某高速公路跨河桥涵防洪评价最大冲刷深度计算

冯 露 许 可 刘锦雯

（1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000 2.南水北调东线江苏水源有限责任公司 南京 210009）

1 项目概况

该项目拟建高速公路位于两湖之间，全线高速公路设计速度为120km/h，路线全长17.711km。全线桥涵设计汽车荷载等级采用公路-Ⅰ级，采用双向八车道高速公路标准，路面总宽42m。项目沿线跨越A河、B河和C河3条骨干河道及25条村镇河道，沿线路设置了12 座箱涵跨越上述河道，其中跨越A、B、C 三条骨干河道的桥梁设置如下。

1.1 A 河

桥梁位于A 河工程桩号7+001.3 处，采用3×30m 预应力混凝土连续箱梁横跨A 河，桥墩顺河道方向布设，钻孔灌注桩基础。

1.2 B 河

B 河特大桥全程1232.2m，主桥采用55m+95m+55m 三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，主跨95m，一跨跨越航道。主墩采用实体墩，基础为钻孔灌注群桩基础。

1.3 C 河

C 河中桥桥梁与河道中心线夹角为110°，桥梁全长81.4m。桥梁采用3×25m 装配式PC 箱型连续梁跨越C 河，上部结构采用装配式PC 箱型连续梁，下部结构为柱式桥墩、肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。

2 桥址处最大冲刷深度计算

2.1 冲刷计算

本次计算方案考虑河道行洪的实际情况计算冲刷深度。桥址处最大冲刷深度按《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）中的一般冲刷和局部冲刷计算公式计算[3]。

2.2 土质指标取用

桥梁墩台的冲刷计算包括一般冲刷和局部冲刷，一般冲刷计算根据河床泥沙的组成分为非粘性土河床与粘性土河床，桥墩局部冲刷根据一般冲刷后桥墩处河床泥沙组成及土层分布再分析计算。根据江苏省交通规划设计院有限公司提供的A 河和C河桥位处工程地质勘探试验综合成果建议值表，按新孟河延伸拓浚工程设计参数，A 河河床下卧层以2-3 层粉砂为主，C 河以2-1 层粘土和2-1a 层粉质粘土为主，因此，对A 河按非粘性土，对C 河按粘性土进行一般冲刷和桥墩局部冲刷计算。

A 河桥梁冲刷计算土质指标采用见表，C 河桥梁冲刷计算土质指标采用见表2。

表1 A 河地勘土质指标成果表

2.3 冲刷深度计算

本文冲刷公式根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30－2015）取用，进行了一般冲刷和墩台局部冲刷计算。对C 河和A 河分别选用粘性土和非粘性土进行河床冲刷公式计算[4]。

（1）粘性土河床一般冲刷与桥墩局部冲刷深度计算公式

①河槽部分

式中：

hp—桥下一般冲刷后的最大水深（m）；

Ad—单宽流量集中系数，Ad＝1.0～1.2；

IL—冲刷坑范围内粘性土液性指数，适用范围为0.16～1.19；

μ—桥墩水流侧向压缩系数，按规范表取用；

Bz、Hz—造床流量下河槽宽度和河槽平均水深（m）；

Qp—频率为p%的设计流量（m3/s）；

Qc—天然状态下河槽部分设计流量（m3/s）；

Qtl—天然状态下河滩部分设计流量（m3/s）；

Q2—桥下河槽部分通过的设计流量（m3/s）；

hcm—桥下河槽最大水深（m），从横断面图上量得；

hcq—桥下河槽平均水深（m），。

②桥墩局部冲刷

表2 C 河地勘土质指标成果表

根据前面所述，桥墩处河床泥沙的组合变化较大，本次计算时针对桥墩处不同的土质情况分别计算其局部冲刷，各液性指数详见表1、表2。

式中：

hb—桥墩局部冲刷深度（m）；

IL—冲刷坑范围内粘性土液性指数，适用范围为0.16～1.48；

Kξ—墩形系数，据规范附录B 选用，取值为1.0；

B1—桥墩计算宽度（m）；

V—一般冲刷后墩前行近流速（m/s）；

其余符号意义同前。

（2）非粘性土河床一般冲刷与桥墩局部冲刷深度计算公式

①一般冲刷计算公式：

式中：

hp—一般冲刷后的最大水深（m）；

Qp—频率为P%的设计流量（m3/s）；

Q2—桥下河槽部分通过的设计流量（m3/s），当河槽能扩宽至全桥时取用Qp；

表3 桥梁冲刷深度计算参数表

Qc—天然状态下河槽部分设计流量（m3/s）；

Qt1—天然状态下桥下河滩部分设计流量（m3/s）；

Bcg—桥长范围内的河槽宽度（m），当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度；

Bz—造床流量下的河槽宽度（m），对复式河床可取平滩水位时河槽宽度；

λ—设计水位下，在Bcg宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值；

μ—桥墩水流侧向压缩系数；

hcm—河槽最大水深（m）；

Ad—单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段当Ad＞1.8 时，Ad值可采用1.8；

Hz—造床流量下的河槽平均水深（m），对复式河床可取平滩水位时河槽平均水深。

②非粘性土河床桥墩局部冲刷计算

桥渡冲刷的产生是由于桥墩阻碍了水流，使水流形态发生变化，一般在墩前两侧发生集中现象，引起动能增加；另一方面水流受阻后部分动能转化为位能，由于水流形态变化，桥墩附近水流冲刷能力加大，在桥墩处产生冲刷坑。

局部冲刷计算公式：

当V≤V0时，

当V＞V0时，

式中：

hb—桥墩局部冲刷深度（m）：

表4 桥梁墩台冲刷深度成果表

Kξ—墩形系数；

B1—桥墩计算宽度（m）；

hp—一般冲刷后的最大水深（m）；

d—河床泥沙平均粒径（mm）；

Kη2—河床颗粒影响系数；

V—一般冲刷后墩前行近流速（m/s），

Vo—河床泥沙起动流速（m/s）；

n2—指数。

（3）冲刷计算结果

冲刷计算的各项参数见表3。

根据前述的公式、土质指标及各项参数，通过计算，A 河行洪流量221.8m3/s 和引水流量88 m3/s时桥址处河床一般冲刷最大深度均为0，C 河行洪流量186m3/s 和引水流量57m3/s 时桥址处河床一般冲刷最大深度均为0。河床桥墩处局部冲刷深度，A河行洪时最大为3.09m，引水时最大为2.71m，C 河行洪时最大为1.02m，引水时最大为0.55m。一般冲刷和局部冲刷计算成果见表4 ■