橋梁作為(wéi)跨越江河、湖泊、海洋(yáng)和其他障礙物(wù)的重要基礎設施,其在設(shè)計和建設過程中(zhōng)需要特(tè)別關(guān)注水害(hài)問題。相關(guān)研究表明,水毀已成為橋梁倒塌失效的首要因素,具有顯著的突發性、巨大的破壞性以(yǐ)及較高的隱蔽性。1989~2000年期間,美(měi)國共有503座橋梁倒塌,其中(zhōng)55%由水文災害造成。據(jù)研究,橋梁倒塌年頻率可達1/5000,其中水文因素占比最高。有人統計了2007年至2015年(nián)期(qī)間中國倒塌的102座橋梁,發現因水文災害導致(zhì)垮塌的橋梁數目占比高達43.1%。隨著橋梁水毀事故發生頻率的不斷增加,橋梁水害問題已逐漸引起國內外諸多學者的關注。
橋梁水害是指由於(yú)水力學因(yīn)素導(dǎo)致的橋梁結構損壞或功能失效,主要包括衝刷(shuā)、侵蝕、漂流(liú)物撞擊和洪水衝擊等現象。每年洪汛期,橋梁往往(wǎng)因受到過(guò)度衝刷而毀壞,河流對橋梁的作用也可能導致橋梁(liáng)及其附屬設施不適合(hé)通行甚至出現斷道和(hé)損毀,如漫(màn)水、衝刷導致傾斜或垮塌(tā)、欄杆缺失等。從統計歸納(nà)的角度,橋梁水害(hài)可以按照不同類別進行歸(guī)類,以便更係統地分析(xī)其成因和影響,進而製定有效的防治對(duì)策。本文將從水害結果、水害作用對象以及導致水害的作用類型三個方麵對橋梁水害進行分(fèn)類。
(1) 按水害(hài)的結果(guǒ)分類
橋梁水害根據其對橋梁結構和功能的(de)影響,可以分為(wéi)水毀和水損兩大(dà)類。水毀是(shì)指橋梁在水害作用下喪失了承載力,甚至直接垮塌。這種情況通常導致橋梁的完全失(shī)效,需進行重(chóng)建或大規模修(xiū)複。水(shuǐ)毀不僅對交(jiāo)通造成嚴重影響,還可能導致人員傷亡和重大經濟損失(shī)。
水損可進一步分為結構性損傷和非結構性損傷。其中結構性損傷包括了橋墩傾斜、拱軸線異常(cháng)等影響橋梁承載力(lì)的損傷。這類損傷可能導致橋梁部分功能喪失,需進(jìn)行結(jié)構加固或(huò)部分重(chóng)建。而非(fēi)結構性損傷包(bāo)括欄杆缺失、護坡破(pò)損、橋麵破損等不直接影響橋梁承載力的損傷。這類損傷(shāng)主要影響橋梁的正常使用和美觀,修複相對簡單。
(2)按水害的作用對象分類
橋(qiáo)梁水(shuǐ)害根據其對作用(yòng)對象的不同,可以分(fèn)為對橋墩基礎(chǔ)破壞、橋台破壞、上部結(jié)構(gòu)破壞、主河道偏移(yí)孔(kǒng)跨等。橋墩基礎是承載橋梁豎向荷載和水流橫向荷載(zǎi)的關鍵構件,衝刷對其影響尤為顯著。衝刷會侵蝕橋墩周圍的河床土壤,導致基礎部分(fèn)暴露在水流中。從而引起(qǐ)表麵混凝土開裂和內部鋼筋鏽蝕,嚴重影響橋梁的承載能力。此外(wài),失去土壤(rǎng)支撐的橋墩基礎很容易發生傾斜和變形,其承載能力和穩定性也(yě)會顯著降低。類似於橋墩基礎,橋台也可能因衝(chōng)刷作用導致其基礎(chǔ)失去必要的支撐,增加失(shī)穩風險。
對於處在海(hǎi)洋或庫區(qū)環境(jìng)中的橋梁以及漫水橋梁,當水位漫過橋麵時(shí),其上部結(jié)構容易被洪水衝毀。這類水害常表現為(wéi)橋梁上部結構被衝壞或衝掉,而橋梁的墩柱依(yī)舊保留在原位。河床具有(yǒu)不穩定性,大洪水可能使主(zhǔ)河道中心向一側擺動,偏離原有的橋孔位置,此時盡(jìn)管橋梁(liáng)結構本身並沒有破壞,但其通航泄洪(hóng)的功能已喪失。
(3)按導致水害的作(zuò)用類型分類
根據導致水害(hài)的作(zuò)用類型(xíng),橋梁水(shuǐ)害可以分為洪水動力衝擊、衝刷、浮力托舉、漫水、磨蝕、橋下淤積和氯離子腐蝕等幾種形式(shì)。其中(zhōng),洪(hóng)水對橋梁的動(dòng)力(lì)衝擊最為直觀,水流(liú)直接從側向(xiàng)對橋梁施加巨大的作用力,使橋梁發生脆性破壞。在極端洪水災害下,河道內水位可能暴漲甚至漫過橋麵(miàn),洪水對橋梁(liáng)上部結構產生較大水平推力與豎向浮托力,通(tōng)常會導致橋(qiáo)梁支(zhī)座滑動、剪切破壞以及上部結構的(de)整(zhěng)體滑移與傾覆。
氯(lǜ)離子(zǐ)腐蝕是(shì)由(yóu)海水引(yǐn)起的橋(qiáo)梁病害(hài),表現為混凝土開裂、脫皮、鋼筋外露以及鋼筋鏽蝕。跨海橋梁長(zhǎng)期暴露在飽和鹽分的(de)海(hǎi)洋(yáng)空氣和海水中,特別是橋梁墩台和基礎下部結構,處於深海水的浸泡中,受到多種鹽類特別是氯離子的長期作用。這些鹽類(lèi)對工程材料具有嚴重的腐蝕性,直接(jiē)影響工程(chéng)的質量和耐久性。
各種水災分類中,基礎衝(chōng)刷是最常見,也是對橋梁結構的影響和破壞性最大的一種水災形式。衝刷是水流侵蝕河床、堤岸、橋梁基礎周圍泥沙及其他物質的過程,受(shòu)到水深、流向(xiàng)、流速等水文條件與橋墩或基(jī)礎(chǔ)形式、泥沙特性、氣候變遷(qiān)等(děng)環境因素的影響,主要表現為自然演(yǎn)變衝刷、一般衝刷和(hé)局部衝刷。無論哪種形式衝刷,均會減少橋梁基礎埋(mái)深,甚至造成擴大基礎底(dǐ)部的掏蝕、裸露及脫空,嚴(yán)重(chóng)降低橋梁結構的安全與穩定性。
1966年至2005年期間,美國統(tǒng)計的1502 座倒塌的橋梁中,有58%的橋梁破壞是由於橋梁基礎結構(gòu)衝刷病害及其相關水力學作用引起(qǐ)的,每年因橋梁衝刷破(pò)壞而造成的經濟損失高達3000萬美元。新西蘭科學與工業研究部(DSIR)1990年的一份研究(jiū)報告指出:1960年至1984年,新西蘭境內發生的108 起橋梁破壞事故中,29起是由橋墩衝刷引起(qǐ)的,用於橋墩衝刷修繕的費用占到了橋梁維護費用的(de)70%。中國(guó)在2000年~2014年間運營階段發(fā)生的106 起橋梁坍塌(tā)事故(gù)中,有30%是由於水流衝(chōng)刷引起(qǐ)的。水害(hài)對(duì)橋梁(liáng)的結構(gòu)安全和耐久性構成重(chóng)大威脅,因此在橋梁設計、施工和維修養護過程(chéng)中,必須充分考慮水害對橋梁的影響,並采取相應的防治措施。