桥梁与河流的相互影响

桥梁与河流的相互影响

学号：2010301550078 姓名：张海洋学院：土木建筑工程学院专业：土木工程

关键词：桥梁、桥墩破坏、河道、泥沙、影响

随着经济的不断发展，在人类的社会生活中，交通运输愈发的显得重要，桥梁与河道作为交通运输必不可少的两大重要通道。桥梁作为连接河流两岸陆域，占据着跨河流交通不可替代的地位，在对人员、车辆、物资流动方面起着积极的交通功能；河道则起着对大规模物流的水上运输，然而人为的在河道上建起桥梁建筑也对运输和防洪产生许多负面影响，另一方面河水及其所携带的泥沙又有反馈作用，对桥梁建筑产生了或多或少的不利影响。

1.洪水及其泥沙对桥梁建筑的影响

1.1洪水对桥墩的冲刷作用

由于桥梁及其附属建筑的改变原有河道的局部形态，使桥梁所在河道局部变窄，河床由于桥梁建筑的修建开挖有所扰动。当遭遇洪水季节，大量的洪水携带相当量的泥沙以较快的速度自上而下，在桥梁所在处由于河道的突然变窄，过水断面的面积减小，一方面会在距桥址上游一定距离内发生整体横段面的壅水，桥前壅水随来流量的增大而增加，且流量越大，比降越陡，壅水的影响范围就越小；不同的桥型在相同流量下，桥墩阻水面积比越大，水位变化就越大；在壅水的始发部位即临界过渡区，由于水流速的减小一部分泥沙会在重力作用下沉降，而在桥墩部位水流速增大为对桥墩有很大的冲刷作用，同时会在桥墩处形成漩涡对桥墩基础造成很大的冲刷，带走基石，久而久之会使桥墩基础不稳固，有可能使桥墩受力不均或者下沉从而使桥梁桥面板受拉，由于钢筋混凝土抗拉能力小，造成桥面有裂隙甚至开裂断开造成严重危害。因此对于桥梁的维护就显得至关重要，如武汉长江大桥，建成至今有五十多年，每年都需对桥墩的加固，向桥墩周围抛填几百吨的岩石。

与此同时，冲刷所进一步带来的暗流与漩涡所造成会对来往船只造成很大影响，当两船在相距不太大的桥洞相向航行时，两船间的漩涡所产生真空水压小于船两侧的水压，在水压的作用下会使两船相撞，发生巨大灾难。

除此之外，洪水还会对钢筋混凝土的产生气蚀，其原因是当很大的水流流速通过桥墩时，在桥墩表面处会产生真空压使水体有一部分汽化产生气泡与桥墩粗糙面接触时破裂巨大瞬间气压使表面水泥剥落，减弱了桥墩的抗渗性与抗侵蚀性，还会有一部分水体中有害物质进入桥墩与其内部的钢筋反应，从而破坏桥墩。

1.2洪水对过水断面底部河床的冲刷所带来的桥梁整体下沉

由于过水断面处的水流速较大，会对河床进行冲刷，使各个桥墩间出现凹槽，桥墩处沙石向凹槽内下滑及桥墩基础下沙石向两边挤压使桥基整体下沉，一般情况下下沉量很小甚至不易测出，但也可能带来巨大的灾害。

对于天然沙，其能被冲刷的水流流速可由如下沙漠夫公式计算：

式中：d为泥沙粒径；h为水深；U为临界水流流速，单位为m、s、m/s。

当实际水流流速大于此临界水流流速时，就可判断，河床可能被冲刷，当小于此临界水流流速时，就可判断不可能被冲刷，河床在冲刷的过程中，水深随之增加，流速降低，当发展到水流条件不足以使床底泥沙继续起动时，冲刷便会自动停止。

2.桥梁对河道及泥沙的影响

2.1桥梁建筑降低了影响行洪能力

在河道上桥梁建筑处，过水断面面积减小，在洪水季节洪水不能很快的向下游排洪，造成壅水段水面上升，对两岸河滩的浸泡与冲刷，有可能对两岸生态及人们的生活带来不便和影响，尤其是类似于武汉这种在江岸边上的城市，在巨大洪水季节会进一步使水面抬高，洪水进入城市。

2.2桥梁对江河通航与排水排沙能力的影响

近年来，长江上的桥梁与日剧增，仅在湖北境内就有七座较大规模的桥梁，从长江上游到上海入海口的崇明岛有近百座桥梁。每经过一座桥梁都有很大一部分的泥沙被淤积，同时由于桥墩的分隔，通航能力会大大降低。如南京长江大桥由于早期考虑的不周详，桥墩个数太多，每个墩间距减小，因此一些大型百万吨级货轮就无法通上游过，对上游某些大型以轮船运输为主的企业造成严重的经济损失，如严重制约湖北的武钢及武船的发展。因此将来桥梁建筑的发展方向应是两墩斜拉桥或是两墩悬索桥。

对壅水区及桥墩过水断面下游一段内水流流速有一个从小变大再到小的过程，有河水中悬移质泥沙的运动规律大概得出下图所示流态。

水面

λ1Z2λ2λ3

Z1水流及悬移质泥沙Z3

上游壅水区桥墩处桥墩下段下游

v1 v2 v3

过水断面压强： P1 p2p3

桥墩处冲刷及流速分布形象图

由上图我们直接可知：○1在桥墩附近水域可分为三段,分别为：壅水区，桥墩断面流域，桥墩下段。○2在这三段的流速分别为: v1、v2、v3；且v1< v3< v2；压强分别为：P1、P2、P3；且P1< P3< P2；水深分别为：Z1、Z2、Z3；有Z3< Z3

伯努利流体连续性方程：

Q为总流量，V1与V2为两个断面的水流流速，A1、A2为两个断面的过水面积，

○4沙波波长与流速有正相关关系，水深关系我们可以从伯努利能量守恒方程中推出；

伯努利能量守恒方程：=C

由于P1Z3>Z2;由于在桥墩过水断面的流速最大，其所携带泥沙惯性力也就越大，运动的越远即沙波波长也就越长。其实我们也可以从我们看得见得沙漠中沙波类推。

○5对桥墩处形象图中，我们可以看出水流流速的分布情况：中心流速最大，到两边流速越来越小，到底部流速也呈减小流线，因此河床被冲刷而不再是平缓变动，而是一条条凹槽；

因此，由于桥梁建筑的影响在每一个桥梁过水断面处都有一部分水流能量损失和一部分的泥沙淤积导致泄洪排沙能力降低。

2.3 桥梁建筑对河流洲边滩的影响

在河流上兴建桥梁，会使桥址河段的水流泥沙运动发生变化，并引发洪水位抬高、河床冲刷以及阻碍航运等问题，一般情况下，桥墩减少过水面积，会壅高桥址附近的上游水位，减小桥址上游水流流速，引起泥沙淤积；桥墩处的绕流和束水作用又使桥墩周围的河床发生冲刷。当桥址河段内有洲滩存在时，建桥还会使洲滩发生冲淤变化，改变桥址河段的水流泥沙运动，使河床的调整过程趋于复杂化。近年来，在桥梁设计中多采用大跨桥