S219永定线大林淮河桥桥墩冲刷分析及加固

王德新，王 贺

（1Ʊ驻马店市公路规划勘察设计院，河南驻马店 463000；2Ʊ重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400074）

S219永定线大林淮河桥桥墩冲刷分析及加固

王德新1，王 贺2

（1Ʊ驻马店市公路规划勘察设计院，河南驻马店 463000；2Ʊ重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400074）

针对省道S219永定线大林淮河桥的桥墩冲刷问题，按一般冲刷和局部冲刷叠加计算冲刷深度，确定桥墩冲刷对桩基础竖向承载力的影响，并对单桩承载力进行了验算，计算证明需加固河床。根据现场实际情况，考虑石笼耐冲刷和浆砌片石不容易被人为破坏的优点，抗冲刷加固的综合效果较好，推荐采用石笼和浆砌片石的加固方案。从近年实践情况来看，防护效果较好。

桥梁工程；一般冲刷；局部冲刷；石笼防护

0 引 言

河流冲刷会使桥梁基础掏空、墩台破损，使得桥梁下部结构的承载力大幅降低，导致墩台倾斜或桥梁垮塌。因此，国内外学者对桥墩台冲刷及防护加固进行了大量研究［1⁃2］。

Dargahil对护圈防护进行了分析，当护圈放置于河床面以下时，其与河床的距离为－0．015倍水深时（河床以下用负值表示），减小漩涡的效果最好，可减少冲刷深度约50%～75%；Chiew等提出了采用牺牲石板作为防护措施，通过降低流速实现冲刷防护；Grimaldi等研究了下游石板的防护方式，通过试验证明了桩与板距离越近防护效果越好，且当石板置于距离桥墩很近位置时，最大冲刷深度将会出现在石板前面［3］。Tregnaghi等研究了均质和非均质砂土河床中，下游石板对冲刷深度的影响程度［4］。马奎发现局部冲刷的主要影响因素有桥墩特征、流体特征、河床质特征和流动特征［5］，提出了抛石防冲、护脚和沉箱防冲、开缝防冲3种有效的冲刷防护措施。梁发云等论述了常用防护方式的作用机理、防护效果、防护优缺点和防护的工程使用案例［6］。陈稳利用有限元方法分析了河流冲刷对既有桥梁墩台承载力影响［7］。胡嘉平等提出对于洪水频发的地区桥台锥坡采用桩基挡墙进行加固，且效果明显［8］。

本文针对S219永定线大林淮河桥桥墩冲刷及承载力的问题，进行了相应的工程防治措施研究。

1 工程概况

大林淮河桥位于S219线驻马店市正阳县和信阳市罗山县交界处，桥墩均为双柱式，桩长30～32 m，桥梁全长485．24 m。第3～17号桥墩有不同程度的冲刷，其中7号墩冲刷深度最大，为8Ʊ5 m。冲刷较严重的桩基表面还出现大量混凝土剥落和钢筋外露现象。

目前，河床上已有的实体防护工程措施主要包括抛石防冲法、扩大桥墩基础防护法、填充混凝土模袋防护和石笼防护等，本文采用石笼和浆砌片石的加固方案。

水流是造成3～17号桥墩冲刷的主要原因。桥梁灾害形成的原因众多，而绝大多数是由于桥墩基础受到冲刷导致的，这与桥墩基础的埋置深度有着直接的关系［9⁃14］。桥墩基础埋置过深时会造成工程成本上的浪费，埋置过浅则会被洪水淘空造成桥梁事故。因此，在进行桥梁设计时，需要预估使用期限内桥梁基础将受到的冲深。

2 桥墩冲刷深度计算

2．1 一般冲刷计算

对应47Ʊ5 m的设计水位，河槽宽度Bc＝220 m，平均河槽水深Hc＝13．2 m，根据规范《施工工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）可知，桥下河槽部分通过的设计流量Q2＝10 612，则冲刷深度为

式中：hp为桥下河槽一般冲刷后量大水深；Q2为桥下河槽部分通过的设计流量；Qc为天然状态下河槽部分设计流量；Bcg为桥长范围内的河槽宽度，当河槽能扩宽至全桥时取桥孔总长度；λ为设计水位下，在Bcg宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值；μ为桥墩水流侧向压缩系数；hcm为河槽最大水深；Ad为单宽流量集中系数。

根据以上初步的配合比（02号）中水胶比和砂率按《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）规定进行调整，水胶比增减0.05、砂率相应增减1%，得出01和03号调整后的配合比进行试配，如表6共3个配合比进行试配，表7为3组配合比试配后得出各项混凝土性能指标。

算得河槽一般冲刷深度为2．488 m。

2．2 局部冲刷计算

取平均粒径d＝20 mm，河床泥沙启动流速V0＝0．28（d＋0．7）0．5＝1．274 m·s－1；墩前泥沙起冲流速V′0＝0Ʊ12（d＋0Ʊ5）0Ʊ55＝0Ʊ626 m·s－1；河床颗粒影响系数3；墩形系数Kε＝1；桥墩计算宽度B1＝1Ʊ5 m；河槽指数n＝2（V为一般冲刷后墩前行近流速），则河槽局部冲刷深度

桥位处河床断面的冲刷深度计算结果见表1。

表1 河床断面冲刷深度计算结果m

3 单桩轴向受压承载力验算

3．1 效应计算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007），结构构件自身承载力采用作用效应基本组合进行验算，其表达式为

式中：Sud为承载能力极限状态下作用基本组合的效应设计值；s为组合的效应函数；r0为结构重要性系数；rgi为第i个永久作用的分项系数；Gik为第i个永久作用的标准值；rQ1为汽车荷载的分项系数；rgj为除汽车荷载外其他第j个可变作用分顷系数；Qlk为汽车荷载的标准值；Qjk为除汽车荷载外的其他可变荷载标准值；Φc为除汽车荷载外的其他可变荷载组合系数；rlj为第j个可变作用的结构年限荷载调整系数。

表2 7号墩地面标高和桩长

取结构重要性系数为1Ʊ1，取自重荷载分项系数为1．2，单桩承担永久荷载为，上部结构质量为2 102．9 kN，盖梁质量为235．2 kN，立柱重352．9 kN。取汽车荷载分项系数为1Ʊ4，结构设计使用年限荷载调整系数为1．0，汽车荷载冲击系数为1Ʊ267 5。7号墩单桩承担的上部结构荷载见表3。

表3 7号墩单桩承担的上部结构荷载

3．2 单桩轴向受压承载力

单桩轴向受压承载力容许值为

式中：U为桩基周长；qik为桩侧土体摩阻力；li为土层厚度；Ap为桩基截面面积；qr为桩端土体竖向承载力。

根据桥位处地址资料，计算冲止标高以下剩余桩长的单桩轴向受压承载力。冲止标高以下的地层情况如下所示。

（1）第1层：含砾粗砂，桩侧摩阻力标准值qik＝95 kPa。

（2）第2层：亚黏土层分界面至桩底厚19．9 m，桩侧摩阻力标准值qik＝90 kPa，本层为持力层，桩端土的承载力基本容许值为400 kPa，7号墩单桩容许承载力见表4。

表4 7号墩单桩容许承载力

根据单桩容许承载力计算结果可知，现河床断面对应的桩长可满足单桩承载力的要求，考虑冲刷后的单桩承载力已不能满足要求。现河床底桩基的承载力富余量为901 kN，约14%，由于现在的河床断面为2014年实测，考虑该桥1998～2014年期间河床局部下降了9Ʊ8 m，并且随着河道水流的集中，河道下降速度会进一步加快，随着河床的下降，桩长会逐步消失，应抓紧时间进行河床加固。

4 桥墩冲刷的防护措施

本文采用石笼和浆砌片石的加固方案充分利用了石笼耐冲刷和浆砌片石不宜被人为破坏的优点，抗冲刷加固的综合效果较好。由于石笼自身特点，施工完成后基本免维护；浆砌片石加固位置位于常水位以上主河槽两侧，受洪水冲刷的概率低且水流流速小，冲毁概率较低，且较易检查和维修。具体施工如下。

（1）石笼防护。在桥位主河槽范围河床采用石笼防护，石笼铺放宽度为桥梁中线上游18 m，下游24 m。石笼尺寸为300 cm×100 cm×50 cm，在桥梁中线上、下游各15 m处码砌4层石笼形成防冲坝，防冲坝底应埋入整平后的河底1 m以下；4层石笼之间的坝顶范围铺放1层石笼，在4层石笼的左侧下游铺放6 m宽的1层石笼。码砌石笼时应错缝安放，石笼块之间应采用铅丝牢固连接，每一层石笼均应采用砂砾进行灌缝，如图1所示。

石笼中所用石块宜选用方正、无尖角且小边尺寸大于石笼网孔尺寸的片石、块石、卵石、漂石等。石笼网面、骨架可采用钢丝、钢筋、铁丝、铅丝等，宜选用镀锌铁丝、铅丝等防锈、耐腐蚀材料，上、下游护坡石笼块应保证石笼网箱尺寸，不宜减小尺寸。

（2）浆砌片石防护。在桥位主河槽两侧（二级河槽范围）采用M7．5水泥砂浆砌片石铺砌防护，浆砌片石铺砌宽度为，桥梁中线上游18．75 m，下游27Ʊ5 m，铺砌厚度为30 cm。在桥梁中线上游15 m处设置1∶2Ʊ5的向下缓坡，缓坡底设3 m高的截水墙；下游15 m处设置1∶3的向下缓坡，缓坡底设8 m宽的加长铺砌，铺砌上设置消力坎（块），消力坎（块）间距1．5 m，加长铺砌端部设置3 m高的截水墙，如图2所示。

5 结 语

采用石笼和浆砌片石相结合的方案进行河底冲刷加固，石笼可以适应地基的变形，严格验收后，基本不需要养护；浆砌片石铺砌为封闭防护，防冲刷效果较好，且易检查、易养护，整体性好，强度高，不易被人为破坏。石笼和浆砌片石方法充分利用了石笼耐冲刷和浆砌片石不宜被人为破坏的优点，总体施工难度不大，抗冲刷性能较好，后期维护便利且造价适中，从近年实践情况来看，防护效果较好。

［1］ 孙如光．浅谈桥梁浅基础水毁原因与防治加固对策［J］．山西建筑，2010，36（24）：328⁃329．

［2］ 孙国钧，王卫东．浅基桥墩加固技术［J］．桥梁建设，2004（3）：73⁃76．

［3］ GRIMALDI C，GAUDIO R，CALOMINO F，et a1．Control of Scour at Bridge Piers by A Downstreambed Sill［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2009，135（1）：13⁃21．

［4］ TREGNAGHI M，MARION A，GAUDIO R．Affinity and Similarity of Local Scour Holes at Bedsills［J］．Water Resources Research，2007，43（11）：2578⁃2584．

［5］ 马 奎．桥墩局部冲刷机理分析及防护建议［J］．中国高新技术企业，2010（15）：16⁃17．

［6］ 梁发云，王 琛．桥墩基础局部冲刷防护技术的对比分析［J］．结构工程师，2016（10）：130⁃138．

［7］ 陈 稳．河流冲刷对既有桥梁墩台承载力影响的研究［D］．南京：中南大学，2013．

［8］ 胡嘉平，郑红雷，李海涛．桥梁基础水毁的分析及其加固防治措施［J］．浙江交通职业技术学院学报，2015，16（3）：17⁃21．

［9］ 苑丽敏．浅基础桥梁水毁问题的探讨［J］．北方交通，2015（3）：30⁃32．

［10］ 詹 磊，董耀华，惠晓晓．桥墩局部冲刷研究综述［J］．水利电力科技，2007（3）：11⁃13．

［11］ 周玉利，崔洪才．桥墩局部冲刷护坦防护的试验研究［J］．长安大学学报：自然科学版，1999，19（3）：36⁃38．

［12］ 傅 钢．桥梁桩基加固施工技术和工艺的探讨［J］．科技风，2013（22）：128⁃129．

［13］ 杨友梅．浅谈桥梁桩基加固［J］．工程与建设，2008，22（6）：823⁃824．

［14］ 李海涛．广汉金鱼石亭江大桥桩基冲刷病害加固设计研讨［J］．西南公路，2011（2）：34⁃36．

［责任编辑：杜卫华］

Analysis on Bridge Scour and Strengthening of Dalin Huai River Bridge of S219 Provincial Highway

WANG De⁃xin1，WANG He2
（1．Zhumadian Highway Planning，Survey and Design Institute，Zhumadian 463000，Henan，China；2．Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Aimed at the problem of bridge scour that happens to the Huai River Bridge in Dalin of S219 provincial highway，the effect of bridge scour on the vertical bearing capacity of pile foundation was determined by combining the calculation of the depths of general and local scour．The bearing capacity of single pile was calculated and checked to prove the need to strengthen the river bed．Considering the actual situation of the site，the combination of stone cage and mortar flagstone was recommended because of their respective advantages of the resistance to scouring and not easy to be vandalized．The protection effect has been proved by the performance in recent years．

bridge engineering；general scour；local scour；stone cage protection

图1 河底石笼加固

图2 河底浆砌片石硬化加固

U443．2

B

1000⁃033X（2017）08⁃0067⁃04

2017⁃02⁃09

国家自然科学基金项目（41071017）；西部交通建设科技项目（2009318221035）

王德新（1970⁃），男，河南泌阳人，高级工程师，研究方向为交通地质减灾理论与技术。