泥石流冲击力对桥梁所产生效应的计算方法尚需深入研究，这已成为目前桥梁工程中的热点问题之一。

2.2桥下净空淤塞或桥梁被掩埋

桥梁为跨越河流沟谷的构造物，而对于谷底线中桥梁的设计，桥梁一般在沟口选址。沟口处地势相对平坦，当泥石流灾害发生时，平坦地势可以减缓泥石流的流动速度，并使其中固体物质沉积、堆积。当泥石流携带固体物质沉积在桥位处时，会导致桥下被淤积。若泥石流冲出体积较大时，固体物质将逐渐堆积，当堆积物超过桥面高度时，受流向压力的作用，其将继续流向桥面并沉积，此时会导致桥梁被部分掩埋或全部掩埋。

直观看，对于被掩埋的桥梁而言，只要清除其桥面堆积物即可恢复通行，似乎较易处理。然而，泥石流在流动中必然推挤桥墩，且堆积物呈沟口低、沟内高的形态，这也将对桥墩造成推挤。由于桥梁下部结构被掩埋，上述推挤是否对桥墩造成病害难以知晓，且桩基等隐蔽工程实际上很难检查。因此，此类病害的后期修复较为困难。

除推挤效应外，另一个值得注意的问题是行洪断面被大幅压缩，当下一次山洪泥石流爆发时，即有可能因桥梁阻碍行洪而被冲毁。罗圈湾中桥在“703”泥石流灾害中因堆积物清除不够，行洪断面不足，致使“713”泥石流灾害中洪水漫过桥面，最终被冲毁并被掩埋[6]。

2.3桥梁被淹没

桥梁被淹没这一病害并非泥石流直接引起的，而是泥石流堵江或淤高河床所致。其危害在于桥梁被洪水淹没后将直接中断交通，尤其是当需要大型机械进入灾害点疏通河道时，这一危害更加明显。

2.4基础被冲刷，桥墩被磨蚀

山洪泥石流流动导致的另一种病害是桥墩被磨蚀。其典型实例是“703”泥石流灾害中的太平驿沟大桥、连山村特大桥60～70墩、七盘沟左右线大桥等[5]，严重者甚至保护层混凝土完全被磨蚀。这种病害是由山洪泥石流中的漂砾撞击、磨擦桥墩所致。

无论是桥梁被磨蚀还是基础被冲蚀，都可能导致桥梁承载能力下降。因此，灾后都必须对受损桥梁进行加固处理。

2.5主梁、桥墩被推挤

如前所述，桥梁作为行洪结构物是山洪泥石流通过的通道，由于泥石流为固-液混合物，有一定粘度，故桥墩的存在将阻碍泥石流通过；反之，泥石流在流动中将推挤桥墩，若行洪断面不足，则山洪泥石流会到达主梁位置，这一推力必将推挤主梁。对于板式橡胶支座简支梁桥，梁体直接支撑于桥墩上，相互之间仅靠橡胶支座联系，基本无水平约束，当泥石流的水平推挤力超过摩擦力或支座抗剪能力时，梁体将与桥墩发生相对位移。主梁移位往往伴随着支座病害，在福堂大桥、草坡2号大桥就观察到支座掉落的情况，而在簇头沟中桥则观察到全桥支座横向剪切变形的情况[6]。由于简支梁桥1联内一般采用桥面连续连接，其横桥向整体性较好，因此，即使不直接受推挤的主梁也可能发生横向移位。

以上仅是从静力角度对主梁、桥墩被推挤病害进行了解释。实际上，由于泥石流流动速度较快，其不仅存在静力作用，而且还存在复杂的动力作用。为此，在以后的研究中应对其予以重视。

值得一提的是，受泥石流推挤作用，T梁还可能开裂。这是由于T梁腹板较薄，横向刚度较差，较大的局部推挤即可能导致其开裂，福堂大桥即为一典型实例。由此可以看出，泥石流对桥墩的推挤作用较为强烈。对于桥墩被掩埋的桥梁，其墩柱和桩基存在开裂等病害是完全有可能的。

2.6主梁被砸断

落石冲击桥梁的现象并不一定在泥石流发生时才会出现。在岩层破碎区域，即使不发生泥石流，也有可能发生崩塌、落石，彻底关大桥2次被崩塌落石砸毁即为典型实例[9]。

3病害现象及分析

从上述分析可看出，泥石流导致的桥梁病害形式多种多样，其种类甚至超过桥梁震害，且部分病害较为隐蔽，不便检查。

从作用方式看，泥石流导致的桥梁病害大致可分为直接病害和间接病害2类，以直接病害为主。前者包括：1) 桥梁被泥石流冲毁；2) 桥下净空被泥石流堆积物淤塞或桥梁被掩埋；3) 基础被冲刷，桥墩被磨蚀；4) 主梁、桥墩被泥石流推挤；5) 主梁被泥石流裹挟的巨形漂石砸断；6) 主梁由于堆积物过重而下挠或主梁因泥石流堆积物托举而上拱。后者主要是桥梁被淹没，这是由堰塞湖或河床淤积导致的病害。

就直接作用而言，泥石流对桥梁的作用机理也较为复杂。初步分析认为，桥梁被泥石流冲毁、基础被冲刷、桥墩被磨蚀大致是由泥石流在流动过程中的动力作用所致；主梁、桥墩被推挤则主要是静力作用所致；主梁被砸毁则主要是落石的冲击力所致，属动力作用。

4桥梁病害对策

目前，业界对泥石流对桥梁作用机理的认识仍然不足，对泥石流效应进行定量计算仍有一定困难。但根据前述的调查和分析，仍然可以提出一些实用对策和措施。

4.1合理选择桥位和构筑物形式

山洪泥石流灾害的定量评估和预测较为困难。在高山峡谷区段，选择合适的桥位十分重要。对于潜在的大型危险体，应尽量绕避远离，且困难路段应尽可能用隧道穿越。减少桥梁直接暴露在地质灾害中的几率，是减少桥梁病害的最好保证。

4.2合理选择桥面标高

在“813”“703”“713”3次泥石流灾害中出现了大量桥梁被淹没的现象，尽管有泥石流堵江导致水位上升的原因，但在一定程度上也反映出桥面标高选择偏低的问题。目前已有学者对这一问题进行了研究，提出了泥石流渡江的判据，并提出了水位壅高值计算式，为计算淹没范围提供依据[12]。处于计算式分析所得淹没范围内的桥梁，适当提高桥面标高，可大大减少桥梁被淹的概率。

同时，对于山区桥梁，应提高桥面标高，以便为泥石流通过提供更大空间，且其对于消除和减少泥石流灾害中的主梁推挤病害也具有很好的作用。

4.3适当增大桥梁跨径

山洪泥石流对桥墩的推挤，实质上就是由桥墩压缩了山洪泥石流流动的断面所致。因此，在易爆发山洪泥石流的桥位适当增大桥梁跨度，减少桥墩数量，便可以增大山洪泥石流的下泄空间，并在一定程度上减轻山洪泥石流对桥墩的推挤。

4.4泥石流灾害高发区应慎重采用扩大基础

山区桥梁由于地基承载力较高，扩大基础是常采用的基础形式之一。然而这一基础形式直接坐落于地基之上，一旦地基被洪水泥石流冲蚀，便极易导致基础失去可靠支撑而发生严重病害。

4.5加长桩基

山洪泥石流灾害中，由于河道变迁或泥石流堵江后江水流速加快，较易导致河床下切，桩基大量裸露。因此，在山区跨河大桥中，适当加长桩基可缓解河床下切导致的病害，避免因地基冲蚀导致桩基承载力下降或失效。

4.6采用导流槽，规范泥石流的流动方向

无论桥墩受推挤还是桥梁被掩埋，均是泥石流流动沉积所致。因此，如果能够规范泥石流的流动方向和范围，则可以基本消除其对桥墩的推挤和掩埋。在映汶高速公路灾后恢复重建中，采用导流槽将泥石流的流动加以限制，避免了泥石流对桥墩的直接冲击和挤压，效果良好。红椿沟中桥所采用导流槽如图8所示。

图8　红椿沟中桥采用导流槽保护桥梁

4.7分级拦挡，水石分离

在泥石流沟中修筑拦挡坝是泥石流灾害治理中的常用方法。对于桥梁来说，拦挡坝可拦挡部分大型漂砾、落石，并降低泥石流流速，使固体物沉积。多级拦挡后可实现水石分离，极大地减少冲击桥梁的漂砾数量，保护桥墩免受冲击和磨蚀，如图9所示。

图9　修筑拦挡结构，水石分离

5结束语

泥石流灾害对桥梁影响巨大，其所导致的桥梁病害形式主要有桥梁被冲毁，桥下净空被淤塞或桥梁被掩埋，基础、桥墩被冲刷、磨蚀，主梁被推挤变位，桥墩被推挤开裂，主梁被泥石流裹挟的巨形漂石砸断，主梁下挠或主梁上拱以及桥梁被淹没等。泥石流对桥梁的作用机理相当复杂，大致可分为动力作用和静作用2类，2类作用均可能导致桥梁损毁。本文根据灾区恢复重建的经验提出了合理选择桥面

标高、跨径、修建排导槽、拦挡坝等防治措施，可供同类灾区恢复重建桥梁时参考。

参 考 文 献

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Analysis for Reasons of Bridge Diseases Caused by Torrential Flood and Debris Flow in Wenchuan Earthquake Region

ZOU Lei1, ZHAO Canhui2, MIAO Yu3

Abstract:This paper summarizes bridge diseases in 3 large regional torrential flood and debris flow diseases in Wenchuan earthquake region in August 2010, July 2011 and July 2013, and analyzes reasons of typical bridge diseases. In combination with reconstruction projects, the paper proposes corresponding prevention countermeasures for seismic and geological diseases of bridges in mountainous area.

Keywords:Wenchuan earthquake region; geological disease; bridge in mountainous area; typical disease; prevention countermeasure

文章编号：1009-6477(2016)01-0085-06

中图分类号：U445.7+1

文献标识码：B

作者简介：邹磊(1981-)，男，四川省广安市人，本科，工程师。

收稿日期：2015-05-28

基金项目：交通运输部西部交通建设科技项目(2013 318 800 020)；四川省交通科技项目(2008A9-1)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.019