桥涵水文是应用工程水文学的基本原理对桥涵工程开展水文计算与分析的一门科学，在桥涵规划、设计、施工和运营等阶段都具有比较重要的意义。本文主要以2021年桥涵水文相关问题开展了文献回顾与分析，包括设计洪水计算、桥梁防洪评估、通航影响、施工临时结构以及桥梁水毁与维护等。桥梁墩台基础冲刷及防护也是桥涵水文的重要组成部分，这部分内容在桥梁水动力学年度研究进展中进行了回顾。

设计洪水计算一般采用概率统计方法进行，概率模型分布函数选择与参数估计是计算的重要工作。袁超等[1]针对洪水频率计算中常见的广义极值分布模型，全面总结了线性矩、统计特征参数、分布参数、离均系数之间的相互关系。随着重现期增大，广义极值分布与皮尔逊Ⅲ型分布差异变大。Hammond [2]指出采样误差导致依据洪水估算手册（FEH, Flood Estimation Handbook）计算洪水具有不确定性，并基于FEH重采样提出了考虑采样不确定性的洪水流量评估简化方法。Zhao等[3]提出了一种基于机器学习估算全球河网的设计洪水的方法。利用Anderson - Darling检验和贝叶斯马尔科夫链蒙特卡洛法估算全球不同测站的洪水频率曲线，使用k-means模型将不同站点聚类成子群。在每个子群中建立洪水频率回归模型，发现支持向量机回归方法预测效果较好。罗赟等[4]使用Copula函数进行天然湖泊洪水计算，构建了一套已知洪水频率和总入湖洪量情况下，计算各个分区入湖洪水量的方法（如图1所示），有效避免了传统洪水地区分配方法的随机性和不确定性。

气候变化对区域水文循环和旱涝影响较为明显，Bian等[5]结合未来气候情景、水文模型和洪水频率，采用DBS（Daily Bias Correction）统计降尺度法对全球第六阶段气候模式输出结果进行降尺度处理，生成未来逐日气温和降水序列。预测了两种气候模式下新安江的季节性径流量变化，并结合POT（Peaks Over Threshold）法和广义帕累托分布评估了淮河上游流域洪水频率的变化。刘金华等[6]以杨房沟水电站为背景，采用ASD（Automated Statistical Downscaling）降尺度模型模拟未来降水数据，基于贝叶斯模型加权平均法对其进行不确定性分析，应用GAMLSS回归模型对洪水序列进行非一致性洪水频率分析，提高了洪水频率计算精度以及可靠性。Xie等[7]指出水文资料受到气候变化和人类活动影响具有非平稳性，现有的非平稳设计洪水估算方法通常关注流量数据序列的统计非平稳性而忽视了其水力学途径。其利用趋势检验和变点检测实现候选预报因子的初步分析，基于等效可靠度原理开展非平稳洪水频率分析，发展了非定常流动最有可能地区组成( NS- MLRC )方法。该方法解释了汉江流域洪水事件的非平稳空间相关性。

图1 各入湖河道年径流量箱线图[4]

降雨量的增加是造成洪涝灾害的主要原因之一，因而探究地区降雨特性与设计洪水之间的关系十分重要。Farid等[8]为分析不同时段降雨变化趋势对设计洪水的影响，使用泰森多边形法计算出区域降水量。采用Gumbel分布对每个降雨数据序列分析获得任何洪水重现期的设计降雨量，根据SCS-CN和Snyder方法对同一流域内不同时间和地点降雨事件进行合成单位历线分析得到序列流量。将每个序列中的流量与实际流量进行比较，以查看设计流量的变化趋势。Nurhamidah等[9]使用反平方距离法计算某区域缺失降水数据，用平均代数法和泰森多边形法确定平均降雨量，通过创建评级曲线评估缺失降雨数据对设计洪水的影响。Loveridge等[10]研究了由降雨-径流模型的水流量损失和相关不确定性引起的设计洪水估计的变异性。指出Gamma分布和Beta分布适合描述水流量损失，概率分布的数学期望比概率密度函数形式更为重要，并强调了应用蒙特卡洛方法估算无资料集水区设计洪水的必要性。

洪水是危及桥梁运营安全的主要因素之一，我国2007-2015年超过43%的桥梁倒塌事故是由洪水引发的[11]。因此，构建一套科学合理的桥梁防洪评估体系和抗洪裕度计算方法具有重要的应用价值。熊文等[12]建立桥梁—水流—泥沙耦合交互分析流程（如图2所示），得出拱桥在河水冲刷下拱脚与墩顶的相对滑移。以此构建桥梁水毁极限状态下的功能函数，基于响应面法求解出可靠度指标作为桥梁抗洪安全储备的比较量度。王贝[13]建立二维水动力学模型，探究新建斜交桥对河段过流能力的影响。指出上下游桥墩的相互影响使桥前壅水更加明显，会对河道行洪能力、水流流速造成一定影响。另外，斜交桥对河水有挑流作用，更易对河岸产生冲刷。桥梁斜交角度、桥墩截面形式以及孔径布置等都会对其抗洪性能产生较大影响。Zhuang等[14]用MIDAS建立梁网格无缝桥有限元模型，以此来评估桥抗洪性能和斜交角、阻水面积、跨数之间的相关性。随着斜交角和阻水区的增大，支座的横向剪力、墩台顶部位移增大表明斜交角度、阻水区的增大会显著降低无缝桥的抗洪能力。跨数小于4时，支座反力以及桩顶横向位移变化较明显。张璇与王柏生[15]以木拱廊桥为背景，建立有限元模型研究不同洪水频率下桥梁结构的响应，并以此来量化评估防洪能力。结果表明，桥梁杆件内力随着洪水重现期的增大而增大，其中沿水流方向的内力增幅最明显。洪水强度的增加会增大桥体的形变量，当上部结构的变形大于下部结构时桥梁会发生坍塌。超强洪水也会产生较大的上浮力抵消桥体的部分自重，从而减小梁与桥墩之间的临界摩擦力，最终导致支座脱空。

图2 桥梁—水流—泥沙耦合交互分析流程[12]

进行桥梁可行性研究和初步设计时，应着重考虑洪水影响，综合论证，选择出安全、合理、经济、适用的桥梁方案。彭江鸿[16]以某过水路面涵管桥为背景，采用顺势单位线法计算设计洪水，利用道不松公式得出最大壅水高度。结合涵管桥的过流能力，指出当洪水量超过涵管桥的行洪能力时，水壅会淹没上游，影响河边房舍和农田的安全。另外，涵管桥建成后会减小过水面积，致使流速增大，主槽会产生较严重的冲刷效应。李磊等[17]以某泾河管桥为例，考虑上游在建水库对其防洪性能影响。计算表明：（1）水库建成前后对该桥位处设计洪水位影响不大；（2）桥前雍水高度以及雍水长度减小；（3）建成水库对两岸滩地冲刷效果影响较小。

为保证船舶通行和桥梁自身安全，陈建等[19]建立二维水动力数值分析模型，分析某黄河特大桥对通航水流条件的影响。在通航孔净高、航宽、河道水深等均满足通航标准时，桥墩对航道水流存在约束作用产生绕流而引起流速增大。同时，上游河道水流流速、漫滩冲刷效应以及桥位附近水深均有不同程度的改变。孙世泉[20]计算渠江大桥的设计通航水位，比较了通航净空高度和宽度，该桥具有较大跨度不会对船舶通行造成影响。李文艳等[21]计算分析了广东省北江、东江航道桥梁的净空高度，结合一般船型对航道的要求提出新的桥梁净空高度设计建议，并分析了航道设计最高通航水位标准的合理性。郑国诞等[22]基于数值分析模型分析指出，曹娥江建桥桥墩会对水流产生阻挡作用而造成河床淤积，下游流速过快会导致严重的冲刷。上述情况主要发生在桥墩附近，对船舶整体航行没有太大影响。

近年来，随着我国水运事业的发展，船舶撞击已经是危机桥梁安全的重要因素之一。因此，桥梁防船撞研究一直是当今桥梁设计中的热点问题之一。孙大奇等[23]发明了一种名为钢+橡胶阻尼多级消能浮式防撞装置，该装置可以延长船桥碰撞时间、延缓撞击力峰值出现时间。使得桥墩吸收撞击能量更加缓慢，显著降低了船撞力。王鹏等[24]计算未来通航密度下桥梁被撞击的概率和坍塌概率，以此设计桥墩的抗力使得船撞风险低于临界风险，并依据各桥墩撞击速度反推代表船舶吨位得到桥梁的设防标准。刘胜利等[25]调查发现非通航区因设防标准低，桥梁撞击坍塌事故是通航孔的两倍。依据桥墩与通航孔的距离合理划分区段，设计不同区段的孔径和净空高度，可以大幅度降低桥梁船撞倒塌风险。Chen等[26]计了一种新的自适应拦阻船撞装置用于保护非通航水域桥梁不受船舶的影响。该装置利用刚体运动学原理，船舶的撞击能可以被其缆索的变形和断裂所消耗，从而达到保护非通航水域桥梁安全的目的。

桥梁施工中需要用到许多辅助性的水上临时结构，如围堰、栈桥等。设计安全可靠的临时结构对桥梁施工顺利进行显得十分重要。Wang[27]以东江利川大桥施工为背景（图3所示），指出施工平台围堰建成后，需要采用排桩和钢板桩进行支护。两级台阶减小支承结构的水土压力，充分利用了桩身刚性大、适应性强、止水效果好的优点，为基坑内施工提供了安全可靠的工作环境。Zhang等[28]通过MIDAS模拟了松花江特大桥结构施工全过程中各构件在水压荷载作用下的受力情况，并考虑浮力的影响，保证了围堰设计的结构安全性、可靠性和经济合理性。采用“先桩后堰”的施工方案和吊装式钢围堰吊装方案，可有效提高施工进度。王勇等[29]借助长沙铁路跨沅江大桥施工，分析了双壁钢围堰施工的关键技术。研究表明，先桩后堰法施工周期短、受水位影响变化小，使得施工质量更容易控制，适合该桥所处地质环境。另外，在围堰上安装智能化监控系统可以实时监控下沉过程中的姿态和受力情况，保证了下放位置的精确性。

图3 围堰结构示意（单位：m）[27]

栈桥是水上施工建设的重要通道，承担着临时运输机械、人员、材料的重要功能，研究栈桥的在复杂工况下的受力情况和施工关键技术具有重要的意义。Wang等[30]参照串联机械手的建模方法，采用D-H参数法对大型海上栈桥进行动力学建模，计算出海上栈桥的正运动学方程，并采用代数方法求解逆运动学。同时利用蒙特卡洛方法对海上栈桥的工作空间进行了分析，对海上栈桥的运动进行了波浪补偿。为大型海上栈桥的运动学建模、工作空间分析和控制系统设计提供了理论依据。Liu等[31]利用最优线性无偏估计的克里金模型，提出了一种有效的海上钢栈桥可靠性分析模型，评估不同极限状态下钢栈桥承受波浪和海流载荷的能力。并将本文方法与蒙特卡洛方法进行比较。结果表明，基于克里金模型的可靠度分析可以高效地得到海上钢栈桥的可靠度指标，且计算时间较短。

近年来一些地区自然灾害频发，持续的强降雨致了桩基不同程度的外露、桥梁排水设施不同程度的水毁现象，这些情况会引起桥梁下部结构功能的失效。基于此，王磊等[33]采用数理统计方法对山西黄土区174座桥梁桥址水毁的基本特征进行收集分析，发现大部分桥梁因没有健全的排水功能导致桥下产生深坑冲刷、引起桥墩桥台外露，从而使得桥梁下部结构全部或部分功能丧失，危及整桥的运营安全。熊文等[34]通过对500多座桥梁倒塌事例调查（如图4所示），发现冲刷是桥梁水毁的主要原因之一，并且其与河流径流量和桥梁服役状态有很强的关联性。统计分析表明，径流量越大、桥梁服役年限越长，冲刷程度越明显。另一方面，冲刷程度也与桥梁类型有较强的关联性，早期拱桥和桁架桥等冲刷程度较明显，预应力混凝土桥等冲刷效果则较微弱。孔令琨等[35]对山西黄土区桥址地形地貌实地考察，建立有限差分数值计算模型揭示了桥梁桩基水毁外露程度与承载力、回弹效果的关系。结果表明，随着桩基外露长度增大，其承载力变小、回弹效果越明显。

图4 每十年桥梁水毁失效数目统计[34]

如何防止水毁已经成为保证桥梁安全性、耐久性所必须考虑的问题。刘昌智等[36]以黄土区混凝土梁桥为研究对象，发现冬季冻融循环、沥青铺装质量差以及未安装泄水管道是桥梁水毁的主要原因。并提出涂抹防腐保护层、科学铺装作业以及使用PVC材质的泄水管道等防治措施。刘伟等[37]以宜宾中都河大桥为背景，在桥墩桥台冲刷严重、桩基外露的情况下码砌石笼，以增强锥坡稳定性与防止洪水冲刷。在路基处设置挡水墙，修筑桩基托梁形式锥坡、增设桩基加固桥墩等措施。在桥端设置限高架，不允许中、大型车流通过。戈壁荒漠地区以其特有的地形地貌条件成为桥梁水毁多发区域。冯超等[38]借助荒漠区某水毁桥重建工程，指出该区植被稀少、地表多为风化的细小岩石颗粒，水土流失严重而极易形成河床冲刷深坑，导致桥梁水毁。另外，桥梁的修建减小了过水面积，致使桥下水流速度增大，加之地质以砂砾为主，最终导致桥梁桩基外露。基于此，采用加大桥墩截面、在墩柱外侧包裹钢板等措施来提高下部结构的抗冲击能力。

桥梁水毁有极强的隐蔽性与突发性，故追溯其失效机理和模式尤为重要。在以往的仿真中，大多数学者忽略了冲刷和倒塌的耦合性，将两者视为两个独立的过程进行研究，结果难免失真。鉴于此，熊文等[39]提出了一种流固耦合仿真方法，利用LS-Dyna建立全桥模型，采用Fluent模拟包含泥沙运动的复杂流速场，最后使用Python建立冲刷-倒塌跨尺度截面实现两者数据交互。并以拱脚-桥墩界面处接触应力小于或等于0作为桥梁水毁失效指标，揭示了拱桥水毁时的失效模式和机理。张嵘钊等[40]开发细-宏观数据交互接口，该接口将冲刷所致边界条件改变同步传输至桥梁水毁模型进行数据交互计算，可持续高精度实时仿真桥梁冲刷深度作用下水毁全程的倒塌模式与失效机理。Mitoulis等[41]构建了一套浅桩基础和深桩基础桥梁洪灾后的修复模型，以评估和量化洪灾后关键桥梁的修复速度。模拟了修复任务优先级、进度安排以及洪灾后通行能力等内容，为在交通网络修复中有效的分配资源和确定优先级提供参考。

通过总结2021年设计洪水计算、桥梁防洪评估、通航影响、施工临时结构以及桥梁水毁与维修等方面的进展，得出以下主要结论：

（1）概率统计方法是设计洪水计算分析的主流方法，机器学习等方法将逐渐推动设计洪水计算的智能化发展。气候变化、降雨量会对水文循环和旱涝产生非常显著的影响，进而影响到洪水频率的计算。因此，研究气候和降雨量变化背景下的设计洪水较为重要。

（2）构建科学合理的桥梁防洪评估体系仍然是当前桥涵水文研究的重要内容。桥梁的布置形式、桥墩截面形式等都会对其抗洪能力产生重要影响。

（3）桥梁设计必须严格依照通航设计标准以免影响船舶的通航条件而保证桥梁安全。通过安装合适的防撞设施，可以延长船桥碰撞时间，使桥墩更加缓慢的吸收撞击能从而减小撞击力。

（4）围堰和栈桥是桥梁施工中的重要临时设施，充分考虑水土压力和波浪、海流荷载影响，以及选择合理的施工方法和过程能够有效保证施工安全。

（5）冲刷是桥梁水毁的主要原因之一。长时间的冲刷效应会引起桥墩桥台外露和降低桩基承载力，从而导致桥梁下部结构丧失功能，危及整桥运营安全。探究桥梁水毁时的失效模式和机理时，有必要考虑冲刷和倒塌的耦合性。采用细-宏观数据交互接口进行有限元计算数据交互可以实时模拟冲刷所致边界条件的变化。