黏性土河床橋渡沖刷計算方法分析

李保龍，孟軍濤，楊維一，張佰戰(zhàn)

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081)

黏性土是以粒徑小于0.075 mm的土粒為主體的細粒土,隨含水率變化可處于固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)和流塑狀態(tài)[1-2]。黏性土根據塑性指數IP分為粉質黏土和黏土,1017的為黏土[3]。

黏性土的抗沖刷能力主要來自其黏結性，它涉及到土力學、水力學、電化學等多種學科，再加上其不均勻性和化學不穩(wěn)定性，問題十分復雜。因此，黏性土沖刷的模擬尚無成熟的方法，很難通過水工模型試驗對其進行深入觀察和試驗研究，一般通過對黏性土河床的橋渡沖刷調查和測量資料來研究?，F有計算公式大多也是依據調查資料結合理論分析而建立的。

本文根據朔黃鐵路183號潴龍河特大橋相關資料，采用鐵路、公路中常用公式及其他經驗公式進行沖刷計算，對計算結果進行對比分析，并結合橋梁沖刷實際情況探討計算結果的合理性和可靠性。

1 黏性土沖刷機理

黏性土的一般沖刷過程大致可分為以下3類[4]：

1)黏性大且均勻的土。這類土難以沖刷，抗沖流速相對較大。在長時間大流速作用下，其破壞一般都是從土的節(jié)理和裂隙面的不連續(xù)處開始，破壞時成小片狀或小塊狀，被水流帶走。

2)黏性較小且均勻的土。如均勻的黏砂土、砂黏土和淤泥。這種土抗沖性能差，沖刷發(fā)展速度快，能在較短時間內沖得很深，沖出的土粒較細小，且較均勻。

3)不均勻的黏性土。如黏性土中夾有卵礫石、砂或其他雜質等。這類土的沖刷過程最為復雜：隨著流速的增大，原本光滑平整的土體表面，有少量的侵蝕，出現小麻點，且不均勻分布，被沖走的土呈細小薄片或小團粒；流速繼續(xù)增大，小麻點變大、數量增多，并逐漸連片加深，通常連片的速度比加深的速度要快。在某些薄弱處，逐漸形成明顯的坑和凹槽。較長時間的沖蝕或流速增大，坑和凹槽連通合并形成拉溝現象。溝兩側不宜沖動的高埂和凸塊對易受沖刷的溝和凹槽起到掩避作用，減緩較薄弱處的沖蝕；如流速再次增大到超過埂、塊的抗沖強度，這時將形成全面的大塊的破壞性變形，沖刷深度明顯地增加，河床下降；沖刷深度增加，流速相應減小，當減小到開始出現拉溝時的流速，土塊將不再被大量沖蝕而沖刷接近停止。

2 黏性土沖刷計算公式

2.1 鐵路行業(yè)計算公式

鐵路行業(yè)在20世紀70年代，由鐵科院組織6個單位成立黏土橋渡沖刷研究小組，在全國范圍內調查了115座鐵路橋，從中整理出橋梁孔跨長度、水文、地質、沖刷等資料齊全的橋梁40座。通過分析發(fā)現，黏性土的液性指數IL與抗沖能力之間有較好的相關性。黏性土細顆粒表面電荷的吸附作用，失去自由活動能力的束縛水是產生黏結性的重要原因，而土的塑性指數IP愈大，黏粒含量愈多，黏結性愈大，抗沖能力也愈強。天然含水率超過塑限含水量ωP愈多，土的可流動性愈大，抗沖能力愈弱[5]。據此建立了黏性土河床沖刷計算公式，即現行的《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[6]中給出的黏性土河床一般沖刷和局部沖刷公式。

2.1.1 黏性土河床的橋下一般沖刷

1)河槽部分

(1)

(2)

2)河灘部分

(3)

式中:Bt為橋下河灘部分橋孔過水凈寬；hmt為橋下河灘最大水深;Qt為橋下河灘部分通過的檢定流量，計算式為

(4)

2.1.2 黏性土河床橋墩局部沖刷

當hp/B1≥2.5時

(5)

當hp/B1<2.5時

(6)

式中:Kξ為墩型系數，查現行規(guī)范附錄得到；B1為橋墩計算寬度；v為橋渡一般沖刷后墩前行近流速；IL的范圍為0.16～1.48。

2.2 公路行業(yè)計算公式

公路行業(yè)分別根據輸沙平衡原理和沖刷深度與行進流速之間關系建立了沙性土河槽一般沖刷和平均粒徑不小于0.064 mm的黏性土河床橋墩局部沖刷公式[7]。其形式為

2.3 黏著力法計算公式

盧金利[8]認為在沖刷過程中，流速降低到水流所具有的剪力和河床中黏性土的抗剪力相等時，床面沖刷即停止。橋墩對行進水流產生的繞流阻力等于局部沖刷坑內黏性土的黏著力時，局部沖刷坑的寬度和深度不再發(fā)展，達到平衡。據此提出了黏性土沖刷計算公式，其形式為

3 算例

朔黃鐵路183號潴龍河特大橋上部結構為44×32 m預應力混凝土T形梁，橋梁全長 1 451.7 m。采用預應力混凝土管樁基礎，橋墩為圓端型，墩寬1.2 m，墩長3.4 m。百年一遇檢定流量為 9 945 m3/s，檢定水位為23.25 m。主河槽河床土為軟塑狀粉質黏土，平均粒徑0.38 mm，液性指數為0.66。灘地河床土為堅硬狀粉質黏土，平均粒徑0.12 mm[9-10]。

3.1 計算結果

1)按黏性土采用不同公式計算結果見表1。

表1 黏性土不同沖刷公式計算結果

從表1可以看出，采用黏著力法公式計算的沖刷深度大于采用公路和鐵路行業(yè)黏性土公式的計算值，公路行業(yè)公式計算的沖刷深度偏小。

2)分別按黏性土公式和非黏性土公式計算，結果見表2。

表2 黏性土和非黏性土公式計算結果

從表2可以看出，無論是主槽還是灘地，采用非黏性土公式計算的總沖刷深度大于采用黏性土公式的計算值。

3.2 計算結果分析

根據2017年實測的橋下斷面地形，主槽最低河床高程為14.86 m，較竣工時河床下切1.8 m左右，已接近采用黏性土公式計算的局部沖刷后床面高程。而潴龍河特大橋建成至今，尚未發(fā)生較大洪水，僅在汛期上游水庫泄流時河道有小股水流，且流量遠遠小于檢定流量，但橋下河槽就已經產生了接近2 m的沖刷深度，表明采用黏性土公式計算的沖刷深度偏小。通過計算分析，可得到以下幾點認識：

1)塑性指數介于7～10之間時，建立公式時定義為砂黏土或黏砂土[11]，仍屬于黏性土河床，但是現行規(guī)范歸屬于粉土，選取不同的計算公式會得到不同的結果。黏性土計算沖刷深度經驗公式是根據調研收集到的40座橋的齊全資料而建立起來的，其中塑性指數介于7～10之間的河床資料稀少，利用黏性土沖刷公式計算這類土得到的結果不一定合理。

2)橋梁沖刷檢算時，黏性土[12]的液性指數通過現場橋取樣后由土工試驗測得。而液性指數與塑性指數、天然含水率有很大關系。對于同一類黏性土，其塑性指數是常數，但試驗時產生的誤差較大，且不同時期、地點和深度取得的黏性土天然含水率也有較大差異，據此試驗得到的黏性土液性指數可能會不準確，從而影響沖刷深度計算結果，導致沖刷深度與實際沖刷情況不符，有時液性指數還可能超出計算公式的適用范圍，出現無法計算的情況。

3)黏著力法公式需要土的黏著力和內摩擦角，這些參數的準確性得不到保證。公路行業(yè)黏性土公式則對平均粒徑有要求。這兩種黏性土公式的應用存在一定的局限性。而鐵路行業(yè)黏性公式采用較易獲得的液性指數進行計算，使用較為方便，但受液性指數本身精度的影響，有時難以保證其計算結果的合理性。

4)結合實測河床地形情況及水文資料分析驗證，本橋采用非黏性土公式計算的沖刷深度更為合理。

4 結語

本文介紹了黏性土河床的沖刷機理和不同的黏性土沖刷深度計算公式，結合朔黃鐵路橋梁實例，對比分析了不同沖刷公式的計算結果。主要結論如下：

1)應對河床土樣進行試驗分類，進而選取合理的沖刷計算公式。

2)對于計算結果應結合實測河床地形情況和水文資料進行論證分析，提高結果的可靠性和合理性。

3)應進一步研究黏性土沖刷的機理，對原有經驗公式進行修正，明確各公式的適用性，并選取可靠的計算參數，提高計算結果的準確性。

[1]王文睿，蘆長青，張樂榮，等.土力學與地基基礎[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]常士驃，張?zhí)K民，項勃，等.工程地質手冊[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]中華人民共和國建設部.GB 5002—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]闞譯.橋渡沖刷[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[5]鐵道部粘土橋渡沖刷研究專題組.粘土橋渡沖刷天然資料分析報告[J].鐵道工程學報，1984，1(2):125-129.

[6]中華人民共和國鐵道部.鐵道[2004]120號 鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

[7]高冬光.公路橋涵設計手冊[M].北京：人民交通出版社，2011.

[8]盧金利.粘性土河床橋渡沖刷計算[J].鐵道工程學報，1984，1(2):129-133.

[9]石家莊水利局.河北省石家莊市水文水資源手冊[Z].石家莊：石家莊水利局，1996年.

[10]鐵道部第三勘測設計院.橋渡水文[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[11]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工段地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[12]中華人民共和國鐵道部.鐵路工程試驗規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2010.