桥梁生命周期内基础冲刷及其对桥梁运

桥梁生命周期内基础冲刷及其对桥梁运

王保栋、种耀、潘纪伟、卢俊成、刘礼斌、段林通

中国建筑第八工程局有限公司   上海  200120

摘要：桥梁基础冲刷是指在桥梁生命周期内，由于河床发生局部的较大变化而导致桥梁基础周围土体、沙粒被冲刷，使土体或沙粒失去稳定性而向结构体内部移动，造成结构破坏的现象。冲刷后的桥墩基础会出现不同程度的变形和位移，破坏了其强度、刚度等结构物固有的基本特性，使得桥墩基础易发生位移、倾斜、开裂等病害，直接影响桥梁的使用寿命和交通安全。因此，在桥梁建设和运营中必须对基础冲刷现象引起足够的重视。 基于此，本文将从以下几个方面出发，详细分析桥梁生命周期内基础冲刷及其对桥梁运，以期能够为相关从业人员提供一些必要的参考。

关键词：桥梁生命周期；基础冲刷；对桥梁运；系统研究

前言：桥梁在基础冲刷时，基础周围的水流将会出现横向移动，从而影响桥墩周围的水流运动状态。在桥梁上部结构施工、运行、维护和拆除过程中，桥墩基础可能会遭受冲刷破坏，从而影响桥梁安全运营。因此，在桥梁结构设计时，必须考虑到桥梁基础的冲刷问题。 基础冲刷是指桥墩基础在水流和波浪作用下产生的局部或整体的变形现象。由于水流冲刷过程是一个持续的、渐进的过程，所以其变形会因河道形态、河流泥沙特性等因素而变化。冲刷是桥梁结构设计中不可避免的一个问题，根据工程实践和研究结果，相关人员应对其发生机理、变形特征、影响因素和相应的防治措施进行系统的归纳和总结。

一、深水桥梁桩基础局部冲刷理论计算与分析

（一）海洋环境下桥墩基础局部冲刷影响因素及其机理分析

桥梁基础局部冲刷现象主要发生在浅水区域，当水流流速较小时，冲刷坑的大小与水流的紊动强度、河床糙率、底质类型等因素有关。在水深较小的情况下，水流紊动强度对冲刷坑的大小具有重要影响，当紊动强度较大时，则对冲刷坑的大小影响不大。河流底质类型对冲刷坑的大小影响不大，但会显著影响其形状和深度。如底质为软泥时，则冲刷坑的深度和宽度较大；如底质为粗砂、卵石时，则冲刷坑的深度较小。在桥墩附近发生局部冲刷时，水流主要是通过对泥沙颗粒的冲击来实现。泥沙颗粒撞击水面后，其表面会产生水潭或旋涡等动力现象。泥沙颗粒越大、入射速度越小、惯性力越大，则其撞击水面后产生水潭或旋涡的时间越长、强度越高，从而产生更大的冲击力。对于河床表面粗糙度较小和流速较小的情况下，水流紊动强度对冲刷坑的影响不明显。在浅水区域内，由于水流湍急而形成较多旋涡或涡流等动力现象，这将会对桥墩基础产生冲刷作用。而在大范围内具有相对稳定水流条件下，则只有局部水流湍急或流速较小时才会发生局部冲刷。当桥墩附近出现旋涡或涡流时，在其作用下泥沙颗粒会受到离心力作用而被甩出原有位置，这将导致局部河床发生局部抬高、扩大或沙粒淤积、下沉等现象。在桥墩附近局部发生冲刷时，其表面形态、冲淤厚度都会发生变化。其中表面形态的变化主要是指流速、紊动强度和底质类型等因素的变化；冲淤厚度主要是指泥沙颗粒被冲走的深度；而泥沙颗粒被冲走的深度与冲刷坑大小和形状有关。

（二）常用理论计算方法

1.数学模型法

经验公式法是根据前人的经验公式建立数学模型，通过计算不同边界条件下的水流运动，并与实测资料比较，从而确定河床变形和冲刷坑深度的方法。该方法简单、直观、易于掌握，但其精度受经验公式中参数取值和河段地形变化影响较大。数学模型法包括解析解法和数值解法两种。解析解法是用解析公式直接计算河床变形和冲刷坑深度；数值解法是把水流运动看作连续方程、动床阻力方程和悬移质输沙方程的非线性组合，通过求解非线性组合后的控制方程来求解河床变形和冲刷坑深度。由于数学模型具有模拟方便、结果可靠等优点，因而得到广泛应用。但是数学模型法由于受边界条件影响较大，因此精度较低，不能满足工程计算的需要。

2.物理模型法

物理模型法是根据已知的地形和河床变化情况，建立数学模型，对模型进行数值模拟，然后根据所建立的数学模型进行分析计算，进而得到冲刷坑深度。物理模型试验是在相似理论指导下，通过对天然河道和桥梁基础冲刷过程的缩比或缩尺模拟试验，并根据所建立的数学模型，研究分析水流、泥沙及河床变形规律。物理模型试验主要包括水槽试验、室内试验和现场实测等几种方式。目前，利用物理模型法研究基础冲刷的研究方法有：水槽试验；室内模型试验；现场实测。其中，水槽试验是最常用的方法。水槽试验具有试验条件可控、可重复性高、节省经费等优点，但由于其受实验条件和实验设备的限制，无法对天然河道的基础冲刷进行分析研究。

二、冲刷深度对摩擦桩承载力的影响

（一）有限元模型的建立

有限元模型是研究基础冲刷的最有效工具，桥梁基础是整个结构的基础，其稳定性是保障结构安全的重要因素。如果冲刷深度达到了桥墩顶部，会引起桥墩底部产生较大的变形，严重时会造成整个桥梁结构的破坏。因此，建立一个可靠的有限元模型，对于评估桥梁基础冲刷对桥梁结构的影响是非常必要的。本文采用

ANSYS软件建立了该跨河大桥的有限元模型，模型中主要考虑了以下几个方面的影响因素：（1）河流边界条件：由于大桥位于河道内，河道边界条件对桥梁结构产生约束作用。此外，由于水流具有较强的惯性力，因此其边界条件会随着水流运动而不断变化。（2）水流参数：通常情况下，水流流速随着水深的增加而增加；而水流流速则与水深有关，随着水深增加而减小。（3）桥墩和地基：对于大型桥梁来说，桥墩和地基的作用不可忽略。因此在建模时要考虑两者之间相互作用对桥梁结构产生的影响。通常情况下，桥地基与河床边界条件均为固结边界条件。

（二）桩基冲刷深度的模拟

目前，桩基冲刷深度的计算方法主要有两种：经验公式法和数值模拟法。经验公式法是根据桥梁的设计参数，通过查阅规范、设计手册等获得冲刷深度计算公式，再用公式计算出冲刷深度。由于其计算过程复杂，不便于工程设计人员使用，而数值模拟法则无需考虑河道的特性，计算过程相对简单。（1）经验公式法。在现有的文献中，对冲刷深度的计算主要有两种方法：一是通过规范和设计手册中的经验公式得出冲刷深度；二是采用有限元法计算冲刷深度。第一种方法简单方便，但存在较大的不确定性，适用于中小河流桥梁基础的冲刷，其经验公式并不完全适用于大型桥梁。第二种方法虽然有较高的精度，但计算过程相对复杂，并且其计算量较大。（2）数值模拟法。目前对于冲刷深度的研究主要采用数值模拟的方法进行。数值模拟方法虽然精度较高、计算量小，但对于桥梁基础而言，由于其几何尺寸和水流条件相对复杂，因此数值模拟往往不能取得满意的结果。因此在进行桥梁基础冲刷研究时通常采用原型观测试验、水槽试验以及室内模型试验等方法获取冲刷数据。数值模拟法可以分为两类：一类是通过对实际河流的资料进行分析和处理，获得一个合适的水流边界条件（比如水流速度、河床床面形态、河床冲淤等）来建立一个合适的数学模型；另一类是直接建立数学模型进行计算。对于前者，其研究方法相对简单，而且具有较高的精度和可靠性；而对于后者，其研究方法相对复杂、计算过程相对繁琐、所需时间较长。（3）冲刷深度计算方法比较。根据目前主流计算方法（即经验公式法），对于中小河流桥梁基础的冲刷深度计算基本可分为两类：一是基于实测资料进行计算；二是基于理论分析和水槽试验进行计算。在基于实测资料进行冲刷深度计算时，首先要选择合适的经验公式来确定河床边界条件和河床边界糙率系数等参数；其次要对河床冲淤变化进行分析和预测；最后还要根据水流条件、河床边界条件以及冲刷深度计算公式对冲刷深度进行分析。在基于理论分析和水槽试验进行冲刷深度计算时，首先要确定合适的河床边界条件和河床边界糙率系数等参数；然后根据水流边界条件和河床边界糙率系数等参数建立符合实际情况的数学模型；最后利用该模型对冲刷深度进行计算。

（三）计算结果分析

根据对计算结果的分析，可得如下结论：桥墩周围的局部冲刷主要发生在桥墩附近，且水流通过桥墩时，会对其周围的土体产生冲刷。桥墩周围的局部冲刷深度与桥墩的高度有关，高度越高，局部冲刷深度越大。而且水流会对桥墩产生较大的冲刷作用，使其周围土体受到扰动。在同一水深条件下，水流对桥墩周围土体的冲刷作用明显。桥墩周围土体破坏范围与其所在位置水流方向的夹角大小有关。

总结：总之，由于水流的冲刷作用，在河道上修建的桥梁常因基础冲刷而出现基础不均匀沉降、倾斜等病害，这不仅会影响桥梁的使用寿命，同时也会造成交通安全隐患。在桥梁设计和运营中必须重视基础冲刷问题，针对不同的冲刷类型和冲刷程度采取相应的防治措施。桥梁基础冲刷病害与水流流速、河床形态及地质条件、施工质量及环境因素等诸多因素有关。在桥梁建设和运营中，必须从各个方面对其进行控制与管理，尽可能避免或减少基础冲刷病害的发生。同时，应重视基础冲刷病害的理论研究，通过各种理论分析手段和试验手段，从不同角度研究不同类型基础冲刷病害产生的机理及其防治措施。

参考文献：

[1]刘曙光,刘军,刘咏华等.基于LCA和LCC的桥梁全生命周期维护决策优化[J].中外公路,2023,43(04):124-130.

[2]贾玉昆.基于决策树的桥梁工程全生命周期造价分析与预测算法研究[J].市政技术,2022,40(04):49-54.

[3]王庆贺,刘瑞鑫,孙立晔等.BIM与云、物联网技术在桥梁全生命周期中的研究及应用[J].铁道标准设计,2022,66(12):78-83.

作者信息：王保栋，男，汉，1991.10，山东青岛，本科，高级工程师，建筑工程。

项目编号：2021-2-22，项目名称现代交通先进装备创新研究基地深水大跨桥梁波流试验平台建造技术研究。