桥渡设计19：桥梁水害及成因

桥梁作为跨越江河、湖泊、海洋和其他障碍物的重要基础设施，其在设计和建设过程中需要特别关注水害问题。相关研究表明，水毁已成为桥梁倒塌失效的首要因素，具有显著的突发性、巨大的破坏性以及较高的隐蔽性。1989~2000年期间，美国共有503座桥梁倒塌，其中55%由水文灾害造成。据Cook等人的研究，桥梁倒塌年频率可达1/5000，其中水文因素占比最高。刘亢等人统计了2007年至2015年期间中国倒塌的102座桥梁，发现因水文灾害导致垮塌的桥梁数目占比高达43.1%。随着桥梁水毁事故发生频率的不断增加，桥梁水害问题已逐渐引起国内外诸多学者的关注。

1 桥梁水害及分类

桥梁水害是指由于水力学因素导致的桥梁结构损坏或功能失效，主要包括冲刷、侵蚀、漂流物撞击和洪水冲击等现象。每年洪汛期，桥梁往往因受到过度冲刷而毁坏，河流对桥梁的作用也可能导致桥梁及其附属设施不适合通行甚至出现断道和损毁，如漫水、冲刷导致倾斜或垮塌、栏杆缺失等。

从统计归纳的角度，桥梁水害可以按照不同类别进行归类，以便更系统地分析其成因和影响，进而制定有效的防治对策。本文将从水害结果、水害作用对象以及导致水害的作用类型三个方面对桥梁水害进行分类。

（1） 按水害的结果分类

桥梁水害根据其对桥梁结构和功能的影响，可以分为水毁和水损两大类。

水毁是指桥梁在水害作用下丧失了承载力，甚至直接垮塌（如图1所示）。这种情况通常导致桥梁的完全失效，需进行重建或大规模修复。水毁不仅对交通造成严重影响，还可能导致人员伤亡和重大经济损失。

水损可进一步分为结构性损伤和非结构性损伤。其中结构性损伤包括了桥墩倾斜、拱轴线异常等影响桥梁承载力的损伤。这类损伤可能导致桥梁部分功能丧失，需进行结构加固或部分重建。而非结构性损伤包括栏杆缺失、护坡破损、桥面破损等不直接影响桥梁承载力的损伤。这类损伤主要影响桥梁的正常使用和美观，修复相对简单。

图1 洪水导致桥梁垮塌、桥墩倾斜

（2）按水害的作用对象分类

桥梁水害根据其对作用对象的不同，可以分为对桥墩基础破坏、桥台破坏、上部结构破坏、主河道偏移孔跨等（图2）。

桥墩基础是承载桥梁竖向荷载和水流横向荷载的关键构件，冲刷对其影响尤为显著。冲刷会侵蚀桥墩周围的河床土壤，导致基础部分暴露在水流中（图2a）。从而引起表面混凝土开裂和内部钢筋锈蚀，严重影响桥梁的承载能力。此外，失去土壤支撑的桥墩基础很容易发生倾斜和变形，其承载能力和稳定性也会显著降低。类似于桥墩基础，桥台也可能因冲刷作用导致其基础失去必要的支撑（图2b），增加失稳风险。

对于处在海洋或库区环境中的桥梁以及漫水桥梁，当水位漫过桥面时，其上部结构容易被洪水冲毁。这类水害常表现为桥梁上部结构被冲坏或冲掉（图2c），而桥梁的墩柱依旧保留在原位。

河床具有不稳定性，大洪水可能使主河道中心向一侧摆动，偏离原有的桥孔位置，此时尽管桥梁结构本身并没有破坏，但其通航泄洪的功能已丧失（图2d）。

图2 桥梁水害对不同对象的破坏

图3 洪水导致水害的作用类型

（3）按导致水害的作用类型分类

根据导致水害的作用类型，桥梁水害可以分为洪水动力冲击、冲刷、浮力托举、漫水、磨蚀、桥下淤积和氯离子腐蚀等几种形式（如图3所示）。其中，洪水对桥梁的动力冲击最为直观，水流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。在极端洪水灾害下，河道内水位可能暴涨甚至漫过桥面，洪水对桥梁上部结构产生较大水平推力与竖向浮托力，通常会导致桥梁支座滑动、剪切破坏以及上部结构的整体滑移与倾覆（如图4所示）。

氯离子腐蚀是由海水引起的桥梁病害，表现为混凝土开裂、脱皮、钢筋外露以及钢筋锈蚀。跨海桥梁长期暴露在饱和盐分的海洋空气和海水中，特别是桥梁墩台和基础下部结构，处于深海水的浸泡中，受到多种盐类特别是氯离子的长期作用。这些盐类对工程材料具有严重的腐蚀性，直接影响工程的质量和耐久性。

图4 洪水对桥梁的动力冲击作用

各种水灾分类中，基础冲刷是最常见，也是对桥梁结构的影响和破坏性最大的一种水灾形式。冲刷是水流侵蚀河床、堤岸、桥梁基础周围泥沙及其他物质的过程，受到水深、流向、流速等水文条件与桥墩或基础形式、泥沙特性、气候变迁等环境因素的影响，主要表现为自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷。无论哪种形式冲刷，均会减少桥梁基础埋深，甚至造成扩大基础底部的掏蚀、裸露及脱空，严重降低桥梁结构的安全与稳定性。

1966年至2005年期间，美国统计的1502 座倒塌的桥梁中，有58%的桥梁破坏是由于桥梁基础结构冲刷病害及其相关水力学作用引起的，每年因桥梁冲刷破坏而造成的经济损失高达3000万美元。新西兰科学与工业研究部（DSIR）1990年的一份研究报告指出：1960年至1984年，新西兰境内发生的108 起桥梁破坏事故中，29起是由桥墩冲刷引起的，用于桥墩冲刷修缮的费用占到了桥梁维护费用的70%。中国在2000年~2014年间运营阶段发生的106 起桥梁坍塌事故中，有30%是由于水流冲刷引起的。

水害对桥梁的结构安全和耐久性构成重大威胁，因此在桥梁设计、施工和维修养护过程中，必须充分考虑水害对桥梁的影响，并采取相应的防治措施。

2 桥梁水害成因

桥梁水害的成因主要包括：桥位选取不当、桥孔跨径偏小、基础埋置过浅、导流防护不完善以及桥梁养护不及时等，此外，过度采砂和河道改变也会导致桥梁水害的发生。

（1）桥位选取不当

桥涵位置一般应设在河道顺直、稳定且较窄的河段。然而，一些遭受水害的桥涵位置却选在河湾处或不良桥位河段上。桥位选取不当的原因，可能是由于选线的缘故，或者地形原因找不到更好的位置，亦或者原选位置本位于优良的顺直河段上，但由于河道变迁（如图5所示），形成了不利于通畅排水和输沙的桥涵位置。这种不当选址导致水流与桥涵轴线存在较大的斜交角度，增加了阻水宽度，加大了局部冲刷。

图5 河道变迁现象

（2）桥梁孔径布置不当

桥涵孔径设计要满足泄洪、输沙和通过水流的要求。如果孔径设计过小，排洪与输沙不畅，会导致桥前大量雍水，桥下冲刷加剧（如图6所示）。在含沙量较大的河流上，桥涵孔径可能被泥沙全部淤塞，进一步导致桥涵水害的发生。

图6 孔径偏小导致的桥梁水害

（3）基础埋深不足

桥涵基础的埋置深度由冲刷深度和地基承载力共同确定。当降水量增大，水流速度加快时，冲刷深度会不断增加，导致基础埋深相对降低（如图7所示）。一旦洪水来临，桥梁墩台基础附近的泥沙容易被水流冲刷淘空，从而导致桥梁倾覆。

准确计算桥梁的最大冲刷深度对于确定基础埋置深度至关重要。目前，我国桥梁的冲刷深度确定主要依据规范推荐的计算公式。然而，由于我国地域辽阔，各地区的水文地质条件差异显著，这种多样性对桥梁局部冲刷深度的准确确定提出了挑战。单纯依靠65-1修正式和65-2公式难以全面、准确地反映各地区的实际情况。因此，在桥梁设计中，应结合当地实际水文地质条件，进行详细的现场勘察和实测，综合运用多种方法和技术，确保冲刷深度的准确性，从而保证桥梁设计的安全性和可靠性。

图7 冲刷导致桥梁基础埋深不足

（4）导流防护不完善

桥孔和调治构造物是形成完善排洪系统的重要组成部分，二者缺一不可。目前，大多数桥梁的全部或局部毁坏多归因于缺乏导流设施或导流不善，未能有效配合桥孔形成排洪系统。由于导流、护岸和河床整治不善而毁于泥石流的桥梁则更为常见。因此，需要结合水文、地形和地质等条件，合理布设调治构造物，如导流堤和截水坝等，以确保水流均匀顺畅地通过桥孔，防止桥位附近的河床和河岸发生不利变形，确保桥梁墩台和桥头引道的正常使用。

（5）桥梁养护不及时

由于养护资金有限或费用不足，一些桥梁锥坡和防护工程的轻微损坏（如沉陷、铺砌脱落、涵洞洞口淤塞等）未能及时处理，导致在洪水来临后无法抵抗洪水的侵袭，造成锥坡和防护工程的进一步破坏，最终引起桥涵的局部冲毁。

（6）过度采砂

在河道内大量挖沙采石，会改变河床的天然状态，使河床面下降。洪水来临后，会产生局部跌水或急弯，引起局部河床冲刷，导致水害的发生。典型的桥梁水毁形式包括墩台基础埋深不足。如果桥梁采用的是扩大基础，墩台会被冲毁；如果采用桩基础，则表现为基础裸露。

（7）河道改变

河道改变的原因主要分为河流自身的变化、环境变化和人为作用因素。河流自身的变化表现为崩滩、塌岸等，导致河流主流摆动、河床冲深扩宽等。当河道上游的环境改变时，例如上游流域的森林和植被被砍伐，河流的塑造作用也会随之改变。人为因素对河道的影响主要包括临河修建建筑设施、桥位上游筑坝拦水、桥上下游水利工程改动等，这些变动会改变河流的径流分布，增大水流冲刷能力。典型的桥梁水毁形式包括冲断桥头引道、冲毁桥梁锥坡等调治与防护设施，致使墩台被冲毁。此外，临河建筑设施被冲毁后，大量漂浮物也会对桥梁上部结构造成极大的危害。

桥梁水害类型多样、成因复杂，涉及到设计、施工、维护以及环境变化等多种因素，需要根据实际桥梁的特点采取具体的防治措施。在桥梁勘测设计阶段，应全面了解河流特性并合理规划，采用合理的桥型和桥跨布置跨越河流，尽量避免水害的发生。对于由过度采砂和河道改变导致的桥梁水害，应加强监测与防护，及时制定和演练防洪预案。此外，对于在地震、洪水、泥石流和滑坡等特殊情况下，养护部门应立即进行检查，并根据检查结果提出相应的维修和加固措施。对于受汛期影响较大的桥涵，可建立水害实时监测预警系统进行检测，确保桥梁防洪安全。