秦瀚翔 ，魏松，段海鵬,2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088）

1 前言

對(duì)于跨越河流的橋梁，橋墩等水下基礎(chǔ)的建立，使河道的過(guò)水面積變窄，橋墩附近的水流流速增大。橋墩等橋梁基礎(chǔ)的阻水效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致水流和泥沙相互作用發(fā)生變化，打破河床原有泥沙運(yùn)動(dòng)的平衡。水流結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生急劇變化從而在橋梁基礎(chǔ)附近形成漩渦。漩渦不斷掏挖橋墩附近的泥沙，最終形成局部沖刷坑。沖刷坑的形成會(huì)導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)埋深相對(duì)減少，威脅橋梁結(jié)構(gòu)本身安全和穩(wěn)定，同時(shí)使得橋墩周圍覆蓋層缺失，橋墩基礎(chǔ)直接裸露在水流中而遭到?jīng)_刷侵蝕，帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，甚至直接造成橋梁失穩(wěn)和破壞。

在目前已有的橋墩沖刷研究中，研究人員更側(cè)重對(duì)一般沖刷和局部沖刷進(jìn)行分類研究。國(guó)內(nèi)外的研究人員為了更深入地研究沖刷過(guò)程的機(jī)理，開展了大量的室內(nèi)水槽試驗(yàn)，但是在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析中，沖刷因素的復(fù)雜性導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果難以運(yùn)用。因此通過(guò)對(duì)沖刷坑深度進(jìn)行估算和沖刷程度進(jìn)行評(píng)估，可以幫助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員對(duì)橋梁在沖刷方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，另一方面對(duì)局部沖刷進(jìn)行深度估算和評(píng)估研究則可以將其危害進(jìn)行數(shù)據(jù)化、量化，可以更加客觀地認(rèn)識(shí)到潛在的危險(xiǎn)性。

因此，本文從橋梁沖刷預(yù)測(cè)評(píng)估研究現(xiàn)狀出發(fā)，從橋墩沖刷危害調(diào)查和評(píng)估兩個(gè)方面進(jìn)行現(xiàn)有研究進(jìn)展的歸納和綜述。通過(guò)總結(jié)現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題，闡述未來(lái)研究方向。

2 橋梁沖刷預(yù)測(cè)評(píng)估研究

在沖刷研究的早期，Postacchini等[1]開始嘗試在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量水流導(dǎo)致的沖刷。然而，由于缺乏可用的數(shù)據(jù)，對(duì)進(jìn)一步的沖刷機(jī)理沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。在此基礎(chǔ)上對(duì)于尺度效應(yīng)、擋板參數(shù)、雷諾數(shù)、樁身粗糙度以及水槽試驗(yàn)中存在小波紋等影響因素，已由Sumer等人[2]討論過(guò)。通過(guò)在更復(fù)雜的條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。Myrhaug和Rue[3]提出了一種推導(dǎo)隨機(jī)水流強(qiáng)度下樁周沖刷預(yù)測(cè)方法，進(jìn)一步發(fā)展為長(zhǎng)峰和短峰非線性隨機(jī)水流下的預(yù)測(cè)方法。Sumer[4]和Whitehouse[5]擴(kuò)展了隨機(jī)水流在大型跨海橋墩的沖刷影響。在山區(qū)河流建造的橋梁暴露于各種復(fù)雜的水流環(huán)境中，沖刷的影響更為嚴(yán)重。Eadie和Herbich[6]、Olabarrieta[7]等人、Zanke[8]等人對(duì)水流和橋墩聯(lián)合作用下的樁周流場(chǎng)進(jìn)行研究表明，橋梁沖刷的全過(guò)程中水力因素起著原始和主要的影響。

國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)沖刷深度的預(yù)測(cè)做了眾多試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)，研究分析了大量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上提出了諸多沖刷坑深度的預(yù)測(cè)公式。預(yù)測(cè)橋墩的局部沖刷深度時(shí)存在太多不確定的影響因素，各種因素相互耦合使沖刷坑深度的預(yù)測(cè)變得更復(fù)雜。在橋梁工程設(shè)計(jì)中，對(duì)橋墩周圍局部沖刷深度的預(yù)測(cè)是必要的，高估了橋墩局部沖刷深度，會(huì)大大增加橋墩的加固和防護(hù)費(fèi)用，低估了橋墩局部沖刷深度時(shí)，會(huì)使得工程在實(shí)際運(yùn)用中存在安全隱患。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員基于大量的室內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究分析，提出了以下幾類預(yù)測(cè)公式：經(jīng)驗(yàn)性局部沖刷深度預(yù)測(cè)公式，半經(jīng)驗(yàn)半理論性局部沖刷深度預(yù)測(cè)公式。經(jīng)驗(yàn)性公式通過(guò)篩選橋墩沖刷參數(shù)，利用大量試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱分析；半經(jīng)驗(yàn)半理論公式通常是在一定的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)得到公式的結(jié)構(gòu)形式，再利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)公式內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行擬合，包括環(huán)流切線流原理、能量平衡理論、泥沙平衡理論。現(xiàn)有公式的結(jié)構(gòu)形式各不相同，具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，目前尚未有一個(gè)公認(rèn)的公式能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)清水沖刷或動(dòng)床沖刷條件下的局部沖刷深度。

研究人員試圖使實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的沖刷條件相匹配，以便獲得更可靠的結(jié)果。實(shí)際上，在實(shí)驗(yàn)室中這些實(shí)驗(yàn)均采用水槽試驗(yàn)，水槽中的水流和野外現(xiàn)場(chǎng)的水流并不完全相同，雖然都造成了沖刷的結(jié)果，但沖刷過(guò)程并不完全相同。

以往的研究表明，沖刷現(xiàn)象與沖刷參數(shù)之間的關(guān)系是復(fù)雜的，研究沖刷影響參數(shù)在解決橋墩沖刷問(wèn)題上有可能取得突破性進(jìn)展。當(dāng)這些關(guān)系可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來(lái)實(shí)際分析時(shí)，沖刷深度的估算可以與橋墩沖刷評(píng)估同時(shí)進(jìn)行?？蓪_刷評(píng)估列入規(guī)范，結(jié)合沖刷深度的估算來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐。

3 橋墩沖刷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究

橋墩基礎(chǔ)沖刷對(duì)橋梁的破壞是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究人員一直在研究現(xiàn)有橋梁的沖刷狀況，并確定是否需要進(jìn)行沖刷防護(hù)。由于沖刷預(yù)測(cè)方程可能導(dǎo)致與觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)值不同的沖刷估算值，橋梁設(shè)計(jì)人員也應(yīng)考慮實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)需要來(lái)提供防護(hù)措施，例如橋墩和橋臺(tái)周圍的拋石。因此，橋墩沖刷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查是非常必要的。

在已有的調(diào)查文獻(xiàn)中，對(duì)橋墩周圍水流變化及其對(duì)沖刷演變的直接影響進(jìn)行了廣泛的分類，可根據(jù)橋墩的結(jié)構(gòu)類型、有效墩寬和橋墩周圍水流情況進(jìn)行細(xì)分。也可根據(jù)河床材料性質(zhì)和尺寸進(jìn)行細(xì)分?？傮w上現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查基礎(chǔ)沖刷主要因素有以下幾種：

①行近流速；②水流深度；③橋墩形狀；④橋墩的有效寬度；⑤橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；⑥河道水流對(duì)橋墩的交角；⑦河床材料的尺寸和級(jí)配；⑧河床比降；⑨水流漂浮物；⑩河道形態(tài)；?洪水重現(xiàn)期。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查經(jīng)驗(yàn)，上述參數(shù)可分為三大類，即：

①橋墩臨近水流參數(shù)：水流強(qiáng)度、水深、臨界剪切速度、平均流速、流速分布和河床材料；

②橋墩沖刷現(xiàn)狀參數(shù)：橋墩的尺寸、幾何形狀、間距、數(shù)量和水流交角；

③河床參數(shù)：河床材料、河床植被、橋址河道條件、河床比降。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，針對(duì)三大類參數(shù)調(diào)查人員可以通過(guò)使用儀器進(jìn)行測(cè)量和目視觀察，將橋墩沖刷的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)化地記錄下來(lái)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查拍攝的影像資料，為橋墩沖刷評(píng)估提供依據(jù)。

4 橋墩沖刷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究

目前對(duì)橋墩沖刷評(píng)價(jià)的研究大體上有三個(gè)方面：①?gòu)目赡軐?dǎo)致沖刷危險(xiǎn)的影響因素進(jìn)行分析，通過(guò)每個(gè)因素可能導(dǎo)致的沖刷程度加深情況進(jìn)行分析，綜合總結(jié)所有因素的影響，對(duì)局部沖刷造成的橋墩危害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；②從橋梁現(xiàn)狀出發(fā)，研究橋梁損毀可能導(dǎo)致的后果，建立橋梁損毀指標(biāo)體系；③基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率學(xué)的研究成果，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

董海婷[9]在分析橋梁倒塌可能引起的各項(xiàng)損失時(shí)，從物質(zhì)易損性、經(jīng)濟(jì)易損性、社會(huì)易損性三方面建立局部沖刷災(zāi)害易損性指標(biāo)體系。王飛[10]在深入分析影響橋墩局部沖刷因素的基礎(chǔ)上，篩選出主要的因素作為模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)并進(jìn)行量化分級(jí)，根據(jù)關(guān)聯(lián)度方法確定了各指標(biāo)權(quán)重，求得各指標(biāo)與橋墩局部沖刷災(zāi)害發(fā)生概率之間的隸屬函數(shù)，建立了局部沖刷風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)模型。雷大臣[11]分析了河流沖刷場(chǎng)景下，橋墩的失穩(wěn)失效概率，分析了不同的因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估方法的影響，提出了基于統(tǒng)計(jì)反演理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。也有大量的研究人員從橋梁建筑、橋梁壅水與洪水侵橋等方面，定性、定量、全面系統(tǒng)地研究了發(fā)生五十年一遇或百年一遇洪水災(zāi)害時(shí)，大型橋梁防洪影響的評(píng)估分析方法。何志虎[12]根據(jù)Fuzzy-AHP法的基本原理，建立了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。熊文[13]發(fā)現(xiàn)利用自振頻率構(gòu)建的動(dòng)力指紋對(duì)沖刷發(fā)展較為敏感，提出一種基于時(shí)頻分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁沖刷動(dòng)力評(píng)估方法，該方法對(duì)沖刷深度還是沖刷墩位均具有較高的識(shí)別準(zhǔn)確度。彭可可[14]通過(guò)原型實(shí)測(cè)研究橋梁所處河道河床演變及橋墩沖刷，研究橋墩極限沖刷坑的深度和范圍，為橋梁的沖刷評(píng)估提供了一定的工程依據(jù)。徐學(xué)東[15]從橋梁淺基防護(hù)的角度，研究了橋渡沖刷評(píng)估計(jì)算。張英杰[16]從橋墩局部沖刷的機(jī)理出發(fā)，提出了基于河床條件分類的橋墩沖刷評(píng)估研究。

目前國(guó)內(nèi)外的研究人員在已有的研究基礎(chǔ)上不斷地建立新的評(píng)價(jià)指標(biāo)模型。使得橋梁評(píng)估沖刷的理論研究日漸完善。越來(lái)越多的科研人員開始立足于工程實(shí)際，從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題出發(fā)，對(duì)橋梁在沖刷方面所造成的潛在危險(xiǎn)進(jìn)行橋梁基礎(chǔ)危害性評(píng)價(jià)。

橋梁基礎(chǔ)沖刷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)含義：從可能導(dǎo)致沖刷危險(xiǎn)的影響因素進(jìn)行分析，通過(guò)每個(gè)因素可能導(dǎo)致的沖刷程度加深情況進(jìn)行分析，綜合總結(jié)所有因素的影響，對(duì)局部沖刷造成的橋墩危害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

橋梁基礎(chǔ)沖刷的危害評(píng)價(jià)內(nèi)容：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的實(shí)際情況，分析各個(gè)影響因素在橋墩基礎(chǔ)沖刷中的權(quán)重，選擇主要影響因素為評(píng)價(jià)的指標(biāo)，根據(jù)評(píng)估所需精準(zhǔn)度的不同，選取不同級(jí)別的評(píng)估方式進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

根據(jù)目前已有的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況來(lái)看，大多數(shù)橋墩附近的局部沖刷都較為嚴(yán)重，橋墩水下基礎(chǔ)受到水流不同程度的侵蝕，存在不同程度的沖刷水毀的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的定性分析判斷無(wú)法得出具體的危險(xiǎn)性程度。在對(duì)橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)需要考慮不同橋梁的現(xiàn)狀情況，以及在未來(lái)可能遭到的洪水程度。為了使橋梁的評(píng)估研究有更全面的代表性和實(shí)用性，需要建立一個(gè)指標(biāo)體系，能正確地區(qū)分橋梁在沖刷水毀方面是否具有危險(xiǎn)性，以及危險(xiǎn)性的程度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地闡述了橋墩局部沖刷預(yù)測(cè)評(píng)估研究的現(xiàn)狀，對(duì)橋墩局部沖刷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的主要因素進(jìn)行了歸納。介紹了橋墩沖刷評(píng)價(jià)研究已有的研究方向。

目前國(guó)內(nèi)外的研究人員為了更深入地研究沖刷過(guò)程的機(jī)理，開展了大量的室內(nèi)水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析。盡管試驗(yàn)方案和模型不斷地優(yōu)化，但由于沖刷機(jī)理的復(fù)雜性和因素的多樣性，試驗(yàn)分析的結(jié)果和工程實(shí)際的橋梁沖刷情況往往無(wú)法匹配，對(duì)此提出以下幾點(diǎn)建議。

①目前對(duì)橋墩現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和評(píng)價(jià)的研究分析，多基于單墩，在實(shí)際工程中多是群樁和多排墩，因此對(duì)更為復(fù)雜橋墩形式進(jìn)行研究將更具有實(shí)際意義；

②在實(shí)際工程中，洪水期間橋墩周附近水流是不斷發(fā)生變化的，在一段時(shí)間內(nèi)變化水流中對(duì)橋墩沖刷的影響評(píng)價(jià)還需進(jìn)一步研究；

③在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中加入更多的橋梁基礎(chǔ)局部沖刷相關(guān)的影響因素，細(xì)化指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)體系，更加契合工程實(shí)際的使用；

④在對(duì)局部沖刷影響因素的分析中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)更多的影響因素進(jìn)行耦合分析也是未來(lái)的研究趨勢(shì)。