某高速公路跨河橋涵防洪評(píng)價(jià)最大沖刷深度計(jì)算

馮 露 許 可 劉錦雯

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000 2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司 南京 210009）

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目擬建高速公路位于兩湖之間，全線高速公路設(shè)計(jì)速度為120km/h，路線全長17.711km。全線橋涵設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)采用公路-Ⅰ級(jí)，采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，路面總寬42m。項(xiàng)目沿線跨越A河、B河和C河3條骨干河道及25條村鎮(zhèn)河道，沿線路設(shè)置了12 座箱涵跨越上述河道，其中跨越A、B、C 三條骨干河道的橋梁設(shè)置如下。

1.1 A 河

橋梁位于A 河工程樁號(hào)7+001.3 處，采用3×30m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橫跨A 河，橋墩順河道方向布設(shè)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

1.2 B 河

B 河特大橋全程1232.2m，主橋采用55m+95m+55m 三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，主跨95m，一跨跨越航道。主墩采用實(shí)體墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。

1.3 C 河

C 河中橋橋梁與河道中心線夾角為110°，橋梁全長81.4m。橋梁采用3×25m 裝配式PC 箱型連續(xù)梁跨越C 河，上部結(jié)構(gòu)采用裝配式PC 箱型連續(xù)梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩、肋板式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 橋址處最大沖刷深度計(jì)算

2.1 沖刷計(jì)算

本次計(jì)算方案考慮河道行洪的實(shí)際情況計(jì)算沖刷深度。橋址處最大沖刷深度按《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015）中的一般沖刷和局部沖刷計(jì)算公式計(jì)算[3]。

2.2 土質(zhì)指標(biāo)取用

橋梁墩臺(tái)的沖刷計(jì)算包括一般沖刷和局部沖刷，一般沖刷計(jì)算根據(jù)河床泥沙的組成分為非粘性土河床與粘性土河床，橋墩局部沖刷根據(jù)一般沖刷后橋墩處河床泥沙組成及土層分布再分析計(jì)算。根據(jù)江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司提供的A 河和C河橋位處工程地質(zhì)勘探試驗(yàn)綜合成果建議值表，按新孟河延伸拓浚工程設(shè)計(jì)參數(shù)，A 河河床下臥層以2-3 層粉砂為主，C 河以2-1 層粘土和2-1a 層粉質(zhì)粘土為主，因此，對(duì)A 河按非粘性土，對(duì)C 河按粘性土進(jìn)行一般沖刷和橋墩局部沖刷計(jì)算。

A 河橋梁沖刷計(jì)算土質(zhì)指標(biāo)采用見表，C 河橋梁沖刷計(jì)算土質(zhì)指標(biāo)采用見表2。

表1 A 河地勘土質(zhì)指標(biāo)成果表

2.3 沖刷深度計(jì)算

本文沖刷公式根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30－2015）取用，進(jìn)行了一般沖刷和墩臺(tái)局部沖刷計(jì)算。對(duì)C 河和A 河分別選用粘性土和非粘性土進(jìn)行河床沖刷公式計(jì)算[4]。

（1）粘性土河床一般沖刷與橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式

①河槽部分

式中：

hp—橋下一般沖刷后的最大水深（m）；

Ad—單寬流量集中系數(shù)，Ad＝1.0～1.2；

IL—沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，適用范圍為0.16～1.19；

μ—橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，按規(guī)范表取用；

Bz、Hz—造床流量下河槽寬度和河槽平均水深（m）；

Qp—頻率為p%的設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Qc—天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Qtl—天然狀態(tài)下河灘部分設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Q2—橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

hcm—橋下河槽最大水深（m），從橫斷面圖上量得；

hcq—橋下河槽平均水深（m），。

②橋墩局部沖刷

表2 C 河地勘土質(zhì)指標(biāo)成果表

根據(jù)前面所述，橋墩處河床泥沙的組合變化較大，本次計(jì)算時(shí)針對(duì)橋墩處不同的土質(zhì)情況分別計(jì)算其局部沖刷，各液性指數(shù)詳見表1、表2。

式中：

hb—橋墩局部沖刷深度（m）；

IL—沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，適用范圍為0.16～1.48；

Kξ—墩形系數(shù)，據(jù)規(guī)范附錄B 選用，取值為1.0；

B1—橋墩計(jì)算寬度（m）；

V—一般沖刷后墩前行近流速（m/s）；

其余符號(hào)意義同前。

（2）非粘性土河床一般沖刷與橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式

①一般沖刷計(jì)算公式：

式中：

hp—一般沖刷后的最大水深（m）；

Qp—頻率為P%的設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Q2—橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量（m3/s），當(dāng)河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)取用Qp；

表3 橋梁沖刷深度計(jì)算參數(shù)表

Qc—天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Qt1—天然狀態(tài)下橋下河灘部分設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Bcg—橋長范圍內(nèi)的河槽寬度（m），當(dāng)河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)取用橋孔總長度；

Bz—造床流量下的河槽寬度（m），對(duì)復(fù)式河床可取平灘水位時(shí)河槽寬度；

λ—設(shè)計(jì)水位下，在Bcg寬度范圍內(nèi)，橋墩阻水總面積與過水面積的比值；

μ—橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)；

hcm—河槽最大水深（m）；

Ad—單寬流量集中系數(shù)，山前變遷、游蕩、寬灘河段當(dāng)Ad＞1.8 時(shí)，Ad值可采用1.8；

Hz—造床流量下的河槽平均水深（m），對(duì)復(fù)式河床可取平灘水位時(shí)河槽平均水深。

②非粘性土河床橋墩局部沖刷計(jì)算

橋渡沖刷的產(chǎn)生是由于橋墩阻礙了水流，使水流形態(tài)發(fā)生變化，一般在墩前兩側(cè)發(fā)生集中現(xiàn)象，引起動(dòng)能增加；另一方面水流受阻后部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為位能，由于水流形態(tài)變化，橋墩附近水流沖刷能力加大，在橋墩處產(chǎn)生沖刷坑。

局部沖刷計(jì)算公式：

當(dāng)V≤V0時(shí)，

當(dāng)V＞V0時(shí)，

式中：

hb—橋墩局部沖刷深度（m）：

表4 橋梁墩臺(tái)沖刷深度成果表

Kξ—墩形系數(shù)；

B1—橋墩計(jì)算寬度（m）；

hp—一般沖刷后的最大水深（m）；

d—河床泥沙平均粒徑（mm）；

Kη2—河床顆粒影響系數(shù)；

V—一般沖刷后墩前行近流速（m/s），

Vo—河床泥沙起動(dòng)流速（m/s）；

n2—指數(shù)。

（3）沖刷計(jì)算結(jié)果

沖刷計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)見表3。

根據(jù)前述的公式、土質(zhì)指標(biāo)及各項(xiàng)參數(shù)，通過計(jì)算，A 河行洪流量221.8m3/s 和引水流量88 m3/s時(shí)橋址處河床一般沖刷最大深度均為0，C 河行洪流量186m3/s 和引水流量57m3/s 時(shí)橋址處河床一般沖刷最大深度均為0。河床橋墩處局部沖刷深度，A河行洪時(shí)最大為3.09m，引水時(shí)最大為2.71m，C 河行洪時(shí)最大為1.02m，引水時(shí)最大為0.55m。一般沖刷和局部沖刷計(jì)算成果見表4 ■