尼伯特臺風(fēng)引起橋涵水毀調(diào)查及計算分析

■劉碧容

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

尼伯特臺風(fēng)引起橋涵水毀調(diào)查及計算分析

■劉碧容

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

通過對福州部分地區(qū)遭受尼伯特臺風(fēng)所造成的特大橋涵水毀災(zāi)害調(diào)查，分析了其橋涵水毀破壞的主要類型及其毀損的原因，計算表明：洪災(zāi)造成的水毀橋涵中絕大部分由于洪水沖刷造成，且損失非常嚴(yán)重；應(yīng)重視本次水毀橋梁中占多數(shù)的中、小橋的防洪設(shè)計，嚴(yán)格按照現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求設(shè)置基礎(chǔ)埋置深度；橋梁防洪設(shè)計中，應(yīng)將蓋梁擋塊作為橋梁抗洪結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件進行設(shè)計；對于f2/B＞6.5石拱橋防洪設(shè)計，應(yīng)將主拱圈結(jié)構(gòu)抗洪水沖擊作用的承載力驗算作為必要條件。

橋涵水毀成因沖刷設(shè)計

1 概述

2016年7月9日，受強臺風(fēng)“尼伯特”影響，福州閩清和永泰等地區(qū)普降百年不遇的特大暴雨。本次強臺風(fēng)雨量大，歷時短（相當(dāng)部分區(qū)域3小時降水量超200mm），強降水多位于梅溪和大樟溪河谷，造成溪水水位暴漲，洪峰水位均超歷史記錄。洪災(zāi)造成兩縣流域內(nèi)大量公路和橋涵沖毀，損失巨大，尤其是作為公路關(guān)鍵節(jié)點的橋涵大量因水毀遭嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致災(zāi)區(qū)無法及時開展救災(zāi)工作。因此有必要對本次水毀橋涵進行調(diào)查分析，并提出相應(yīng)的橋涵防洪設(shè)計防治措施。

2 橋涵水毀情況調(diào)查

為完整、準(zhǔn)確掌握臺風(fēng)“尼伯特”造成強降雨對閩清和永泰地區(qū)橋涵的水毀情況，共調(diào)查了76座水毀橋涵（包含了兩縣區(qū)一定規(guī)模以上的水毀橋涵的大部分）。所調(diào)查的水毀橋涵中閩清縣占53座，永泰縣占23座，橋涵沖毀類型具體分布見表1。

表1 橋涵沖毀類型調(diào)查表

由表1可見，本次水毀橋涵所調(diào)查橋涵中，絕大部分是由于洪水大幅抬高河流水位，洪水漫過橋面，流速加快造成洪水沖刷墩、臺、拱上建筑、橋頭引道路堤、錐坡等構(gòu)造物；另外巨大的山洪使水流沖擊上部結(jié)構(gòu)以及漂浮物撞擊也是兩個毀傷橋涵的重要因素。

本次所調(diào)查水毀橋涵中，損毀程度的具體情況詳見表2。由表2可見，在本次水毀橋涵中，完全沖毀和嚴(yán)重沖毀兩項合計占48.7%，表明橋涵水毀損失非常嚴(yán)重，且近半數(shù)橋涵損毀無法通過加固修復(fù)實現(xiàn)通車運營。

表2 橋涵損毀程度表

在調(diào)查的所有水毀橋涵中，按橋梁類型分析：拱橋45座（占59.2%）、實心板橋25座（占32.9%）、空心板橋5座（占6.6%）、T梁橋1座（占1.3%）；按水毀橋涵的橋梁規(guī)模分析：大橋有2座（占2.6%）、中橋有31座（占40.8%）、小橋有37座（占48.7%）、涵洞有6座（占7.9%）；按水毀橋涵的橋梁跨徑分析：20m以上17座（占22.4%）、10～20m有20座（占26.3%）、5～10m有30座（占39.5%）、小于5m有9座（占11.8%）；按所在公路的路線等級分析：三級以上公路6座（占7.9%）、四級公路有32座（占42.1%）、鄉(xiāng)村道路有38座（占50%）。由此可見，本次洪災(zāi)造成的水毀橋涵以中、小橋為主；由于重災(zāi)區(qū)位于山區(qū)河流谷地，而山區(qū)地質(zhì)條件相對較好，拱橋及淺基礎(chǔ)的梁橋等對基礎(chǔ)要求高，容易就地取材的橋梁占比較大，且這些橋梁多位于低等級公路上。對于調(diào)查的結(jié)果，本文專門針對中、小跨徑橋梁中常見橋梁類型的防洪設(shè)計問題進行分析討論。

3 橋涵防沖刷設(shè)計

根據(jù)調(diào)查，本次洪災(zāi)占81.6%橋涵水毀均為受沖刷破壞，為此本文有針對性地分別選取3座有代表性的橋梁，對其橋墩和橋臺基礎(chǔ)沖刷深度進行計算分析。

3.1 橋墩沖刷深度

以溪濱橋、前峰橋和過垅橋為例對橋墩沖刷深度進行計算分析，其中溪濱橋和前峰橋分別位于梅溪的主河道和支流上，過垅橋位于大樟溪支流上，三者洪水重現(xiàn)期均按100年。

橋墩一般沖刷計算公式為（64-2簡化式）[1][2]：

橋墩局部沖刷計算公式為（62-5式）[1][2]：

上述公式中參數(shù)含義詳見文獻(xiàn)[1]、[2]。具體計算結(jié)果見表3：

表3 橋墩沖刷計算結(jié)果

由表3可見，如按百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計現(xiàn)有橋梁，一般情況下在本次百年不遇的洪災(zāi)中仍可保持完好，其余多座橋梁的計算與現(xiàn)狀結(jié)果對比大致相同。

3.2 橋臺沖刷深度

以溪濱橋、溪源橋和過垅橋為例對橋臺沖刷深度進行計算分析，其中溪源橋位于梅溪的支流上，溪濱橋和過垅橋的介紹見前文，三者洪水重現(xiàn)期均按100年。

橋臺最大沖刷深度計算公式為[1][2]：

公式中要求(hp/dˉ≤500)時，各參數(shù)含義詳見文獻(xiàn)[1]、 [2]。具體計算結(jié)果見表4：

表4 橋臺沖刷計算結(jié)果

由表4可見，按現(xiàn)行規(guī)范[1]設(shè)計橋臺的基礎(chǔ)埋深時，可以滿足防洪沖刷的需要，這與前文橋墩的計算結(jié)果相一致。因此，橋墩與橋臺的沖刷對比計算均表明，山區(qū)公路橋涵實際防洪設(shè)計中切忌認(rèn)為是中、小橋涵，且位于低等級公路上重要性不大就采用主觀判斷的方式設(shè)計橋涵的基礎(chǔ)埋置深度，而應(yīng)嚴(yán)格按照現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范[1]計算基礎(chǔ)埋置深度。

另一方面，計算表明橋臺沖刷深度的影響因素中，橋臺的阻水長度的影響非常大，如溪源橋由于橋臺及其接線路堤伸入河道長達(dá)10m，壓縮河道較多，橋臺及臺后路堤嚴(yán)重沖刷，又由于路堤基礎(chǔ)埋置較淺，造成臺后路堤全幅沖毀（與計算結(jié)果一致）。與此形成鮮明對比的是，過垅橋雖然其橋墩受沖刷而破壞（計算沖刷深度達(dá)3.40m，基礎(chǔ)埋置深度不足），橋臺在洪災(zāi)中卻完好無損，主要原因是該橋位附近河道均進行了渠化，橋臺前緣與導(dǎo)流堤平齊的緣故，使得橋臺計算沖刷深度僅僅為1.62m，在洪災(zāi)中橋臺完好。因此，在進行橋臺防洪設(shè)計時，應(yīng)特別重視河道調(diào)治構(gòu)造物的配合設(shè)計，發(fā)揮其對防止和減小橋臺及臺后路堤沖刷的巨大作用。

4 主梁結(jié)構(gòu)抗洪水沖擊計算分析

本次調(diào)查的水毀橋洪水均漫過橋面，其中有3座（空心）板橋被洪水沖擊后上部主梁漂走或位移毀傷結(jié)構(gòu)，1座拱橋被洪水沖擊后拱圈及拱上建筑垮塌，為此有必要對橋梁在洪水漫過橋面時洪水沖擊力作用下的受力狀況進行計算分析。本文針對本次調(diào)查的常見水毀橋梁類型，分別取3座不同類型橋梁進行受力計算分析。

4.1 空心板橋橋例

溪濱橋，3×16 m預(yù)應(yīng)力空心板結(jié)構(gòu)，橋?qū)払=12.0m，本次洪災(zāi)中空心板受洪水沖擊發(fā)生挪動，撞擊蓋梁擋塊，使擋塊發(fā)生剪切破壞。

洪水沖擊水平力計算采用的公式為[3]：

式中：平均流速v=2.7m/s，主梁阻水面高度（考慮人行道兩側(cè)高度）t=1.5m，當(dāng)量粗糙度ε=0.015m[4]。

經(jīng)計算得：F=196.25kN?？紤]洪水水流的脈動及其他影響因素的修正后，得單跨空心板受到的洪水沖擊水平力為P=274.8kN。按空心板與支座間的摩擦系數(shù)μ=0.4，計算得漫水時在重力和浮力共同作用下，板底支座摩阻力為246.02kN，小于洪水沖擊力。可見，該橋上部空心板梁易發(fā)生橫向漂移。如考慮到洪水波動產(chǎn)生的瞬時上托力可達(dá)靜水浮力的0.6倍[3]，則本橋主梁已完全托起，只有蓋梁擋塊抵抗洪水沖擊水平力。本橋擋塊設(shè)計為：C30，厚28cm，配12根Φ22mm鋼筋，經(jīng)驗算其抗剪承載力不足。實際本橋在這次洪災(zāi)中其下游側(cè)防震擋塊完全剪切破壞。

由本例計算表明，考慮到洪水沖擊力對蓋梁擋塊的巨大剪切破壞作用，應(yīng)將蓋梁擋塊作為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件進行設(shè)計，而不是僅僅作為構(gòu)造設(shè)計，設(shè)計中應(yīng)對擋塊在洪水沖擊力作用下的抗彎、剪承載力進行驗算。另外，對于此類橋梁，可通過設(shè)置柔性拉力結(jié)構(gòu)防止洪水沖擊主梁，該結(jié)構(gòu)平時不影響支座的承壓及主梁的變形，當(dāng)受水淹橋沖擊橋梁時，拉力結(jié)構(gòu)向下拉主梁，使主梁不致脫空滑移或漂走。本文在橋梁設(shè)計中設(shè)計了一種具有防洪功能的空心板橋防震錨栓結(jié)構(gòu)，實際效果較好（如圖1）。

圖1 有防洪功能的空心板橋防震錨栓結(jié)構(gòu)

4.2 T梁橋橋例

攸太橋，3×25 m預(yù)應(yīng)力T梁橋，橋?qū)払=15.0m，本次洪災(zāi)中主梁未發(fā)生位移及毀損，僅欄桿全毀。

洪水沖擊水平力計算公式同4.1節(jié)，公式中：平均流速v=2.7m/s，主梁阻水面高度（考慮人行道兩側(cè)高度）t+ 2t1=2.82m，當(dāng)量粗糙度ε=0.015m。

經(jīng)計算得：F=562.74kN?？紤]洪水水流的脈動及其他影響因素的修正后，得單跨T梁受到的洪水沖擊水平力為P=787.83kN。按T梁與支座間的摩擦系數(shù)μ=0.4，計算得漫水時在重力和浮力共同作用下，梁底支座摩阻力為915.6kN，大于洪水沖擊力。可見該橋上部T梁相對空心板橋而言具有更大的抗滑移能力，因此本次洪災(zāi)中該橋T梁在漫水時不發(fā)生橫向滑移。但計算也發(fā)現(xiàn)，其抗滑安全系數(shù)不大，如考慮洪水波動產(chǎn)生的瞬間上托力（與浪高關(guān)系密切），主梁也容易發(fā)橫向滑移。此時，如由蓋梁防震擋塊（C30，厚30cm）完全承擔(dān)洪水沖擊產(chǎn)生的水平力，驗算發(fā)現(xiàn)該擋塊也將發(fā)生剪切破壞。

由本例分析結(jié)果，建議該類型橋梁也參照前文，將蓋梁的防震擋塊作為受力構(gòu)件進行設(shè)計。如擋塊受力要求的尺寸較大時，也可在靠近支座處的背水一側(cè)的梁底及蓋梁分別設(shè)置橫向剪力擋塊，平時兩者不接觸，當(dāng)梁體受洪水沖擊力作用時發(fā)揮抗剪作用，也有利于結(jié)構(gòu)的抗震作用；或者將T梁的腹板下緣預(yù)埋鋼筋環(huán)與蓋梁上的預(yù)埋件相連，形成支座的柔性拉力結(jié)構(gòu)。

4.3 拱橋橋例

鹿角橋，9孔凈跨6.4m石拱橋，橋?qū)払=6.6m，本次洪災(zāi)中，橋孔被漂流物嚴(yán)重堵塞，橋跨結(jié)構(gòu)完好。

洪水沖擊產(chǎn)生的單位面積水平力（忽略數(shù)值較小的結(jié)構(gòu)面對水流切向的粘滯阻力）計算公式為：F1=2.1×ρ·v2/2，公式中：平均流速v=2.92m/s，計算主梁阻水面高度時按拱圈及拱上建筑高度外加漂流物堵塞加高2.0m。

經(jīng)計算其水平力荷載集度為F1=9.85kN/m2，將該面荷載施加在拱結(jié)構(gòu)上，經(jīng)有限元計算（計算受力模式如圖2）得：拱腳橫向彎矩Mj=268.4kN·m，拱腳軸力Nj=533.16 kN。

圖2 洪水沖擊水平力作用下的拱橋受力示意圖

按現(xiàn)行圬工橋涵規(guī)范[5]，計算得其拱腳截面的橫向抗彎承載力為24530kN·m?？梢?，本橋主拱圈的橫向抗彎能力遠(yuǎn)大于洪水沖擊造成的拱腳橫向彎矩。因此，在本次洪災(zāi)中本橋即使過洪面積嚴(yán)重縮減，主拱結(jié)構(gòu)依然完好。

對本次所調(diào)查的其他中、小跨徑石拱橋進行計算分析后，發(fā)現(xiàn)其普遍具有較強的抵抗洪水水平?jīng)_擊力產(chǎn)生的橫向彎矩的能力，計算表明，僅對于結(jié)構(gòu)自身來講，洪水沖擊力產(chǎn)生的拱腳橫向彎矩主要與矢高f和承受洪水壓力的面積有關(guān)，而影響拱腳截面的抗彎承載力的主要因素是橋?qū)?。根?jù)文獻(xiàn)[5]對圬工截面偏心距的限制，并忽略次要因素后可推導(dǎo)出當(dāng)結(jié)構(gòu)滿足f2/B≤7.3時，一般情況下對于主拱圈結(jié)構(gòu)在驗算洪水沖擊作用下的橫向承載能力時均滿足圬工規(guī)范要求。因此保守建議：工程設(shè)計中對于f2/B＞6.5的石拱橋結(jié)構(gòu)，應(yīng)驗算主拱圈結(jié)構(gòu)抗洪水沖擊作用的承載力。本次調(diào)查的水毀橋結(jié)果也表明，雖然拱橋占45座（占59.2%），其中僅茶口大橋一座主拱圈被洪水沖擊力損毀（該橋f2/B=17.64，計算發(fā)現(xiàn)在巨大的洪水沖擊力作用下其主拱圈的橫向抗彎承載力不足），其余全部是由于洪水沖刷下切河床，使得墩、臺基礎(chǔ)掏空從而傾斜、沉降而垮塌破壞，或者由于洪水對拱上建筑圬工結(jié)構(gòu)的砌縫沖陶，使砂漿掏空脫落而破壞。因此也建議：圬工拱橋迎洪面采用注漿等方式加強石塊間的粘結(jié)，尤其是采用干砌的石拱橋；對新建拱橋橋型上宜盡量選擇空腹式拱橋，以減小洪水沖擊的水平力；對于墩臺基礎(chǔ)較淺的應(yīng)加固基礎(chǔ)，對于侵入河道較多的路堤式橋臺應(yīng)修建調(diào)治構(gòu)造物來保護橋臺及路堤免受沖刷。

5 其他

5.1 凈跨徑的選擇

本次調(diào)查水毀橋涵中，跨徑小于10m并位于主河道上的橋涵有36座，占比47.4%。而調(diào)查中發(fā)現(xiàn)這些中、小跨徑橋涵中相當(dāng)部分都由于橋跨設(shè)計過小，過多壓縮河床斷面致使過水面積不足，泄洪不暢，洪水流速急增，加劇了橋梁墩臺，錐坡基礎(chǔ)及引道的沖刷損毀。調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，溪流兩邊的河灘上遍種毛竹，使得本次洪災(zāi)中的洪水漂流物物中具有大量毛竹，而毛竹互相交叉橫在橋孔及橋墩中，阻截大量蘆葦?shù)燃?xì)長的漂流物，致使中小橋的橋孔泄洪面積非常小，大大加劇了洪水沖刷下切河床損毀橋梁的程度。鑒于該地區(qū)的毛竹長度多為5～10m，因此建議主河道橋孔凈跨徑均應(yīng)大等于12m，且不宜在兩岸河灘中種植毛竹等易遭洪水沖刷的高大作物。

5.2 欄桿設(shè)計

本次洪災(zāi)所調(diào)查的水毀橋涵，均遭洪水淹沒，洪水對欄桿均有不同程度毀損，且大部分完全沖毀，而目前對于漫水橋欄桿的設(shè)計研究幾乎沒有，有必要對此進行計算分析。采用4.1節(jié)洪水沖擊水平力計算公式計算欄桿所受到的水平力（假設(shè)欄桿平面完全為漂流物阻塞），其中欄桿高按照1.2m，洪水流速v=2.70m/s，欄桿柱間距按3 m，計算得欄桿柱中點位置所受水平力為38.58kN，柱腳彎矩23.15kN·m。而按現(xiàn)行橋涵設(shè)計通用規(guī)范[6]規(guī)定立柱頂水平推力取0.75 kN/m，計算得柱腳彎矩僅2.70kN·m，顯然遠(yuǎn)小于洪水沖擊力造成的柱腳彎矩?，F(xiàn)有常用的鋼筋混凝土欄桿和鋼欄桿按照該洪水沖擊水平力產(chǎn)生的內(nèi)力值進行驗算，均無法滿足規(guī)范要求。因此，建議欄桿防洪設(shè)計一般情況下不必考慮具有承受洪水沖擊力的承載力而作特殊設(shè)計，這樣當(dāng)欄桿在洪水水平力作用下破壞時，也有利于減少主梁承受洪水沖擊的承壓面積，大幅降低主梁所受洪水沖擊力而毀傷主梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)險。在橋梁欄桿防洪設(shè)計的選型方面，考慮到鋼欄桿在受彎變形時具有更好的延性，且通透性較好，阻水面積小的優(yōu)點，宜優(yōu)先考慮鋼欄桿。至于人行道部分，考慮其阻水面積不大，建議防洪設(shè)計中加強其與主梁間結(jié)構(gòu)聯(lián)系，以達(dá)到承受洪水沖擊作用時不破壞，也有利于盡快修復(fù)橋梁。

6 結(jié)語

通過對福州部分地區(qū)遭受尼伯特臺風(fēng)所造成的特大橋涵水毀災(zāi)害調(diào)查及其計算分析表明：本次洪災(zāi)中，水毀橋涵絕大部分由于洪水沖刷造成的，且橋涵水毀損失非常嚴(yán)重，近半數(shù)橋涵損毀無法通過加固修復(fù)再次使用；本次洪災(zāi)造成的水毀橋涵以中、小橋為主，且拱橋及淺基礎(chǔ)的梁橋等占比較大，因此應(yīng)重視于中、小橋的防洪設(shè)計，嚴(yán)格按照現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求設(shè)置基礎(chǔ)埋置深度；在進行橋臺防洪設(shè)計時，應(yīng)特別重視河道調(diào)治構(gòu)造物的配合設(shè)計，發(fā)揮其對防止和減小橋臺及臺后路堤沖刷的巨大作用；（空心）板橋和T梁橋在洪水沖擊水平力作用下均較易發(fā)生橫向漂移，應(yīng)將蓋梁擋塊作為橋梁抗洪結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件進行設(shè)計，且宜在此類橋梁中設(shè)置柔性拉力結(jié)構(gòu)和橫向剪力擋塊等防洪水沖擊主梁的設(shè)施；對石拱橋的防洪設(shè)計，當(dāng)f2/B＞6.5時應(yīng)驗算主拱圈結(jié)構(gòu)抗洪水沖擊作用的承載力，且應(yīng)采用注漿等方式加固石拱橋迎洪面；在主河道的橋梁防洪設(shè)計中橋孔凈跨徑選擇上建議應(yīng)大等于12m；橋梁欄桿的防洪設(shè)計一般情況下按照橋涵通用規(guī)范一般規(guī)定執(zhí)行即可，不必考慮具有承受洪水沖擊力的能力而作特殊設(shè)計，也有利于大幅降低主梁所受洪水沖擊力。

[1]JTG C30-2015，公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范[S].

[2]高東光，王亞玲.橋涵水文[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]肖盛燮，凌天清，陳世民，等.公路與橋梁抗洪分析[M].北京：人民交通出版社，1999.

[4]葉鎮(zhèn)國，彭文波.水力學(xué)與橋涵水文[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]JTG D61-2005，公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[6]JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].