砖石拱桥具有外形美观、材料易得、承载能力较大等优点，千百年来在中国、意大利和法国等国家得到广泛的应用。在中国北方和南方山区，多采用厚墩厚拱应对季节性河流的影响；在江浙等水系密布的东南地区，多采用薄墩薄拱以减轻重量并满足航运需求。此外，为了增加泄洪能力，还有使用矢跨比较小圆弧代替半圆形拱的敞肩圆弧石拱桥。在欧洲，受古罗马时期建筑风格的影响，目前仍有20-50万座砖石拱桥在使用。但随着气候变化导致洪灾频率、强度的加剧和砖石拱桥服役年限的增长，使得砖石拱桥的失效概率增加，造成了重大的人员伤亡和巨大的经济损失。因此，开展砖石拱桥防洪研究具有重要的理论意义和实践指导价值。 砖石拱桥独特的构造使其在洪灾作用下具有独特的受力特点。砖石拱桥通常由桥墩、基础、拱圈以及拱上结构等组成，通过拱圈曲线承受并传递荷载至桥墩和基础，实现荷载的均匀分布，具有优越的抗压性能。砖石拱桥在洪灾作用下的受力特点如下：①高速水流对拱桥上部结构施加的上举力和浮力，会削弱拱桥依赖自身重力来维持稳定的性能。②桥墩和基础因受力面积较大，加剧了对基础的冲刷和侵蚀作用，且拱桥常建立在浅基础或木桩之上，其基础的稳定性在洪灾期间面临严重威胁。③桥墩尺寸较大、拱圈形状凸起，水流携带的漂浮物更容易撞击拱桥或阻塞拱洞。拱洞阻塞会增强水动力的影响，进一步加剧冲刷作用。总之，砖石拱桥在洪灾作用下主要受洪水作用、漂浮物撞击以及基础冲刷等多重因素影响，它们与拱桥结构、服役环境等形成了一个复杂且高度关联的系统，共同决定了砖石拱桥在洪灾时期的安全性。 图1 砖石拱桥构造与示例 为推进砖石拱桥的防洪研究和保护传承，梳理了其发展的主要脉络。首先，收集了近年来砖石拱桥的事故数据，分析了其失效原因及影响因素；其次，从水流作用、漂浮物撞击和基础冲刷三方面，总结了洪灾作用的分析、监测方法和防护措施；最后，展望了今后的发展趋势与挑战。 图2 砖石拱桥洪灾研究综述框架图 本研究针对全球气候变化加剧洪灾威胁与大量砖石拱桥历史文化遗产性能退化的双重困境，旨在系统梳理砖石拱桥在洪灾作用下的失效机理，评估现有分析、监测与防护技术的适用性与局限性，进而为未来融合无损检测、数字孪生、智能监测及低于预防护技术的系统性保护方案指明研究方向，以实现砖石拱桥的防洪研究和保护传承。 首先，收集并分析了近年来砖石拱桥事故数据，统计了桥梁失效的主要原因。图3桥梁失效统计分析表明，水文因素是桥梁失效的主要因素，在所有桥梁中占比达55%，在砖石拱桥中占比达61%。洪灾中砖石拱桥的主要失效原因包括水毁、漂浮物碰撞以及基础冲刷。 图3 桥梁失效统计分析 其次，从水流作用、漂浮物撞击和基础冲刷三个方面，归纳了洪灾作用的分析理论与方法。在水流作用方面，其机理如图4洪水作用机理与示例所示。理论分析主要基于流体力学原理，但现行规范公式未充分考虑砖石拱桥的几何特征；试验研究通常在缩尺比例的水槽中进行，以探讨水动力荷载对砖石拱桥的影响，但受设备和模型限制；数值模拟通常依赖有限元、计算流体动力学等方法，但还面临材料属性差异大与数值仿真有效验证的挑战。 图4 洪水作用机理与示例 在漂浮物撞击方面，其机理如图5漂浮物撞击机理与示例所示。冲击力估算模型包括水力模型、固体碰撞模型、冲击波理论碰撞模型和纯经验模型，但仍缺乏针对砖石拱桥的效应系数；试验研究通过模拟洪水期间漂浮物对砖石拱桥的撞击，探究其冲击力及破坏机理，但对漂浮物形状、尺寸和撞击角度的多样性考虑不足，且未考虑多因素耦合作用；数值模拟能够预测、分析和复现漂浮物碰撞砖石拱桥的运动学行为，但未考虑砖石拱桥的性能退化及其结构特征对阻塞河道的影响。 图5 漂浮物撞击机理与示例 砖石拱桥基础冲刷机理与示例，如图6所示。理论分析主要包括冲刷深度计算和冲刷引起的基础位移计算；试验研究通过模拟洪水期间的高速水流，分析其对河床侵蚀及基础稳定性的影响，但实验模型的缩尺比例和模拟条件与实际工况存在差异，且漂浮物与冲刷的相互作用机制复杂；数值模拟技术能够模拟不同地形和结构设计下流体对基础周围土壤的侵蚀过程，可深入研究冲刷现象，但仍面临未考虑不同冲刷阶段对结构稳定性的影响、对拱桥结构冗余度研究不足等挑战。 图6 基础冲刷机理与示例 接着，总结了砖石拱桥的洪灾监测技术，涵盖水流、漂浮物和基础冲刷三个方面。水流漂浮物监测主要分为接触式与非接触式两种方法（见图7）。接触式方法在洪水期间存在安全隐患且易受环境影响，非接触式方法则在特定天气或地形下精度受限。部分研究应用深度学习技术提升识别精度和效率，但撞击时间极短，传统模型难以满足实时监测需求。 图7 洪灾水力形成与监测 基础冲刷监测分为直接测量河床变化和间接测量结构特征变化两类（图8），前者包括测深杆探测法和浮出装置法等，后者则利用倾斜仪、干涉合成孔径雷达等技术进行推断。 图8 拱桥基础冲刷监测 最后，本文系统梳理了砖石拱桥的防护措施，主要包括加固措施与阻水措施两大类。其中，加固措施可进一步划分为材料增强与结构加固两类。在材料增强方面，一方面延续传统工艺，如掺入糯米浆或碎瓷片以提升砌体的整体性与耐久性；另一方面，亦有研究尝试引入新型复合材料，例如掺加钢纤维等，以改善材料力学性能。结构加固则主要包括竖向与水平方向的加固方法（见图9），但此类措施往往涉及对原有结构的干预，具有一定的破坏性。 阻水措施旨在削弱水流对桥基的冲刷作用，传统做法包括设置分水尖、铺设鹅卵石垫层等；现代技术则多采用在基础外围布设钢筋混凝土护坦、微型桩群等工程手段。尽管上述措施能有效缓解水流冲击，但在实施过程中可能降低桥下净空高度，进而增加漂浮物撞击桥梁的风险，需在使用时综合权衡其利弊。 图9 砖石拱桥常见加固方法 砖石拱桥作为中华民族的历史文化遗产，正面临着性能退化与洪水频发的双重威胁。为加强砖石拱桥的保护传承，学者们针对水流作用、漂浮物碰撞以及基础冲刷等主要破坏因素开展了理论分析、试验研究和数值模拟工作，并发展了对应的监测技术和防护措施。 但仍面临诸多局限性：一是难以准确获取砖石拱桥的真实服役状态，无法全面评估其在复杂环境下的行为特性；二是难以精确模拟真实洪灾情景，尚未充分考虑砖石拱桥独特的结构特性、水文要素及边界条件之间的耦合作用；三是监测技术在实际应用中面临成本高昂、数据采集难度大、更新不及时等问题，限制了对砖石拱桥长期健康状态的动态追踪；四是现有防护措施多注重力学性能的提升，忽略了服役环境对加固效果持久性的影响，部分损伤性加固手段忽略了砖石拱桥的历史文化价值。 0 （1）研发可靠、高效且具有广泛适用性的无损检测方法。该方法应提供：1）结构中的潜在损伤、局部失效风险，评估砖石拱桥当前状态；2）分析需要的关键参数（如弹性模量、极限强度等），为高保真建模分析奠定基础。 （2）推进砖石拱桥数字孪生技术的研发。数字孪生技术的发展需要以无损检测的精细建模为基础，并结合以下关键要素：1）考虑承灾体的服役年限与可能的材料、结构退化及拱圈形状、拱高等结构特性对承灾能力的影响；2）全面分析孕灾环境，评估河床特性、沉积物分布等地质条件，以优化防洪设计；3）评估致灾因子的风险，涵盖洪灾与地震等灾害耦合场景，分析不同灾害组合顺序、强度下砖石拱桥的破坏模式，为制定全面且有效的防灾减灾策略提供理论支撑。综合分析不同区域、年代及类型的砖石拱桥在不同灾害条件下的响应特性，建立高保真数字孪生体，提供全方位、全生命周期的安全保障，实现精准灾害预测与综合风险评估。 （3）促进智能化监测与预警技术的发展。智能监测系统的发展应结合传感器技术和数据分析工具，通过实时采集水文参数和结构响应数据，运用机器学习等方法进行处理和分析。在此基础上，依托数字孪生技术，构建基于分析结果的预警系统，在结构损伤发生前提供可靠的预警信号，从而实现提前干预和风险防控。 （4）设计可逆且遵循最小干预原则的防护措施。针对砖石拱桥易受影响部位制定防护措施，优先采用可拆除或可替换的技术手段，确保对原结构的干扰最小化。这些措施应遵循最小干预原则，实现保护与减灾的双重目标，同时最大限度地保留其历史文化价值。 来源：姜绍飞课题组；如有侵权，请联系删除
