王珍福

（中国建筑土木建设有限公司，北京100000）

0 引言

我国国土面积辽阔，地形地貌种类多，从古至今桥梁数量颇多，在我国桥梁建筑史上留下了各具特色的桥梁文化。近代高速公路、高速铁路因其自身的特殊性，带动了桥梁工程向更高层次的发展。桥梁主要是为了跨越山谷、河流而建设的构筑物。为减少河流对桥梁冲刷带来的损坏，设计者对桥头引线、导流堤等跨越河流、深谷、低洼地带的全部建筑物进行研究，从桥位选址、洪水频率、洪水流量计算桥梁孔径，确定通航净空、桥面高程，设计桩基础等全部工作称为桥渡设计。

1 桥渡设计内容

1.1 桥址选择

桥址选择是桥渡设计的第一步，为了保证桥址设计的合理性，在桥位选择方面，一般桥址应处于冲淤平衡、河床演变尽可能小的河段。大桥选址需要全方位考虑，其影响因素不但包括周边居民住所、拆迁、耕地占用等，而且需要重点关注水文地质的影响，如河道具有通航功能，桥梁设计还需满足船只通航的需要[1]。

选址时，河床稳定性强、基岩裸露较少、河道平顺、河道与水流及山谷地形变化趋势保持一致的水文地质条件才能最大限度地保证桥梁建设及运营阶段的安全。

桥位选址尽量选择直流河口的上方，若其上下游存在特殊地形如支流、分叉等应避开。

地质方面应选择地下存在岩层或土质坚硬的河床地段，避免地下存在断层、溶洞等，防止对墩台基础造成伤害。

1.2 墩台基底埋置深度

河床冲刷是影响埋置深度的主要因素。河床冲刷，根据其冲刷机理分为：河流自然冲刷是指在设计洪水条件下河床瞬时最大冲刷，河床最低冲刷线是指设计洪水条件下考虑了各种影响因素下河床冲刷后的最低河床高程。

影响河床冲刷的各种因素在桥渡设计中一般分为：天然冲刷是指无桥梁建筑物时河床在设计流量下的冲刷；一般冲刷是指受到桥渡压缩后因水流集中单宽流量增大而引起的河床冲刷；局部冲刷是处于过流区的桥墩或桥台建筑物附近因局部涡旋流形成的河床冲刷[2]。

采用不同的公式计算出的冲刷深度存在一定的差异，桥梁设计中采用的设计频率流量相差30%，则计算得到的冲刷深度相差约20%。在我国桥渡水文规范中，将设计洪水条件下，因桥渡压缩发生的河床面冲刷分解为两步：先完成一般冲刷，然后再出现局部冲刷，而一般冲刷计算公式计算结果认为是包含了天然冲刷在内。计算一般冲刷的公式算出的结果是一般冲刷后的最大水深，而局部冲刷计算公式采用一般冲刷完成后的水流和泥沙参数，算出的是最大冲刷深度。总冲刷后的最大水深为一般冲刷水深与局部冲刷深度之和。最低冲刷线高程等于设计水位与总冲刷后水深之差[3]。

1.3 导流设施设计

引水设施的布置主要是通过调节水流和河道，保证通过桥孔的水流均匀流畅，避免桥址附近河床和河岸的不利变形，并为桥梁、桥墩和桥头引道的正常使用提供可靠保证。根据调节结构对水流的影响，可分为导流结构、悬臂结构和底流结构。不同结构可以单独设置，也可以组合设置。此外，可以采取生物措施补充控制结构，如植树造林等。

2 河床局部冲刷

2.1 概述

国内外大多数桥梁都是跨水桥梁，而造成桥梁损坏等事故的主要原因是河流不稳定、长期冲刷、一般冲刷和局部冲刷。1987年-1999年间，美国已有25 座桥梁因事故而被摧毁。各种调查结果表明，造成重大桥梁事故有一半以上是由于洪水作用下桥墩局部冲刷造成的[4]。

在桥梁建成之后，除了河床的自然演变外，还有由于桥墩阻碍水流和泥沙的运动而引起的河床冲刷，它们交织在一起同时进行，冲刷过程非常复杂。河床冲刷的力学原理是水流作用于河床面上泥沙颗粒的切应力，在水流切应力大于泥沙颗粒抗力条件下，床面上泥沙被水流带走。天然河流因为河流边界不规则，所以水流运动一般是三维的，河床面上不同空间位置的流动物理量是不同的，流动边界的变化通常带来局部流畅的变化。例如，处于水流区域的桥墩或桥因其阻挡水流，在其周围产生涡旋流，这样的流动结构与远离阻水物区域的流动结构有明显不同，因而对河床上泥沙颗粒的作用力也明显不同。工程中为了方便计算，常将天然河流运动按一维总流处理，而一维总流不能反映流动结构内部特点，所以只能将总体的冲刷现象认为划分为天然冲刷、一般冲刷、局部冲刷。

桥下河床冲刷的河流动力学解释：河床冲刷最直接的物理概念就是水流对泥沙颗粒的作用力和泥沙颗粒抵抗水流作用力相互平衡问题，当后者大于前者时，泥沙颗粒可以保持其相对静止状态，当前者大于后者时泥沙颗粒在水流作用下失去静止的平衡状态而被水流挟带运动。因此在水流作用力与泥沙颗粒抗动力之间存在一个临界平衡力，使得泥沙颗粒处于由相对静止状态进入随水流运动状态的一个临界平衡状态。泥沙颗粒受水流作用力由静止于河床的状态转入由水流挟带运动的状态，这一过程是复杂的，而其中临界状态的描述也是复杂的。复杂性主要表现在：其一，天然水流处于紊流流态，天然水流的紊动性决定了泥沙颗粒受到的水流作用力严格来讲具有不确定性，但可以由时均量描述；其二，泥沙颗粒的大小、形状是不均匀的，不同颗粒受水流作用出现临界不平衡状态的条件是不同的；其三，河床面上各泥沙颗粒所处的相对位置千差万别，影响了水流对各颗粒施加作用力的不同，并且颗粒之间相互作用力也不同。

研究河床冲刷，实际上是研究泥沙颗粒在各种力作用下由静止状态转变为随水流运动状态的临界平衡条件。河床冲刷研究还可以从水流挟沙能力的角度分析。天然河流泥沙运动可描述为悬移质运动和推移质运动两种形式。采用推移质和悬移质输沙率公式根据输沙平衡可计算河床冲刷量。据实际观测，发现河流输沙以悬移质输沙为主，我国长江、黄河多年观测发现，年均悬移质输沙量占年均全部输沙量的95%以上。采用悬移质挟沙能力公式可近似推出河床冲刷的沙量。

2.2 桥墩绕流冲刷特征

桥孔范围内最大单宽流量出现的位置将产生最大冲刷。一般过流断面上垂线平均流速分布不均匀，河床组成也不一定均匀，导致河床冲刷深度在整个断面内是不同的。这就有可能沿横断面宽度不同位置上冲刷停止时流速不同，即不同位置冲止流速不同。当冲刷停止时冲刷深度最大的位置应具有最小的冲止流速。根据连续原理，一般冲刷停止后的最大水深可由连续方程给出[5]。

3 桥墩壅水

3.1 概述

跨河桥梁的修建，因桥墩、桥台侵占河流断面，导致行洪断面缩小，水流流线在桥梁的上游形成了收缩，下游形成了扩散，加上桥体本身的阻力等原因致使河道改变局部流态，上游水位壅高，改变河道天然水面的形态，形成了桥梁上下的水位差。河道桥梁壅水在流量低的情况下并不明显，而在洪水期间较为明显，对河床造成影响。

3.2 桥渡壅水影响因素

河道水流流态、河道边界、河床地质、冰塞、桥墩型式及布置形式等都会影响桥渡壅水，其影响因素错综复杂。

在北方冬天河流中的冰塞会引起河道过流断面面积减小，从而导致桥梁上游壅水。通过数值模拟，研究了不同冰塞厚度、在相同进口流速条件下，相同冰塞厚度、不同进口流速条件下桥墩壅水的变化规律。结果表明：冰塞厚度、进口流速对桥墩壅水有很大影响；在冰塞等相同条件下，最大壅水高度随进口流速增加而增大；在进口流速等相同条件下，最大壅水高度随冰塞厚度的增加而增大。

河流流态对桥渡壅水也有不同程度的影响，在河流急流下桥渡壅水效应要大于河流缓流条件下桥渡壅水效应。桥轴线与河流中心线的夹角大小对桥渡雍水的影响，例如桥墩间距相同的条件下，斜交角度越大，最大壅水高度越大，因此在进行桥梁设计时应尽量使桥梁轴线与水流方向成正交，以降低上游水位壅高对河道防洪带来的不利影响[5]。

4 结语

从桥渡设计内容、局部冲刷、壅水三方面可以看出桥渡设计的重要性：其一，桥渡设计为跨水建筑物提供了宝贵的理论基础。其二，在众多的桥梁水毁事故中，有超过一半是由冲刷引起的，局部冲刷的研究为桥梁基础埋深的设计提供了参考。其三，随着基础设施的快速发展，越来越多的桥梁建筑屹立在大河、大江、大海、深谷中，例如长江大桥、北盘江大桥、港珠澳大桥等。桥梁修建会占用缩小河道行洪断面，造成桥梁上游水位壅高，对防洪产生不利影响。因此，如何正确分析计算桥墩壅水对防洪等方面的影响，以采取合适的补偿措施是桥渡设计中非常重要的一环。