桥梁水害机理及防治概述

桥梁水害机理及防治概述

邓小军

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

摘要：现代桥梁结构的垮塌主要与水害相关，本文概述了冲刷、洪水和其他形式的水害作用

机理，再结合案例介绍了水害的整治方案，最后再从预警预报、防护和整治三方面，论述了水害防治措施。

关键词：水害形式；作用机理；治理实例；防治措施

引言

水害是山区桥梁最常见和破坏性最强的灾害。常见的水害形式可以分为冲刷、洪水和其他形式三种。洪水对桥梁的破坏最为直观，直接从侧向对桥梁施加巨大的作用力，使桥梁发生脆性破坏。冲刷对桥梁的破坏最为隐蔽，主要影响桥梁基础及其附近的地形地质。其他形式主要是水对混凝土和钢筋的侵蚀作用，从结构内部对桥梁结构产生影响，使得桥梁结构承载能力下降 [1]。刘亢等[2]统计的2007~2015年由洪水导致垮塌的桥梁数目占总数的比例高达43.1%。研究桥梁水害产生的机理水害的治理措施是桥梁灾害防治的重要内容。

1水害作用机理

1.1冲刷

冲刷的作用机理包括墩柱的磨蚀和地基土的侵蚀两个方面。混凝土材料是磨损主要因为河道中的水流对墩柱进行冲击，导致墩柱表层材料部分流失。混凝土的空蚀主要存在有高速水流的河道，表现为墩柱表面的蜂窝和针孔脱落形式，可通过冲击波理论或空炮溃灭压力冲击理论等理论对空蚀进行解释[3]。

浅基础的冲刷会导致基础周围的河床泥沙迅速流失，造成基础整体或局部的沉降与掏空，进而使得桥梁整体倾斜并迅速倒塌。桩基础冲刷会导致基础的埋置深度降低，桩土间接触面积降低桩基础的竖向承载能力和横向抗弯能力[4]。

1.2洪水

洪水的作用机理表现为桥梁结构上直接承受的洪水的冲击作用。河道中的水流速横向分布上总体表现为中部最大并向两岸逐渐减小的规律[5]。影响支座滑动破坏的主要是洪水浮力，影响支座剪切破坏的主要是水平冲击力，影响梁体倾覆破坏的主要是水平冲击力和上托力。在洪水淹没桥面时桥梁处于最不利状态，桥梁所受力为水平静水压力、水平冲击力、净水浮力和竖向上托，如图1所示。

图 1  桥梁洪水作用受力示意图

1.3其他形式

其他形式水害的作用机理包括混凝土碳化影响机理、氯离子侵蚀作用机理和冻融破坏机理三部分内容[3]。混凝土碳化的影响主要表现为钢筋表面形成的钝化膜破坏，产生锈蚀现象。氯离子侵蚀作用主要表现为钢筋铁离子的丧失。冻融破坏的影响主要表现为水泥浆体中孔隙水的结冰膨胀，形成静水压力，压力超过混凝土的抗拉强度使得混凝土破坏。

2水害实例分析及整治

2.1张坊桥[6]

张坊桥位于北京X017涞宝路，桥长452.04米，桥宽11米。四孔七联钢筋混凝土整体现浇连续板，双柱式桥墩加钻孔灌注桩。水害为桩基大体积冲刷，桩基大量外露并伴随桩基混凝土破损露筋。

水害原因：桥跨在河道中心孤岛，减小了河道断面几何尺寸，增加了洪水流速。桥梁下游由于沙石的大量开采，导致河床比增大，加剧了冲刷力度。

该处水害的防治，采取以下措施：加固桩基和墩柱；疏通河道并清除孤岛河护砌；修建导流堤。

2.2三渡漫水桥[6]

三渡漫水桥位于北京张坊镇三渡，横跨拒马河，桥长99.1米，桥宽7米。十跨钢筋混凝土整体现浇板，桩基础。主要水害为桥面铺装和桥台路堤的冲毁。

水害的原因：桥长不够，导致桥台位于主河槽。由于旅游设施的存在，压缩了河道的断面几何尺寸，使得洪水水位上升，增加洪水对桥梁的冲击力。桥面铺装和桥梁连接不够紧密，未形成整体。引道处防护强度不够。

该处水害的防治，采取以下五点措施：旧桥拆除后重建；改墩柱截面为圆形并导流设计盖梁；抬高桥面，增加桥长；疏挖河道并进行河道防护；改路面形式为水泥路面并增加桥台防护。

3水害防治措施

3.1水害实时预警

针对洪灾的预警预报，可采用流量影响线法进行设计[7]。对于冲刷，可根据桥位地质情况设置多根反应桩基和河床特性的冲刷预警桩。对于其他形式的水害，在风险截面设置实时检测装置，当某一指标达到或超过某一值时，应对全桥进行检测，保证结构承载力。

3.2水害防护

在防洪设置方面，主要保护墩台基础部位，保证河道内无其他建筑物，使得洪水通过时的断面几何尺寸足够大，不会提高洪水水位和洪水流速。对路堤进行防护，使得洪水通过时，墩台所收的冲击力进一步下降。

在防冲刷设置方面，主要是对河床和基础的保护。针对基础附近的土层我们应该进行加固设计，保证基础附近的土层较少的受冲刷影响。采用防洪的设置，对河道设置护砌，保证河床的防冲刷能力，在桩基外侧设置防冲刷层，如调节桩基混凝土的配料，涂砌保护层等。

在防排水设置方面，保持伸缩缝防水和泄水孔排水畅通，对边梁进行防水设计或涂抹一层防水涂料。

3.3水害整治措施

针对洪灾的整治，主要包括防洪构件设置和河堤的加强两方面。更换部分下部结构，加强结构防洪能力，比如将墩柱设置为圆形，对盖梁进行防洪设计，对桥面护栏进行加强设计。在河堤加强方面，主要采用河道护砌的方式加强河道的防洪能力。

针对冲刷的整治方案，桥墩置换，将桥墩换成抗洪的桥墩；墩梁置换，更换主梁，降低主梁的保养成本；换位建桥，在附近抗冲刷能力更好的地质处重新建桥，但该方法成本较高，需考虑经济成本

[8]。对于其他形式的水害，在桥梁整体运营维护时解决，不必单独整治。

4结语

水害具有普遍性、突发性、破坏性和隐蔽性等特征。本文概述了水害作用机理，并结合工程实例介绍水害的整治方案，最后再从预警预报、防护和整治论述水害防治措施。对桥梁水害防治工作有积极指导意义。

参考文献

[1]熊文,蔡春声,张嵘钊.桥梁水毁研究综述[J].中国公路学报,2021,34(11):10-28.

[2]刘亢,刘均利,余文成.2007~2015年洪水导致垮塌桥梁的统计分析[J].城市道桥与防洪,2017(01):90-92+12-13.

[3]李亚彬.桥梁墩柱磨蚀机理与评价方法研究[J].甘肃科技纵横,2022,51(03):42-45+90.

[4]李振平,张冠华,高玉光.辽宁省桥梁典型水害及防护措施[J].北方交通,2008(10):66-68.

[5]李鹏飞,毛燕,董振华,韦韩.公路梁式桥上部结构洪水作用机理及抗洪性能研究[J].工程力学,2020,37(S1):217-223.

[6]唐功林.北京公路桥梁水害实例分析与防治[J].市政技术,2015,33(01):58-60+63.

[7]李整,陈代海,陈淮,文雨松.中小桥梁水害实时预警预报研究[J].铁道学报,2015,37(04):116-120.

[8]饶露,朱华中,吴天群,李昶,任一开.山区普速铁路桥梁冲刷水害整治方案研究[J].铁道建筑,2021,61(10):65-68.

作者简介：

邓小军（1998-），男，重庆忠县，硕士研究生，重庆交通大学土木工程学院。

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