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。据研究,桥梁倒塌年频率可达1/5000,其中水文因素占比最高。有人统计了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。
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。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。
(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。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。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,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,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。
(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。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。
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。
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。