陳菊根 郭健 翁博文 李永明 吳繼熠

（1.浙江省公路水運工程咨詢公司，浙江 杭州 310005；2.杭州華燁交通工程檢測有限公司，浙江 杭州 311215；3.西南交通大學，四川 成都 610031；4.浙江工業(yè)大學土木工程學院，浙江 杭州 310014）

浙江地處我國東南沿海，長江三角洲南翼，河流縱橫交錯。多水則多橋，截至2019年底，浙江公路橋梁總數(shù)已達到5.1106萬座。其中，僅臺州市就有大小橋梁6100余座，溫州有大小橋梁6300余座。

由于地理位置原因，浙江每年都會受到臺風、暴雨天氣的影響，特別是臺州和溫州等地。暴雨多，意味著橋梁受沖刷破壞的風險高，因此結(jié)合工程實際調(diào)研橋梁基礎沖刷具有重要意義。

針對橋梁沖刷造成的巨大經(jīng)濟損失及社會關注，部分研究人員開展了橋梁沖刷事故的總結(jié)分析。例如，基于美國國家橋梁目錄和紐約州交通部橋梁數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，分析了430座橋梁發(fā)生倒塌事故的原因，其結(jié)果顯示有55.6%的事故是因為水力。

浙江橋梁眾多，橋墩形式多為圓柱式與排架式，且目前浙江關于橋梁沖刷的系統(tǒng)性統(tǒng)計調(diào)查較少，橋梁防沖刷養(yǎng)護缺少最新的調(diào)研依據(jù)。本文基于臺州、溫州地區(qū)橋梁發(fā)生沖刷事故的統(tǒng)計分析，和浙江橋墩多為圓柱式、排架式的形式因素，通過Flow-3D軟件對不同橋墩類型橋梁局部沖刷實施數(shù)值模擬，分析橋梁沖刷最大沖刷深度出現(xiàn)的位置，為橋梁的沖刷養(yǎng)護提供借鑒。

一、橋梁沖刷事故統(tǒng)計（浙江臺州、溫州地區(qū)）

本文統(tǒng)計了近年來臺州、溫州各地區(qū)橋梁由于沖刷引起的事故情況，把沖刷事故分為基礎沖刷與墩體沖蝕兩部分。統(tǒng)計分析了臺州、溫州地區(qū)橋梁沖刷事故發(fā)生的橋梁數(shù)量、沖刷病害描述。結(jié)果顯示，臺州、溫州地區(qū)橋梁墩型多為圓柱式、排架式，溫州地區(qū)共統(tǒng)計橋梁457座，近年來有記錄出現(xiàn)沖蝕、基礎沖刷現(xiàn)象的橋梁有13座，占比2.84%。同時，臺州地區(qū)共統(tǒng)計橋梁579座，其中出現(xiàn)沖刷病害的橋梁13座，占比2.25%。

根據(jù)針對臺州、溫州地區(qū)沖刷事故的統(tǒng)計，可知臺州、溫州地區(qū)沖刷事故具有以下特點。

橋梁橋墩墩身混凝土在發(fā)揮支撐作用期間，受到了不同程度的侵蝕，較為嚴重情況是下墩身混凝土脫落，鋼筋外露；沖刷事故的另外一種表現(xiàn)為橋梁基礎受到?jīng)_刷，橋梁基礎位于水底，只有在河床枯水期才能暴露于視野中，不易于維修人員觀察其受損情況，因此橋梁基礎的安全監(jiān)測具有一定難度。

在統(tǒng)計中，溫州的457座橋梁里，共有9座橋梁受到水流沖蝕影響，混凝土橋墩受到破壞，其中4座橋梁由于長期受流水作用或洪水影響出現(xiàn)不同程度的基礎沖刷現(xiàn)象；臺州的579座橋梁里，共有8座橋梁受到水體沖蝕影響，混凝土橋墩受到破壞，其中5座橋梁由于長期受流水作用或洪水影響出現(xiàn)不同程度的基礎沖刷現(xiàn)象。由此可知，在臺州、溫州地區(qū)，均存在較多橋梁沖刷事故，因此需要橋梁維護人員提高重視。

臺州、溫州地區(qū)沖刷事故具體表現(xiàn)為橋梁橋墩墩身混凝土受流水沖蝕及橋梁基礎河床沖刷，其中橋墩墩身混凝土沖蝕現(xiàn)象易于觀測，而橋梁基礎位于水下，只有在河床枯水期才能暴露于視野中，損傷情況難以監(jiān)測與判斷，因此對于橋梁基礎沖刷展開分析評估極其必要。

二、數(shù)值仿真模擬

橋梁基礎沖刷具有隱蔽性，而數(shù)值仿真軟件可以通過求解流體的控制方程及泥沙輸送模型，得到橋梁沖刷的發(fā)展趨勢。Flow-3D是一款功能齊全且具有良好求解精度的軟件，其VOF技術可以良好地捕捉泥沙的變化情況。

表1 沖刷深度對比

圖1 單跨排架式橋梁基礎沖刷坑形態(tài)

圖2 雙跨排架式橋梁基礎沖刷坑形態(tài)

根據(jù)臺州、溫州地區(qū)橋梁沖刷事故的調(diào)研結(jié)果，選取調(diào)研地區(qū)的典型橋墩形式圓柱式橋墩與排架式橋墩為幾何模型，并結(jié)合調(diào)研地區(qū)具有代表性的水文參數(shù)及樁型參數(shù)開展分析。

（一）圓柱式橋墩數(shù)值模擬

考慮調(diào)研地區(qū)的橋墩形式及水文情況，建立圓柱式橋墩沖刷模型，選取樁徑為1m的橋墩，來流流速為1.11m/s。

在得到數(shù)值模擬的結(jié)果后，對比數(shù)值模擬結(jié)果與國內(nèi)外沖刷深度計算公式計算得到的預測沖刷深度，對比情況如表1所示。65-1修正式與65-2式估算最大值作為橋梁沖刷預測深度，與數(shù)值模擬結(jié)果相比，計算結(jié)果較為接近；美國規(guī)范計算結(jié)果偏大，較為保守。

根據(jù)模擬結(jié)果，流體在經(jīng)過橋墩時發(fā)生繞流，局部流速有所增加，橋墩前沖刷坑深度大于墩后沖刷坑深度，橋梁工作者需要在日常養(yǎng)護中加強對于橋墩前側(cè)位置的河床泥沙深度監(jiān)測與防護。

（二）排架式橋墩數(shù)值模擬

臺州、溫州地區(qū)橋梁橋墩形式多為圓柱式與排架式結(jié)構(gòu)，本文繼續(xù)討論采用排架式橋墩時水流對墩周的沖刷影響。選擇墩徑為1m，水流流速為1.18m/s的工況，對單跨與雙跨排架式橋墩實施數(shù)值模擬。

數(shù)值模擬中橋墩墩心距均為2.6D，橋墩呈串列分布，在模型設置與上文相同的條件下計算。分析排架式橋墩墩周的水流結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)排架式橋墩墩周水流結(jié)構(gòu)與圓柱式橋墩有許多相似之處，下降水流與漩渦仍然是引起橋梁局部沖刷的主要原因。隨著跨數(shù)的改變，前墩的遮蔽效應會影響后墩墩前的流速，后墩的沖刷坑也會因此出現(xiàn)不同的形態(tài)，單跨排架式橋墩及雙跨排架式橋墩局部沖刷坑如圖1、圖2所示。

在串列布置不同橋墩數(shù)量的條件下，沖刷最大深度都出現(xiàn)在橋墩迎流側(cè)，前排墩迎流側(cè)、各墩墩側(cè)均呈現(xiàn)出沖刷現(xiàn)象；墩間、后排墩墩后均呈現(xiàn)淤積現(xiàn)象，對比不跨數(shù)的排架式橋墩，可知淤積最大值均出現(xiàn)在后排橋墩墩后。由于水流發(fā)生繞流加速，墩側(cè)泥沙均表現(xiàn)出沖刷痕跡，后排橋墩受到前排橋墩的遮蔽作用，墩前的行近流速減小，導致水流從前排橋墩墩周挾帶出來的泥沙在墩間及墩后淤積形成壅土帶。

通過圓柱式橋墩及排架式橋墩的數(shù)值模擬，對比分析不同橋墩形式對于局部沖刷的影響。在相同條件下，圓柱式橋墩與排架式橋墩的沖刷最大深度都出現(xiàn)在橋墩迎流側(cè)，橋梁維護人員需要對相應位置加強監(jiān)測。對于排架式橋墩，受前排墩遮蔽效應的影響，后排墩墩前流速小于前排墩，墩間及后排墩墩后會出現(xiàn)泥沙淤積。

三、結(jié)語

近年來夏季暴雨洪水致災事件增加，橋梁受沖刷的安全問題越來越受到人們的重視。橋梁基礎沖刷因水動力過程復雜，當前研究人員對其了解有限，所以沖刷機理的探析對橋梁的設計和維護具有重要工程意義。針對本文統(tǒng)計的近年來浙江部分地區(qū)橋梁沖刷事故病害情況，結(jié)合調(diào)研結(jié)果與相關資料，綜合分析認為，浙江部分地區(qū)橋梁存在較多沖刷病害，沖刷病害主要分為對于橋墩墩身混凝土的沖蝕及橋梁基礎的沖刷。針對上述情況，基于數(shù)值模擬與中美規(guī)范公式，本文探析了典型橋梁局部的沖刷規(guī)律，由數(shù)值模擬結(jié)果可得圓柱式橋墩局部沖刷最大深度出現(xiàn)在橋墩前側(cè)，排架式橋墩最大局部沖刷深度出現(xiàn)在前排墩迎流側(cè)，墩間及后排墩墩后存在泥沙淤積，橋梁維護人員應當加強橋墩前側(cè)位置的河床泥沙深度監(jiān)測。因此，建議定期檢查長期受到水體沖刷或洪水影響橋梁的基礎損傷情況，并采取相應的維護措施。