橋梁墩臺沖刷病害及加固方法的分析

□文/翟鈞

橋梁墩臺沖刷病害及加固方法的分析

□文/翟鈞

沖刷是導致橋梁破壞的主要原因之一。長期的河流沖刷會使橋梁墩臺破損，橋梁基礎掏空，致使橋梁下部結(jié)構(gòu)的承載力大幅降低，嚴重情況下會導致墩臺的傾斜或橋梁的垮塌。文章綜述了河流沖刷對橋梁病害機理及相關理論，結(jié)合某橋橋墩的沖刷病害實例，介紹了其采用的沖刷防護加固措施并評估了其加固效果。

沖刷；橋梁；病害；加固

沖刷是造成橋梁破壞的主要原因之一。由于橋梁處于復雜的水環(huán)境中，局部泥沙沖刷導致橋墩基礎的承載力不足，使橋墩發(fā)生傾覆等變形甚至失穩(wěn)導致橋梁毀壞。墩臺的承載力是橋梁穩(wěn)定性和安全性的重要保證，直接關系到橋梁的安危。大多數(shù)橋梁墩臺都有不同程度的沖刷現(xiàn)象且沖刷多發(fā)生于水下，沒有明顯的征兆，難以被發(fā)現(xiàn)，嚴重威脅著使用者的安全和橋梁結(jié)構(gòu)安全，沖刷造成的橋梁破損存在高隱蔽性，一旦遭受破壞修復起來成本巨大。

1　河流沖刷機理及相關理論

為連接河道兩端的道路，需要設置橋墩于河道中，但由于橋墩的設置改變了路徑和河流通水斷面，從而導致橋墩受到局部沖刷。我國橋涵水文中將橋梁河流沖刷問題分解為一般沖刷、自然演變沖刷與局部沖刷，沖刷基本形態(tài)分類見圖1。

圖1　河流沖刷形態(tài)分類

自然演變沖刷主要是由于超限開采泥沙或者河道輸沙不平衡所形成；并非是水工結(jié)構(gòu)建造物導致的沖刷。根據(jù)時間尺度將自然演變沖刷可以分為長期型演變沖刷和短期型演變沖刷。長期型演變沖刷指在較長時間區(qū)間內(nèi)，水流對既有河床的沖刷，主要是泥沙的堆積搬運、河川的自然侵燭及長期的河道蜿蜒與擺動對側(cè)向河岸的緩慢侵燭。短期型演變沖刷是指在較短時間區(qū)間內(nèi)，洪水對河床的嚴重沖刷，主要包括側(cè)流匯入主流時的河道變動、主流和支流匯聚時的沖刷以及洪水在短時間內(nèi)引起河道劇烈變化的沖刷；局部沖刷主要是因為建置水工結(jié)構(gòu)物后造成的沖刷。水工結(jié)構(gòu)物置于河道中會干擾阻礙水流行進，改變結(jié)構(gòu)物（壤、臺）附近局部流場，從而增大了河床剪力，導致河床的局部沖刷。局部沖刷則通常會造成橋梁基礎（橋墩和樁基）以及橋臺的侵蝕破損，是導致橋梁水毀破壞的主要原因。一般沖刷是指河道收縮斷面的沖刷。橋孔上游水流急劇流過橋孔會造成下游斷面束縮。當橋孔的有效過水斷面面積變小時，水流流速急劇增大，此時沖刷最為強烈。當這段水流繼續(xù)流向下游后，河道斷面恢復到正常狀態(tài)，水流和泥沙運動漸漸變緩，直到相當遠處時恢復到天然狀態(tài)。當河床面沖刷完畢后，河流的原始設計水位至一般沖刷線的垂直水深即為一般沖刷深度。

墩臺局部沖刷影響因素甚多，具體歸納起來，可以分為以下幾個方面：

1)流體特征因素，包括流體運行粘度、流體重度、重力加速度；

2)流動特征因素，流速、水流行進深度、水流弗汝德數(shù)；

3)河床特征因素，粒徑極配、泥沙重度及粒徑、土質(zhì)粘性；

4)壤臺特征因素，水流、壤臺形狀（寬度、長度、形狀系數(shù)）與橋臺夾角。

2　橋梁基礎的沖刷防護措施

橋墩局部沖刷的防護工程一直是防止河槽中橋墩失穩(wěn)、橋墩周圍床面沖刷和橋梁水毀的重要措施之一。沖刷防護工程措施按照其防護機理又可分為兩類：實體抗沖防護措施，指在橋墩周圍的床面上放置一些實體材料，來提高其抗沖刷的能力，從而使橋墩免于被其附近的下降水流及旋渦體系掏底失穩(wěn)的工程措施；減速不沖防護措施，通過在橋墩前方或周圍設置非完全固定式結(jié)構(gòu)物或者通過改變橋墩自身結(jié)構(gòu)，來改變橋墩周圍的水流，使水流經(jīng)過這些防護工程后，直接降低水流速度及動能，從而改變流場及水流剪力，以削弱或抑制水流沖刷能力的工程措施。

近年來研究過的實體抗沖防護工程措施，主要包括混凝土鉸鏈排防護、拋石防護、擴大橋墩基礎防護、填充混凝土模袋防護和四腳混凝土塊防護等。

3　某橋橋墩沖刷病害的處理實例

某橋建于1978年，其設計荷載為汽-18，拖-80。橋?qū)拑?7+2×0.75 m人行道。本橋上部結(jié)構(gòu)為4片T字梁，跨徑為11.4 m，5孔，全長66.6 m，下部結(jié)構(gòu)鉆孔采用沖擊式打井機沖孔，水下混凝土灌注，河底以上采用木膜灌注。后發(fā)現(xiàn)該橋橋墩受到不同程度的沖刷，2#橋墩和3#橋墩均有較為明顯的傾斜現(xiàn)象，見圖2。

圖2　橋墩沖刷

為防止該橋在遇到洪水或超限超重荷載時的傾覆風險，決定利用拋石防護的方法加固2#和3#橋墩，防止其傾斜加劇，進而加大傾覆風險。加固過程中的主要參數(shù)：

1）采取拋石護底防護的范圍位于2#、3#墩上下游區(qū)域以及橋墩周圍的區(qū)域；

2）拋石防護橋基前緣邊灘坡腳，每間隔2m用鋼筋石籠作肋加固。防護長度8m，橋軸線上、下游各3m；

3）用塊石碼砌橋基前緣邊灘，碼砌厚度0.5 m，面積15m2。

該橋基礎采用拋石防護后，經(jīng)2 a洪期考驗，防護效果完全達到預期目的。經(jīng)實地勘察：

1）除2#墩迎水面有少量沉降（5～10 cm）外，其余均安然無恙；

2）鋼筋石籠及拋石防護邊灘坡腳原封未動，加固達到了預期目的。

4　結(jié)語

近年來，洪水頻發(fā)對橋墩局部沖刷造成了嚴重的病害，如何防護成為人們關注的焦點。對于中小跨徑橋梁的橋墩沖刷病害，利用拋石防護可以取得較好的加固效果。

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□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.027

□U443.22

□C

□1008-3197（2015）04-68-02

□2015-04-10

□翟均/男，1964年出生，高級工程師，天津市交通運輸工程建設服務中心，從事工程項目管理工作。