岩石桥梁冲刷分析：分类、方法选择与实际案例研究

《Hydrology》：Bridge Scour Analysis for Rocks: Classification, Method Selection, and Practical Case Studies

　　

尽管已有多种冲刷计算方法，但针对易冲刷岩石的桥梁冲刷分析远不如针对砂土的分析成熟，因为传统冲刷计算方程是通过砂土水槽试验得到的。因此，在易冲刷岩石的桥梁冲刷分析中存在三个主要知识空白：（1）需要建立一套用于冲刷考虑的岩石分类系统，作为常规冲刷分析（涉及取样、可蚀性测试和冲刷计算）前的预筛选流程；（2）缺乏指导岩石冲刷分析的信息，包括详细流程、所需及可用数据、结果解读，尤其是针对实际桥梁场地；（3）现有岩石冲刷计算方法与广泛使用的基于砂土的冲刷深度计算方程之间的详细比较很少。本文提出了一项研究以弥补上述知识空白。首先，针对密歇根州基岩提出了一套岩石分类系统，以示例说明预筛选工具用于岩石初步冲刷易损性判断。然后，针对桥梁常见的两种冲刷模式选择了两种方法：用于岩石冲刷的采石与拔起模式的Erodibility Index Method（可蚀性指数法），以及用于磨蚀模式的NCHRP-717方法。在两个实际桥梁场地开展了案例研究，使用了这些方法以及基于砂土的方程。这些案例研究旨在利用现有项目数据展示实际实施过程，比较不同冲刷分析方法的结果，并识别常见的数据限制和实施挑战。

**研究背景与问题**

桥梁冲刷是导致美国公路桥梁失效的主要原因之一，造成人员伤亡和经济损失（数以百万计美元）。美国联邦公路管理局（FHWA）制定了评估冲刷临界状态桥梁的指南，其中HEC-18（水力工程通告第18号）是主要的桥梁冲刷分析指导文件，其方程（如CSU方程、Froehlich方程等）基于非黏性材料（砂土）开发，在非黏性河床中应用相对成熟。然而，对于黏性土和易冲刷岩石，冲刷过程与砂土显著不同，例如岩石因胶结作用而抗冲刷能力强，冲刷完成所需时间更长。尽管已有部分研究针对岩石冲刷，但存在三个主要知识空白：（1）缺乏用于冲刷考虑的岩石分类系统，作为预筛选工具以避免对非易冲刷岩石进行过度保守设计（如不必要的深基础）；（2）缺乏指导岩石冲刷分析的详细流程、数据需求和结果解读，尤其是针对实际桥梁场地；（3）现有岩石冲刷方法与广泛使用的HEC-18非黏性方程之间缺乏详细比较，导致存在冲刷预测差异和过度保守的基础设计。因此，本研究旨在整合地质特征与工程分析，提出岩石分类框架、结构化方法选择流程，并通过两个代表性案例研究展示实际应用，以提高岩石桥梁冲刷分析的实践可操作性。论文发表在《Hydrology》。

**主要技术方法**

研究人员采用了以下关键方法：基于区域地质特征的岩石分类系统（用于初步冲刷易损性预筛选），Erodibility Index Method（可蚀性指数法，EIM）用于评估采石与拔起模式（quarrying and plucking mode）的岩石冲刷深度，NCHRP-717方法用于评估磨蚀模式（abrasion mode）的时间依赖性岩石冲刷深度，以及敏感性分析以评估参数不确定性。案例研究数据来源于美国密歇根州两个实际桥梁场地（M-43 EB跨越Grand River和US-2与US-41跨越Escanaba River），使用了现有的岩土工程报告、水文数据和USGS流量记录。

**研究结果**

**4.1 概述**
研究人员在两个代表性桥梁场地实施了选定的岩石冲刷计算方法，以展示如何利用典型项目数据进行岩石冲刷分析。案例研究旨在评估：（1）提出的分类框架如何指导方法选择；（2）EIM和NCHRP-717所需的输入参数；（3）岩土工程或水文报告中通常缺失的参数；（4）基于岩石的预测与HEC-18非黏性方程结果的比较。

**4.2 M-43 EB跨越Grand River**
场地位于密歇根州Ionia县，基岩为Saginaw Formation的砂岩、页岩、石灰岩和煤。根据岩石分类系统（表1），砂岩单元属于Tier III（采石与拔起模式），因此选择EIM进行岩石冲刷分析。在Pier #1，砂层厚度为2英尺，覆盖于风化砂岩之上。使用HEC-18非黏性方程计算砂层冲刷深度为2英尺（对于两个设计流量19,400 cfs和26,800 cfs均超过砂层厚度）。使用EIM计算岩石层冲刷深度：对于19,400 cfs设计流量，冲刷在2.1英尺深度停止（其中砂层2英尺，岩石层0.1英尺）；对于26,800 cfs设计流量，冲刷深度达到8.3英尺（砂层2英尺，岩石层6.3英尺）。相比之下，如果仅使用HEC-18非黏性方程，Pier #1的设计冲刷深度会显著更高（如19,400 cfs时为8.5英尺，26,800 cfs时为9.7英尺），表明HEC-18方程可能高估岩石层冲刷深度，导致过度保守的基础设计。

**4.3 敏感性分析**
对EIM的参数（如倾角、倾向、节理间距比等）进行敏感性分析，发现在M-43场地Pier #1岩石层中，这些参数的变化可显著影响冲刷深度计算结果（例如，节理间距比从0.5变为0.1时，冲刷深度从2.1英尺变为8.3英尺）。这表明现场准确获取地质参数至关重要，建议在勘测或岩土工程调查阶段获取此类信息。对于NCHRP-717方法，使用文献中砂岩的GSN值（Geotechnical Scour Number，岩土冲刷数）范围（4.54×10^-6 ft^-1至2.53×10^-5 ft^-1）进行敏感性分析，得出的冲刷深度范围在0.000068 ft至0.00038 ft之间，可忽略不计，但相对变化达81%，表明GSN假设值引入显著不确定性，建议进行改良的干湿耐久性试验（modified slake durability test）以获取设计级参数。

**4.4 未来展望**
研究人员指出，未来工作应与现场验证、冲刷防护措施评估和主动监测相结合，例如结合重复测深调查、水文记录、地质表征和传感监测。

**总结与讨论**

讨论部分强调，EIM和NCHRP-717方法各有局限性：EIM依赖于地质参数的主观判断，NCHRP-717需要场地特定的改良干湿耐久性试验和可靠的流功率历史。敏感性分析显示，参数不确定性可显著影响设计冲刷深度，因此在工程决策中应明确考虑不确定性。研究结论翻译如下：

本研究通过综合、整合和回顾现有桥梁冲刷计算方法，并示例在典型桥梁场地使用最合适的方法，为岩石桥梁冲刷分析的知识体系做出了贡献。为促进实践，提出并实施了针对密歇根州地理区域的岩石分类系统，用于材料预筛选、指导冲刷分析并识别岩石冲刷分析实施中可能遇到的典型问题。得出以下结论：

- 需要针对可蚀性岩石的收缩冲刷和桥台冲刷开展研究，因为相关信息非常有限。
- 提出的岩石分类系统可作为密歇根基岩桥梁的初步筛选步骤，其直接适用性限于所开发的特定地质条件；其他地区应将其视为区域预筛选系统开发的示例，而非可直接使用的分类表。
- 案例研究表明，当不考虑地质阻力时，HEC-18非黏性桥墩方程可能显著高估岩石层冲刷深度，差异取决于地质和水力条件。
- EIM的输入参数（尤其是地质条件观测）至关重要，因为基于假设的计算可能产生很高的冲刷深度，导致不必要的昂贵基础设计。
- EIM可应用于分层地层，但需谨慎为每层和深度区间分配正确的材料属性和流功率计算。
- 使用NCHRP-717时，强烈建议进行改良的干湿耐久性试验，因为敏感性分析显示假设的GSN值会在预测冲刷深度中产生大的相对差异。
- 结果表明，将地质表征和基于侵蚀的方法相结合，可以提供比直接应用传统砂土方程到岩石层更具体且实用的岩石基础评估。但由于缺乏独立现场实测冲刷深度，结果不应被解释为预测准确性的证明。需要进一步开展现场监测、场地特定侵蚀测试和有记录的冲刷测量来验证和完善所提出的流程。该框架为将这些方法整合到工程实践中提供了实用途径，但需进一步努力减少不确定性并改进现场应用的参数估计。