阿什河哈爾濱城區(qū)段橋墩沖刷計算

毛倩倩，李碩嬌，季永興

（上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

阿什河位于哈爾濱市東部，是松花江右岸的一級支流，干流河道長213 km，流域面積3 581 km2。阿什河下游哈爾濱市城區(qū)段約25 km，橫跨香坊和道外兩個區(qū)，其間有11座公路橋梁和1座跨河鐵路橋梁。由于河道中設(shè)置了橋梁墩臺，部分橋梁為減少投資而局部縮窄河道，使得橋梁位置河道過水?dāng)嗝婵s窄，上下游水位差加大，流速加快，橋下河床沖刷嚴(yán)重，影響了河床穩(wěn)定，并進(jìn)一步影響橋梁安全。

橋梁墩臺沖刷在沖積性河流中是無法避免的問題，是一個綜合復(fù)雜的沖刷過程。橋梁墩臺位置局部流速加大，墩臺周圍水流的邊界層分離，從而產(chǎn)生高強度水流沖擊和旋渦作用，使墩臺附近河床產(chǎn)生沖刷，形成下切變形現(xiàn)象。當(dāng)橋梁墩臺周圍沖刷坑深度較大時，會大大影響橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定，威脅到橋梁自身的安全，需要進(jìn)行橋梁防護(hù)。因此，橋墩沖刷計算就成了進(jìn)行橋梁防護(hù)工程的首要任務(wù)。國內(nèi)外學(xué)者通過物理模型試驗、現(xiàn)場觀測對橋梁沖刷的機理進(jìn)行了分析研究，并通過實際測量及多變量分析等方法提出了一些橋墩沖刷計算方法[1]。

為向阿什河下游段河道整治建設(shè)部門提供橋梁位置合理過水?dāng)嗝?，同時為橋梁防護(hù)提供可靠設(shè)計依據(jù)，筆者等人擬通過對國內(nèi)外有關(guān)橋墩沖刷計算方法進(jìn)行分析，結(jié)合實際工程選擇可行性計算方法，并對哈爾濱阿什河城區(qū)段部分橋梁進(jìn)行沖刷計算，為其橋墩防護(hù)工程提供科學(xué)依據(jù)。

1 國內(nèi)外橋墩沖刷計算研究

在計算橋梁墩臺沖刷時，應(yīng)考慮橋孔壓縮后河床斷面內(nèi)發(fā)生的一般沖刷、墩臺周圍水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化引起局部沖刷、河床自然演變沖刷等其他影響因素引起的沖刷。橋梁墩臺沖刷深度的計算是對一般沖刷深度和局部沖刷深度進(jìn)行計算，然后將兩者結(jié)果疊加，作為橋梁墩臺的最大沖刷深度計算值，以此來確定橋梁墩臺防護(hù)工程的依據(jù)。

1.1 一般沖刷深度計算方法

（1）1964年，甘城道按照輸沙平衡原理建立一般沖刷深度計算公式[2]，即64-2公式：

（2）由于64-2公式包含了變指數(shù)m1和變系數(shù)k，需要大量野外實測資料，計算較為復(fù)雜，因此公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范推薦使用64-2簡化公式[3]：

式中各參數(shù)意義見公式（1）中各參數(shù)意義。

（3）按沖止流速建立公式[4]，則非粘性土河槽一般沖刷深度計算64-1公式為：

式中，Bc為河槽部分橋孔過水凈寬，m；A為單寬流量集中系數(shù)；Q2為橋下河槽部分通過的設(shè)計流量，m3/s；為橋下河槽平均水深，m；hmax為設(shè)計斷面上河槽最大水深，m；為河槽泥沙平均粒徑，mm；E為與汛期含沙量的系數(shù)，S=（1～10）kg/m3時，E=0.66，S＞（1～10）kg/m3時，E=0.86。

非粘性土河灘的一般沖刷計算64-1公式為：

式中，Q′t為橋下河灘部分通過的設(shè)計流量，m3/s；hmt為橋下河灘最大水深，m；為橋下河灘平均水深，m；B′t為橋下河灘部分橋孔過水凈寬，m；vH1為河灘水深1 m時，非粘性土不沖刷流速，m/s。

（4）按沖止流速建立公式，則粘性土河床的橋下斷面一般沖刷計算公式，河槽部分為：

式中，IL為沖刷范圍內(nèi)粘性土的液性指數(shù)，取值范圍為0.16～1.19；其余參數(shù)意義見公式（3）各參數(shù)意義。

粘性土河灘部分一般沖刷公式為：

式中，各參數(shù)意義見公式（4）中各參數(shù)意義。

根據(jù)別列柳伯斯基的假定建立的公式[5]：

包爾達(dá)可夫根據(jù)別列柳伯斯基的假定，建立的橋下一般沖刷的經(jīng)驗公式，稱為包爾達(dá)可夫公式，適用于穩(wěn)定性河段的河槽部分。

a.河槽土質(zhì)均勻時可按下式計算：

式中，hp為一般沖刷后的垂線水深，m；h為沖刷前垂線水深，m；P為沖刷系數(shù)。

b.河槽土質(zhì)不均勻時可按下式計算：

式中，h′p為河床中易沖刷部分沖刷后的水深，m；ωq為沖刷前橋下凈過水面積，m2；ω1為沖刷前易沖刷部分的凈過水面積，m2；ω2為沖刷后不可沖刷部分（表層土壤被沖去后）的凈過水面積，m2。

1.2 局部沖刷深度計算方法

目前國內(nèi)外采用最多的局部沖刷計算公式主要有65-1公式、65-2公式和包爾達(dá)可夫公式。

（1）65-1公式和65-2公式：

從20世紀(jì)50年代后期開始，我國鐵路系統(tǒng)和公路系統(tǒng)對非粘性土河道橋墩局部沖刷進(jìn)行了研究。根據(jù)我國有關(guān)局部沖刷的實測資料，在1964年的全國橋渡沖刷匯總工作會議上，制定了65-1公式和65-2公式[1]。兩個公式已經(jīng)過廣泛應(yīng)用與驗證，精度較好，具有一定可靠性。

a.65-1公式：

當(dāng)V≤V0時，hB=kξkη1b10.（6V-V0′）

當(dāng)V≥V0時，

b.65-2公式：

當(dāng) V ≤V0時，

當(dāng)V≥V0時，

式中，hB為橋墩局部沖刷坑深度，m；kξ為墩形系數(shù)，可查有關(guān)表；b1為橋墩計算寬度，m；V為一般沖刷后垂線平均流速，m/s；h為一般沖刷后水深，m；V0為床沙起動流速，m/s；V0′為始沖流速，n1=1/（[V/V0）0.2d0.15]；n2=1/（[V/V0）0.23+0.19lgd]；d為床沙平均粒徑，mm。

（2）包爾達(dá)可夫公式：

在國外的局部沖刷計算公式中，包爾達(dá)可夫公式結(jié)構(gòu)相對簡單，對大量野外實測資料等要求較少，因此得到了廣泛應(yīng)用。其公式形式為：

式中，hB為局部沖刷水深，m；hp為一般沖刷水深，m；Vp為設(shè)計流速，m/s；V不沖為不沖刷流速，m/s；n為墩臺形狀系數(shù)，一般取1/4～2/3[6]。V不沖和n均可以查相應(yīng)圖表得到。

其中，Vp的計算應(yīng)符合下列規(guī)定：式中：V為行進(jìn)流速，m/s；η為水流流速分配不均勻系數(shù)。

（3）其他公式：

除了上述比較常用的公式外，還有基于現(xiàn)場實測資料、模型試驗得來的經(jīng)驗公式，如Jain.c.c Lacey公式和Lacey公式。還有基于一定理論，通過建立一些假定來推出來的半經(jīng)驗半理論公式等。由于這類公式的參數(shù)需要根據(jù)具體情況而定，具有一定的不確定性，因此使用較少。

2 橋墩沖刷計算

2.1 橋梁現(xiàn)狀

賓西鐵路橋等5座橋，位于公阿什河下游哈爾濱市城區(qū)段約25 km，范圍內(nèi)有11座跨河公路橋梁和1座跨河鐵路橋梁。長江路橋等級較高，屬于城市主干道，但大都建設(shè)年代久遠(yuǎn)，橋下過水流速大，沖刷嚴(yán)重。因此本文選擇長江路橋、繞城高速跨河橋、東方紅橋、賓西鐵路橋和伏爾加橋5座跨河橋梁進(jìn)行沖刷計算，其平面位置見圖1所示。橋梁基本情況為：長江路橋的橋梁規(guī)模屬于大橋，公路等級為1級，橋孔有16孔，每孔凈寬25 m，全長407 m，橋墩寬1.8 m，橋面底高程為124.06 m，河底高程為114.8 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇；繞城高速跨河橋的橋梁規(guī)模屬于大橋，公路等級為1級，橋孔有13孔，全長390.4 m，橋面底高程為125.95 m，河底高程為118.33 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇；東方紅橋的橋梁規(guī)模屬于大橋，公路等級為2級，橋孔有8孔（14.5 m+15.8 m+15.8 m+15.8 m+15.8 m+15.8 m+15.8 m+14.3 m），橋墩寬1.0 m，橋面底高程為127.54 m，河底高程為120.1 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇；賓西鐵路橋的橋梁規(guī)模屬于中橋，等級為2級，橋孔有10孔，全長330.4 m，橋柱直徑3.0 m，橋面底高程為129.56 m，河底高程為121.20 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇；伏爾加橋有 6 孔（19.98 m+20.0 m+19.98 m+19.98 m+20.0 m+19.98 m），橋墩寬1.0 m，橋面底高程為132.51 m，河底高程為125.1 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。

圖1 阿什河城區(qū)段5座橋梁平面位置示意圖

2.2 河道水文情況

阿什河位于哈爾濱市東部，是松花江右岸的一級支流。河道發(fā)源于尚志市帽兒山鎮(zhèn)尖山砬子，于哈爾濱水泥廠附近注入松花江，干流總長213 km2，流域總面積3 518 km2[7]。流域大部分地形起伏坡降大，東南高、西北低。阿什河是半山區(qū)河流，上游為山區(qū)，地勢較高坡降較大，水流湍急；中游為丘陵地區(qū)；下游為平原河流，河谷寬闊、地勢低平，河漫灘與松花江河灘相連，該地區(qū)也是阿什河流域主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。查《黑龍江省水文圖集》流域多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)約為30（t/km2）/a，考慮輸沙量有逐年加大的趨勢，根據(jù)水文圖集分析結(jié)論，修正后年輸沙模數(shù)為45（t/km2）/a。由此計算流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量為16.1萬t/a。推移質(zhì)按懸移質(zhì)的30%估算。

阿什河干流道外香坊段防洪及河道整治工程，位于下游的香坊和道外兩區(qū)境內(nèi)，河段總長約25 km，地貌單元為阿什河河漫灘，沿線地勢略有起伏，地形變化不大。工程上游從阿城區(qū)伏爾加橋開始，下游到阿什河入松花江河口為止，主要涉及香坊區(qū)成高子鎮(zhèn)、幸福鎮(zhèn)、向陽鄉(xiāng)、道外區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)和阿城區(qū)程家店村。道外和香坊段區(qū)共4段堤防，總長15.92 km，排水閘3座，跨河公路橋11座和跨河鐵路橋1座。由于上游地勢高坡度大，河流泄洪能力低，容易形成洪水災(zāi)害，對橋梁、道路及水利工程造成破壞，再加上區(qū)間內(nèi)跨河公路橋梁建設(shè)年代久遠(yuǎn)，部分橋梁沖刷損壞嚴(yán)重，影響正常使用，因此，本文針對工程范圍內(nèi)部分橋梁進(jìn)行橋梁沖刷計算，為橋梁防護(hù)工程提供參考依據(jù)。

2.3 橋墩沖刷模式與參數(shù)選擇

2.3.1 橋梁水文參數(shù)

通過實測資料和相關(guān)計算，可以得到5座橋梁的基本水文參數(shù)，見表1所列。

表1 阿什河城區(qū)段5橋梁水文參數(shù)表

2.3.2 一般沖刷計算

研究區(qū)段河道屬于平原蜿蜒性河流，是穩(wěn)定河段，本文選擇了基于別列柳伯斯基假定建立的包爾達(dá)可夫公式，進(jìn)行橋梁一般沖刷計算：

hp=Ph

公式中各參數(shù)意義見上文。其中沖刷系數(shù)P的最大允許值見表2所列。

表2 P值最大允許值[6]一覽表

由于研究區(qū)域位于阿什河下游段，地貌為河漫灘，屬于寬淺型河道，且橋梁為進(jìn)行過防護(hù)的淺基橋梁，故該項計算沖刷系數(shù)P選擇1.4。

2.3.3 局部沖刷計算

無論是理論推導(dǎo)得出的理論公式，還是由實驗推導(dǎo)的經(jīng)驗公式，都需要收集河道中大量野外實測水文、泥沙數(shù)據(jù)和模型實驗數(shù)據(jù)，并且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。而包爾達(dá)可夫公式結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是迄今常用的國外方法。因此本文選擇包爾達(dá)可夫局部沖刷公式來進(jìn)行計算：

公式中參數(shù)意義見上文。其中，橋墩形狀系數(shù)取0.5。

2.4 結(jié)果與分析

根據(jù)包爾達(dá)可夫公式，5座橋的一般沖刷結(jié)果、局部沖刷結(jié)果及局部沖刷與一般沖刷結(jié)果比值見表3所列。

表3 阿什河城區(qū)段5座橋梁沖刷計算結(jié)果一覽表

根據(jù)資料可知[8]，橋梁墩臺及一些建筑物的局部沖刷與一般沖刷比值約為1.5～4。由計算結(jié)果可以看出，5座橋梁中4座的局部沖刷與一般沖刷比值結(jié)果均在1.5～4的范圍內(nèi)，繞城高速公路橋為1.07，接近1.5。可見，該5座橋梁沖刷計算結(jié)果是合理的。

3 結(jié)論與建議

（1）本文主要針對橋梁沖刷計算進(jìn)行了淺析，分別介紹了國內(nèi)外比較常用的一般沖刷計算方法和局部沖刷計算方法。針對阿什河哈爾濱城區(qū)段水文、水流、河道地貌、河床地質(zhì)等特性，選擇了基于別列柳伯斯基假定建立的一般沖刷公式、包爾達(dá)可夫公式，分別進(jìn)行了河道上5座跨河橋梁的一般沖刷計算和局部沖刷計算。

（2）分析表明，在進(jìn)行一般沖刷計算時，包爾達(dá)可夫公式對于平原蜿蜒形河流及山區(qū)穩(wěn)定性河流都比較合適，并且該公式結(jié)構(gòu)簡單，對實測資料要求較簡單，因此在實測資料比較難獲取的河道或是工程前期規(guī)劃中，更為實用。

（3）包爾達(dá)可夫公式顯示，橋墩墩形系數(shù)對沖刷結(jié)果有影響作用，因此建議橋梁設(shè)計適宜選擇對水流影響小的墩臺形狀，以此來優(yōu)化墩形系數(shù)，從而減小墩臺沖刷，保證橋梁自身的安全。

（4）計算表明，5座橋梁墩臺都存在不同程度的沖刷，需要進(jìn)行橋梁防護(hù)?？梢匝貥蛄合掠畏较颍?∶4河底沖刷坑坡度計算，作為防護(hù)長度。防護(hù)措施可采用拋石防護(hù)、混凝土模袋防護(hù)或混凝土鉸鏈排防護(hù)。

（5）同時，長江路橋和伏爾加橋?qū)拥罃嗝婵s窄過大，上下游形成較大水位差，過水流速較大，沖刷較為嚴(yán)重，建議采取橋梁擴孔措施，減小橋梁阻洪，以此減小橋墩沖刷。

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