洪水冲击下，桥梁和堤坝会经历怎样的力学考验？

一、 桥梁面临的力学考验

水流冲击力：

• 直接冲击力： 洪水以高速冲击桥墩、桥台、上部结构（梁、拱、索等）。这种冲击力是动水压力，与流速的平方成正比。流速急剧增加时，冲击力会呈指数级增长。
• 脉动压力/振动： 水流绕过桥墩时，会在其后方形成复杂的漩涡（卡门涡街），导致作用在结构上的力产生周期性波动（脉动压力）。这会引起结构的振动，长期作用可能导致疲劳损伤，极端情况下甚至可能诱发共振（如果振动频率接近结构固有频率），瞬间大幅增加应力导致破坏。

静水压力与浮力：

• 静水压力： 洪水淹没桥梁下部结构（桥墩、桥台）时，水深增加导致静水压力增大，对结构产生侧向推力。
• 浮力： 如果桥梁结构内部有空腔（如箱梁）或基础被淹没，将受到向上的浮力作用，减小其有效重量，可能降低其稳定性（尤其是抗倾覆和抗滑移能力）。

水流冲刷：

• 局部冲刷： 这是桥梁在洪水中破坏的最主要原因之一。高速水流绕过桥墩时，在其前方和两侧产生强烈的下洗流和漩涡，猛烈冲刷桥墩周围的河床泥沙。这会形成深坑（冲刷坑），使桥墩基础暴露、悬空，失去侧向支撑，导致基础承载力严重下降、沉降过大甚至倾覆倒塌。
• 一般冲刷： 洪水期间整个河道过水断面流量剧增，流速加快，导致河床普遍下切。这也会降低桥墩基础埋深，削弱其稳定性。

漂流物撞击：

• 洪水携带大量杂物（树木、房屋碎片、车辆、船只等）。这些漂流物以高速撞击桥梁结构（尤其是桥墩），产生巨大的冲击荷载（集中力）。这种冲击力远超正常设计荷载，极易造成桥墩局部破坏（如混凝土碎裂、钢筋弯曲）、整体移位甚至瞬间摧毁。

水流的拖曳力/摩阻力：

• 水流流经桥梁结构表面时，会产生与水流方向平行的摩擦阻力（表面阻力）和由于结构形状阻碍水流产生的形状阻力（压差阻力）。这些力虽然通常小于冲击力和冲刷影响，但对细长构件（如斜拉索、吊杆）或上部结构的整体稳定性也有贡献。

基础稳定性：

• 洪水带来的冲刷、浮力、侧向冲击力共同作用，严重威胁桥梁基础的稳定性。基础可能因冲刷而失去支撑，因浮力而上拔，因侧向力而滑动或倾覆。

上部结构稳定性：

• 洪水可能直接冲击或淹没上部结构（梁、板、拱肋）。巨大的冲击力可能导致构件断裂或移位。水流对梁体的上托力（如果梁底被淹没）也可能使梁体脱离支座。漂浮物撞击上部结构也可能导致其破坏或移位。

二、 堤坝面临的力学考验

静水压力：

• 这是堤坝承受的最主要荷载。洪水水位升高，作用在坝体迎水面的水压力呈三角形分布（底部最大）。巨大的静水压力推动坝体向下游滑动或倾覆，并可能导致坝体内部产生拉应力（尤其对刚性坝如混凝土坝）或过大变形（对土石坝）。

扬压力/渗透压力：

• 坝基扬压力： 水会渗入坝基岩体或土壤的孔隙、裂隙中，在坝底产生向上的水压力（扬压力）。这会显著减小坝体有效重量，降低其抗滑稳定性。
• 坝体渗透压力： 对于土石坝，洪水水位高、持续时间长时，水会渗入坝体内部。渗流在坝体内产生孔隙水压力，降低了土体的有效应力，从而削弱了土体的抗剪强度。同时，渗流可能在下游坡面或坝脚处逸出，带走细小颗粒，引发管涌或流土，最终导致溃决。

动水压力/波浪冲击：

• 洪水流速快时，对堤坝迎水面的冲击力大于静水压力。风浪拍击坝坡也会产生冲击力，加剧对坝坡（尤其是土石坝的迎水坡）的冲刷和淘蚀。

冲刷与侵蚀：

• 坡脚冲刷： 高速水流沿堤脚流动，猛烈冲刷堤坝基础（地基土石）。如果基础被掏空，堤坝会因失去支撑而滑塌或沉降开裂。这是堤防溃决的常见原因。
• 越顶冲刷： 当洪水位超过堤顶（漫顶）时，水流会冲刷堤坝的背水坡。土石坝的背水坡通常未做抗冲刷防护，水流会迅速冲蚀、切割坝体，短时间内造成溃决。
• 内部侵蚀： 渗流带走坝体或坝基土中的细颗粒，形成内部通道（管涌），逐渐扩大，最终导致坝体结构破坏。

浮力：

• 如果堤坝基础或部分坝体处于饱和状态或被淹没，会受到浮力作用，减小其有效重量，不利于抗滑稳定。

坝体材料的劣化：

• 长期浸泡或干湿循环会使土石坝材料（如粘土心墙）软化、膨胀或收缩，降低其力学性能（抗剪强度、密实度）。对于混凝土坝，水流可能溶蚀混凝土或其中的填充物。

整体稳定性：

• 高水位、强渗透、基础冲刷等因素综合作用，可能导致堤坝沿坝基或坝体内潜在的软弱面发生整体滑动（圆弧滑动、平面滑动）或倾覆失稳。

总结关键区别

• 桥梁： 最致命的威胁是基础冲刷（局部冲刷）和漂流物撞击。水流冲击力和振动也是主要挑战。破坏往往是局部基础失效导致整体倒塌。
• 堤坝： 最大的威胁是静水压力导致的滑动/倾覆、渗透压力导致的内部侵蚀（管涌）和漫顶冲刷。基础冲刷（坡脚冲刷）同样危险。破坏模式通常是整体失稳或内部侵蚀扩大导致溃决。

无论是桥梁还是堤坝，洪水带来的力学作用都是极其复杂且相互耦合的。设计时必须充分考虑这些极端荷载组合，并采取相应的防护措施（如加深基础、设置防冲刷设施、优化排水系统、加固迎水坡/坡脚、控制渗流路径等），才能确保其在特大洪水中的安全。洪水期间对这些结构的实时监测也至关重要，以便及时发现险情并处置。