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| 內容簡介： |
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《桥梁局部冲刷分析与安全防护》统计了国内外典型桥梁冲毁事故，介绍了近年来桥梁局部冲刷研究进展及未来研究方向，在已有理论基础上，分析讨论了桩-土-水三项耦合作用机理。以跨海桥梁为工程背景，建立了三维仿真模型，对比分析了单向流及往复流作用下的桩周流场分布、局部冲刷深度及局部冲刷坑分布形态，提出了适用于海域桥梁的局部冲刷深度预测公式，建立了一个适用于实际跨海桥梁的理论预测模型，提出了针对性的安全防护方案，介绍了一种新型的现场监测系统及应用实例，提出了一种基于 FAHP评价法的桥梁局部冲刷安全评估模型。
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| 目錄：
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目 录
前言
第 1章 桥梁基础冲刷问题 1
1.1 概述 1
1.2桥梁基础冲刷事故 2
1.3跨海桥梁基础冲刷研究发展近况 8
1.3.1不同条件下跨海桥梁基础冲刷研究 10
1.3.2跨海桥梁基础冲刷深度预测 11
1.3.3跨海桥梁基础冲刷深度监测及防护方法 12
1.4本章小结 12第 2章 桥梁局部冲刷机理分析 14
2.1 概述 14
2.2冲刷分类 14
2.2.1自然演变冲刷 14
2.2.2一般冲刷 15
2.2.3局部冲刷 17
2.3桩周流场作用机理 19
2.3.1水流与桥桩相互作用 19
2.3.2水流与泥沙相互作用 21
2.4本章小结 24
第 3章 桥梁局部冲刷三维数值模拟 25
3.1 概述 25
3.2数值软件及计算方法介绍 26
3.2.1控制方程 30
3.2.2湍流模型 31
3.2.3泥沙运动方程 33
3.2.4边界条件 34
3.2.5 OpenFOAM介绍 38
3.3数值模型验证 41
3.3.1模型设置 41
3.3.2验证结果 43
3.3.3公式计算对比 45
3.4局部冲刷数值模拟 48
3.4.1杭州湾跨海大桥工程概况 48
3.4.2单桩局部冲刷模拟 52
3.4.3群桩局部冲刷模拟 57
3.5本章小结 70
第 4章 桥梁局部冲刷预测公式 72
4.1 概述 72
4.2已有预测公式影响因素 72
4.3基于能量平衡理论的局部冲刷深度计算公式 75
4.4公式验证及比较 80
4.5杭州湾跨海大桥桩基近侧流场分析及冲刷深度预测 83
4.6本章小结 96
第 5章 桥梁局部冲刷安全防护对策分析 97
5.1 概述 97
5.2桥梁局部冲刷安全防护原理 98
5.3桥梁局部冲刷安全防护方案 98
5.4桥梁局部冲刷安全防护三维数值模拟 100
5.4.1防护前后流场对比 101
5.4.2防护前后冲刷坑对比 103
5.5本章小结 106
第 6章 桥梁局部冲刷物模试验和现场监测 107
6.1 概述 107
6.2物模试验 107
6.3现场监测方法 120
6.4现场实时监测系统 127
6.4.1实时监测传感器 127
6.4.2实时监测软件 132
6.5跨海桥梁局部冲刷实时监测系统构件 136
6.6本章小结 147
第 7章 桥梁局部冲刷安全评估 149
7.1 概述 149
7.2 基于 FAHP评价法的冲刷安全评估方法 150
7.3桥梁基础冲刷有限元试验评估模型 152
7.3.1 m法计算桩基土弹簧刚度 153
7.3.2流水荷载计算方法 155
7.3.3 ANSYS试验评估模型建立 156
7.4本章小结 159
第 8章 技术展望 160
参考文献 162
附录 A墩台冲刷计算及基础埋深 168
附录 B墩形系数及墩宽计算表 177
附录 C HEC-18方程计算说明 180免费在线读第 1章 桥梁基础冲刷问题
1.1 概 述
桥梁是公路铁路交通的枢纽，桥梁的健康运营对交通运行安全、人民群众生活、社会经济效益有巨大的促进作用。涉水桥梁桩基础的阻水效应会导致水流与泥沙相互作用发生变化，打破床面原有的泥沙运动平衡，在桥桩周围造成冲淤变化[1-3]。桥桩局部冲刷的发生，不仅影响桥梁所在水域床面的演变趋势，而且威胁桥梁结构本身的安全与稳定 [4]。虽然大部分跨海桥梁建于近十几年，但由于其一般跨度较大，基础所处的海域往往具有水深、浪高、潮大等水动力条件复杂的特点，涉及桥梁基础的局部冲刷相当频繁，冲刷现象更为严重，存在严重的安全隐患。
冲刷是水流在可侵蚀河床上由水动力作用引起的一种自然现象。从过程上看，河床除受自然演变冲刷外，还承受桥梁墩台等水下结构物压缩水流引起的一般冲刷及桥梁墩台阻挡水流产生漩涡系统的局部冲刷共同作用影响，较为复杂。在水流的动力作用中，桥梁冲刷受基础型式、水流特性、河床泥沙运动等多因素影响，目前机理认识还十分有限。特别是处于恶劣海洋环境下的跨海桥梁，因其受复杂的基础型式、洋流、潮汐、波浪等条件的共同作用，冲刷机理研究需要进一步加强。
桥梁基础冲刷问题由来已久，一直困扰着科研人员、工程技术人员及桥梁管理养护部门 [5]。桥梁等水中建筑物的修建导致河流中水流泥沙运动发生改变，因此对江域海域河流泥沙在修建桥梁等建筑物后发生的冲刷演变过程进行准确预测，为管理养护部门提供理论支持显得十分重要。 20世纪 50年代以来，伴随流体动力学和计算机技术的发展，桥梁基础冲刷问题开始在国内外得到广泛关注。人们对冲刷演变过程的研究昀先是通过野外的现场实际勘探和观测开始的，将收集到的实测资料进行综合分析，逐渐形成对冲刷演变规律性的初步认识。为了对冲刷演变过程进行准确预测，不少研究者对水沙运动方程、冲刷演变的基本方程和各类边界条件方程进行了研究，为开展冲刷模拟 数值模拟和实验室实物模拟 提供了理论基础。 1956年，Chabert按照来流是否含沙，将局部冲刷分为清水冲刷和动床冲刷 [6]。1959年，交通部对各省的建成桥梁开展局部冲刷观测研究，得到一定量的冲刷观测数据，为桥梁养护管理部门的决策提供了可靠依据。 1971～1974年，中国铁道科学研究院调查研究了国内 60余座大中桥梁浅基防护状况，全面总结了防护方法的适用范围及优缺点，得出大多数桥梁破坏的原因是洪水等水力条件冲刷引起的桥梁基础埋深降低。 20世纪 80年代，部分学者对桥梁局部冲刷试验开展研究并对实桥观测资料进行总结归纳。美国联邦公路局研究人员对 383个桥梁垮塌事故进行了详细的调查研究，发现大约有一半的桥梁垮塌事故是由桥梁墩台局部冲刷引起的。基于上述分析可以得出桥梁基础冲刷问题具有严重性，无论从社会经济角度还是人民生命安全角度，对其开展研究都显得极其重要。
1.2桥梁基础冲刷事故
国内外每年都会发生桥梁水毁导致的桥梁损坏事故，这些事故轻则影响行车的舒适性，重则造成巨大的经济损失及人员伤亡。 Shirole和 Holt[7]对截至 1991年美国境内已毁的 823座桥梁的毁坏原因及数量进行分析和统计，见表 1-1，被洪水冲刷毁坏的桥梁占毁坏桥梁总数的 59%。1966～2005年，美国交通安全委员会统计的 1502座倒塌桥梁中，58%的桥梁破坏是由桥梁基础结构冲刷病害及相关水力学作用引起的，每年桥梁冲刷破坏造成的经济损失高达 3000万美元[8]。 Wardhana和 Hadipriono[9]对 1989～2000年 500多起桥毁事故的原因进行统计分析，发现有 53%的桥毁事故是由冲刷造成的。 1987～2011年，美国统计有 379座桥梁遭受水毁，见表 1-2，被洪水冲毁的占 52.24%，另有 38.26%的桥梁受损是由于长期冲刷。
从美国报道的情况来看 [10]，宾夕法尼亚州 1985年发生的洪水破坏了 73座桥梁；1987年 4月，大洪水导致的过大局部冲刷损坏了纽约州 Fort Hunter附近跨越斯科哈里 Schoharie溪的快速路大桥 3号墩，桥梁主梁落水， 10人在此次桥梁事故中丧生 图 1-1；1989年，桥墩过大局部冲刷导致田纳西州 51号公路上一座桥梁倒塌， 8人落水死亡；同年， 2人在迈阿密河上的一座因局部冲刷导致多个桥跨垮塌的事故中丧生； 1994年，热带风暴 Alberto引发佐治亚州大洪水，导致 100多座桥梁不同程度损坏；而加利福尼亚州 1995年的一次桥梁水毁事故中有 7人丧生。统计美国 1989～2000年 503座桥梁失效原因，发现有 50%以上的桥梁失效归结为局部冲刷。 2015年 7月，美国西部连接加利福尼亚州与亚历山大州的 10号高速公路上的一座混凝土桥梁，被连续暴雨引起的洪水冲垮 图 1-2。2019年 3月，美国内布拉斯加州哈达尔 13号图 1-3、热那亚 22号高速公路桥梁 图 1-4被洪水冲垮。美国艾奥瓦州克莱顿县米尔维尔镇铁路桥 图 1-5被流冰冲毁。 2019年 9月，美国北卡罗来纳州戴维森县第 406大街红箭路上桥梁 图 1-6被洪水冲垮。美国联邦公路局的调查表明，局部冲刷是桥梁设计和维护需考虑的首要问题之一。
除美国外，其他国家也发生了众多水毁导致的桥梁破坏事件 [10]。例如， 2009年爱尔兰都柏林一铁路桥因局部冲刷而发生倒塌； 2015年英国北约克郡塔德卡斯特沃夫河上一座 18世纪建造的古桥，因连日降雨，桥体被洪水冲垮 图 1-7。据作者不完全统计，仅在 2019年就发生了多起桥毁事件，较为典型的如 2019年 1月，巴西米纳斯吉拉斯州布鲁马迪纽市因溃坝洪水冲刷造成铁路桥倒塌 图 1-8。 2月，波黑萨拉热窝伊利扎桥被洪水冲垮 图 1-9。7月，尼泊尔巴迪巴斯东西高速公路巴溪河 Bhasi River图 1-10和塔哈特的巴格马蒂河 Bagmati River 图 1-11上桥梁被洪水冲垮。 9月，墨西哥蒙特雷北部胡里奥卡米洛街圣马丁河上的混凝土人行桥 图 1-12和蒙克洛瓦的坎德拉公路桥 图 1-13被洪水冲垮；日本三重县三重郡菰野町千草的音羽桥 图 1-14被洪水冲垮。
我国水域众多，现役涉水桥梁超过桥梁总数的 80%，约有 20万座桥梁的服役时间已超过 25年，每年开工建设的桥梁约一万座。基于如此庞大的桥梁总数及较长的服役时间，桥毁事故也屡见不鲜。易仁彦等 [11]收集了 2000～2014年国内发生的 106起运营期间桥梁坍塌事故的相关信息，对事故原因进行系统分析发现，高达 30%是由冲刷造成的。 2000年 8月，台湾省高屏大桥因为过度开采砂石，河床下降，在台风天，基础被暴涨的河水冲刷，大桥发生坍塌破坏，造成 16辆汽车坠入河中， 22人因此受伤。2002年 6月，西安灞河铁路大桥因为河床挖沙，桥墩被水流掏空，被山洪冲垮。 2013年 7月，四川省多地发生洪涝灾害， 19座桥梁发生坍塌，其中大多数坍塌原因与桥梁基础局部冲刷相关。江油市盘江大桥 老青莲大桥因洪水被冲毁，事故造成 3号桥墩因泥沙掏空而发生倾斜，桥梁第三跨和第四跨桥孔因变形过大而发生垮塌，从而引起该桥其他桥孔发生连续垮塌事故。事故造成 6辆汽车坠入河中， 12人现场失踪，得到确认的遇害人员达到 5人。绵竹市汉旺绵远河大桥、兴隆绵远河大桥等也因为洪害的影响，桥梁基础冲刷严重，昀终基础失稳，桥梁垮塌。同年 8月，仅广东省就有 119座桥梁因台风引发的强降雨致使水毁，水毁损失超过 14亿元，给人们的财产及生命安全造成巨大损失，这其中大多是强降雨对基础周围的局部冲刷作用导致桥梁基础埋深过浅，从而引起桥梁毁坏。近些年，国内更是发生了几起严重的桥梁水毁事故，造成巨大的人员伤亡及经济损失。 2004年，四川省成都市成温邛公路三渡水大桥在大水冲击下垮塌图 1-15，桥面塌陷约 70m，新桥旧桥的第三、四、五跨桥面均已垮塌掉入金马河中，专家组现场调研后得出的事故原因为河水冲刷河床，导致河道改变，造成桥墩位移而出现塌陷。 2010年，四川省崇州市怀远镇场镇老定江桥受连夜暴雨影响，洪水不断冲刷，导致桥基悬空，桥面垮塌三孔， 100余米桥身陷入河中 图 1-16。2018年 8月，山东省潍坊市平原大桥因受台风“温比亚”带来的强降雨影响，全长 381m、25孔的大桥被洪水冲垮 图 1-17。2019年 7月，四川省凉山州越西县辖区通往瓦岩乡的大桥被大水冲垮 图 1-18；云南省曲靖市陆良县小百户镇田间交通桥 图 1-19被冲毁。2019年 8月，受大雨影响，北京市怀柔区横跨怀河的中高路西树行桥的多个桥墩被大水掏空，桥面下沉 图 1-20，存在坍塌危险；山东省淄博市淄川区双杨镇杨寨大桥因洪水冲击而导致桥墩发生断裂 图 1-21；受强降雨影响，四川省汶川县境内国道 213线路 K2122+820处高店子大桥处水位暴涨，不堪洪水冲击发生垮塌 图 1-22。宝成铁路线跨石亭江大桥 图 1-23两个桥墩三孔被冲毁；河南省南阳市淅川县金河西滨河路桥梁被冲毁一段 图 1-24。调查结果表明，大桥垮塌的原因均是连日暴雨，山洪不断冲刷，造成桥基悬空，以致桥面垮塌。上述统计结果表明，冲刷已成为造成桥梁病害的重要因素之一 [12]。
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