曾桂華，程素珍，張慶麗

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.山東省科源工程建設監(jiān)理中心，山東 濟南 250014）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和建筑水平的快速提高，跨河橋梁的建設數(shù)目越來越多，規(guī)模越來越大，部分墩臺不可避免地位于河道的行洪斷面內(nèi)，在一定程度上阻礙河道行洪，改變局部河道水流流態(tài)，對河道行洪安全造成一定影響，橋墩部位的沖刷，在一定程度上也影響橋梁自身安全。為了河道的行洪安全和橋梁自身運行安全，對橋梁墩臺進行沖刷分析計算是必要的。沖刷深度計算公式的選擇正確與否、成果是否合理，會直接影響到評價結論，也是水行政主管部門對橋梁建設方案進行審查的重點內(nèi)容之一。

1.1 河床自然演變沖刷

1）縱向沖刷。縱向沖刷計算公式規(guī)范一般采用一維河床沖淤數(shù)學模型進行計算，采用上下斷面河道含沙量的變化推算一般沖刷深度。受目前理論研究水平的制約，根據(jù)理論公式計算的天然河道挾沙能力成果，存在較大偏差，對設計人員來說確定縱向沖刷成果難度較大。

2）橫向沖刷。橫向沖刷是河槽橫向變動引起的自然演變沖刷，對于天然河道，橫向沖刷是不可避免的，但考慮到在山東地區(qū)，按地貌大體分為黃泛平原區(qū)和山丘區(qū)。對于黃泛平原區(qū)，基本以淤積為主，對于山丘區(qū)，由于局部侵蝕基準面抗沖刷能力較強，短期的自然演變沖刷也比較小，因此，考慮到目前計算方法不太可靠，且短時間變化很小，在沖刷計算中，一般不再考慮河床自然演變沖刷對墩臺的影響。

1.2 橋下一般沖刷

因橋梁墩臺的修建，壓縮了河道的行洪斷面，致使橋孔上游水流急劇集中流向橋孔，河床切應力迅速加大，在橋下河床斷面內(nèi)發(fā)生的沖刷稱為橋下一般沖刷，隨著其沖刷發(fā)展橋下段面逐漸增大，流速降低，至泥沙輸送和交換達到暫時的平衡狀態(tài)時，一般沖刷便趨于停止。通過計算某一設計頻率洪水沖刷后的最大水深計算橋下一般沖刷深度，一般采用《公路工程水文勘測設計規(guī)范》（JTGC30－2015）中推薦的公式進行計算。

河床土質(zhì)類別直接決定一般沖刷公式的選擇，所以進行橋下一般沖刷計算時，首先根據(jù)河床的實際土層情況，區(qū)分河床是非粘性土還是粘性土，然后對河槽和河灘部分分別采用規(guī)范推薦的公式進行計算。

1.3 墩臺局部沖刷

墩臺對水流的干擾造成的局部沖刷是一個非常復雜的動力過程，影響沖刷坑的深度和大小的因素較多，墩前行近流速、橋墩寬度、墩體形狀、床沙粒徑、河流水深、水流交角等都是密切的影響因素。橋墩影響下的紊流是產(chǎn)生局部沖刷的內(nèi)因，但紊流沖刷問題目前沒有具體的計算理論，《公路工程水文勘測設計規(guī)范》（JTGC30-2015）中局部沖刷計算公式綜合考慮了影響橋臺局部沖刷的外部因素，并進行了水槽模擬試驗驗證，其計算結果基本可靠、合理。

2 工程實例

2.1 工程概況

故獻大橋位于高密市故獻村東南的膠河中泓線樁號K43+595 處，為原址拆除重建，橋梁全長125 m，跨徑組合6×20 m，共有7 個橋墩，其中5 個橋墩布置在河槽內(nèi)，2 個橋臺位于河灘上，橋墩直徑均為1 500 mm。上部結構采用預應力混凝土空心板，橋面連續(xù)；下部結構采用U 型橋臺擴大基礎，柱式墩擴大基礎。

橋址處河道為復式斷面，河槽底寬102.68 m、底高程24.3 m，邊坡1∶2，河灘寬度6 m、灘頂高程29.39 m，兩岸岸頂高程31.59 m。河道設計洪水標準為20 年一遇、設計流量680.00 m3/s、設計洪水位為30.49 m，故獻大橋設計洪水標準為100年一遇、設計流量2 218 m3/s、設計洪水位為31.69 m。

經(jīng)對河槽地層巖性的綜合分析，故獻大橋處地層性質(zhì)判別為粉土，沖刷計算時按非粘性土公式進行，故獻大橋的沖刷計算時分別按64-2 簡化式和64-1 修正式進行計算。為節(jié)省篇幅，只對河槽進行一般沖刷計算和分析。

2.2 非黏性土河槽一般沖刷計算

本次計算工況采用20 年一遇洪水的設計流量，根據(jù)《公路工程水文勘測設計規(guī)范》（JTGC30-2015） 中推薦的兩個非黏性土河槽一般沖刷公式分別進行計算，用《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）推薦的計算公式進行驗證。1

）64-2 簡化式。

式中：hp為一般沖刷后的橋下最大水深，m；QP為相應計算頻率的河道設計流量，m3/s；Qc為未建橋天然河槽設計流量，m3/s；Q2為相應計算頻率的橋下河槽設計流量，m3/s；Qt1為未建橋天然橋下河灘設計流量，m3/s；Bz為造床流量時的河槽寬度，m，123.04 m；Bcg為設計橋長范圍內(nèi)河槽的寬度，m，取123.04 m；μ 為橋墩對水流的側向壓縮系數(shù)，μ 取值為0.97。

經(jīng)計算hp為1.43 m。

2）64-1 修正式

式中：Bcj為河槽部分的過水凈寬，m，項目中采用與平灘水位相應的寬度作為造床流量時的河槽寬度，即123.04 m；hcq為河槽部分的平均水深，m；d 為河槽部位泥沙的平均粒徑，mm，根據(jù)地質(zhì)資料，本項目取0.08 mm；E 為和汛期河流含沙量相應的系數(shù)，根據(jù)河道的含沙量，項目取0.66；其余符號含義同前。經(jīng)計算hp為1.77 m。

根據(jù)對本工程的實際沖刷的跟蹤測量調(diào)研，反推出的一般沖刷值為1.51 m，64-2 簡化式計算成果與實際測量值的誤差為17.22%；64-1 修正式計算成果與實際測量值的誤差為5.30%，可見64-1 修正式計算成果更接近于實際。

2.3 非黏性土河槽一般沖刷計算公式的由來及存在的不足

當橋梁上游天然斷面來沙量G 大于橋下沖刷區(qū)排出沙量G 時，床面則淤積；來沙量小于排沙量時，床面則沖刷；來沙量與排沙量相等時，沖淤平衡。推移質(zhì)運動是產(chǎn)生河槽沖刷的主要因素，根據(jù)推移質(zhì)輸沙量平衡條件，導出橋下河槽斷面64-2 一般沖刷計算公式。1964 年中國土木工程學會“橋梁沖刷計算學術會議”把“64-2 計算式”作為推薦的橋下一般沖刷計算公式之一寫入規(guī)范，由于其計算考慮影響因素較多，計算繁瑣，1985 年西安公路學院對“64-2 計算式” 進行簡化，即為“64-2 簡化式”，計算簡便且其精度與“64-2 計算式” 相當。它是依據(jù)河槽輸沙平衡理論建立的公式，并參照外國相應同類公式和我國多年橋梁洪水沖刷實測觀測資料進行了驗證修正，具有豐富的實踐基礎和堅實理論，其計算成果比較符合橋下河流一般沖刷深度的實際情況。

64-1 修正式也是1964 年中國土木工程學會在會議上推薦的橋下一般沖刷計算公式，《公路橋位勘測設計規(guī)范》（JTJ062-91）對64-1 計算式作了局部修正，即為64-1 修正式。

這兩個公式的建立都是依據(jù)水力學連續(xù)性原理，依據(jù)沖止流速的概念建立的適合非黏性土河槽的一般沖刷計算公式。在山東省水利廳2021 年度重點調(diào)研課題“涉河、涉水建筑物對洪水的影響以及防護措施落實、運行情況的調(diào)研報告”中，對已竣工的山東省境內(nèi)20 個涉河建設項目、50 個單項工程為對象進行了修建涉河項目的河槽實際沖刷情況調(diào)研得知，對非黏性土河槽，泥沙平均粒徑對計算成果影響較大，公式64-1 修正式更接近于實際情況。

3 結論及建議

1）橋梁墩臺沖刷是一個復雜河槽再造過程，是水流、結構物和泥沙之間三維的相互作用問題，目前尚無符合計算精度要求的單一公式，只能將復雜的沖刷過程分解為河床自然演變沖刷、橋下一般沖刷、墩臺局部沖刷三個相對獨立部分，并假定三部分沖刷過程依次進行，采用不同公式分別計算，將三部分計算結果相加，作為橋梁墩臺的最大計算沖刷深度。對于不同條件下的橋梁墩臺沖刷機理尚有待進一步研究。

2）橋下沖刷計算公式形式較多，各行業(yè)根據(jù)沖刷影響因素的側重均相應提出了本專業(yè)的計算方法，但所有公式的理論基礎均來自國外的同一參考資料，雖進行了幾十年研究，理論上缺少創(chuàng)新，當代跨河建筑物的形式和結構都發(fā)生了較大變化，需要開展橋下沖刷計算理論研究。

3）由于計算理論和方法的局限性，應進一步加強在役工程沖刷觀測，積累工程經(jīng)驗，為今后類似工程項目沖刷計算提供更加可靠的依據(jù)。