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实施一个成功的基于风险的，数据驱动的搜索程序

Joe Krolak和Dave Henderson

采用基于风险和数据驱动（风险-数据）的方法将导致公路桥梁FHWA冲刷计划的成功。FHWA对横跨水道的463000座桥梁进行了监督，据估计，60%的桥梁故障都与水力有关。突出的冲刷破坏导致FHWA冲刷计划根据国家桥梁检查标准使用法律授权。FHWA冲刷计划的基础包括冲刷评估和行动计划的制定。桥梁业主的困惑包括优先顺序和这些基本原则的适当努力水平。2011年，FHWA实施了风险数据法，以监督国家桥梁检查计划。针对冲刷，桥梁业主将故障（风险）后果与设施运行特性（数据）进行比较。风险-数据方法优先考虑并将资源应用于对公共安全或重要服务中断构成最大威胁的桥梁。该计划成功的关键是推广以促进进展；全面加强出版物和培训；以及在政策、方案、管理、部署和研究计划中推广风险数据。

联邦公路管理局监督了61万多座公有桥梁，其中约46.3万座跨越水道。监督职责包括管理FHWA的冲刷程序，其进行冲刷评估，解决冲刷关键桥梁，识别未知地基的桥梁，制定冲刷关键和未知的基础桥梁的行动计划（POAS），并针对这些冲刷关键和未知的基础桥梁，选择合理合理的对策。

采用基于风险、数据驱动（风险-数据）的方法，已导致更成功的冲刷计划。这一成功的部分原因是从过去的情况和方法中进行适应性学习，这些情况和方法是美国不同的物理和政治条件以及不同和不同的领域所独有的。本文描述了其中一些情况，提供了有关风险数据概念的信息，并说明了采用这些概念如何改进FHWA冲刷程序的所有组件。

联邦公路管理局桥梁和结构办公室，地址：华盛顿特区东南新泽西大道1200号，邮编：20590。

通讯作者：J.Krolak，joe.Krolak@dot.gov。

交通研究记录：《交通研究委员会期刊》，第2588期，交通研究委员会，华盛顿特区，2016年，第163-171页。内政部：10.3141/2588-18

背景

桥灾难性的失败

1967年12月15日，西维吉尼亚州俄亥俄河上的681米高的银桥，由于断裂关键的眼杆悬吊部件的灾难性故障而垮塌。地震造成46人死亡。美国国家运输安全委员会(NTSB)对事故的调查发现，除了结构性原因外，美国还有其他原因需要“保证强制实施桥梁安全要求hellip;”所有的高速公路美国的桥梁hellip;包括hellip;hellip;制定的联邦适用于所有公路桥的立法”(1，第127-128页)。

国家运输安全委员会的调查认识到，美国在评估桥梁安全性、执行检查和定义桥梁的构成方面缺乏一个统一的方法。桥的主人可以提供任何程度的检查和桥梁安全吗他们希望申请。在某些情况下，这种自由导致了不同国家做法之间的巨大差异，甚至是桥梁之间的差异跨越同一水道。

建立国家桥梁检测项目

结果，国会通过了法案，约翰逊总统签署了法案，要求（FHWA）美国联邦公路局建立全国桥梁检查规划(NBIP)和执行，监督和维护国家桥梁检验标准(NBIS)(2)。

为了遵守规定，FHWA制定了NBIS的规定来确保安全NBIS实现了这一目标通过国家综合标准检验方案。（FHWA）美国联邦公路局主要负责领导检查项目通过保持有效的检验标准和验证遵守国家统计局的规定。国家清算银行还保存着国家清算银行所涵盖的所有桥梁的清单，包括个别桥梁结构清查和鉴定数据，简称全国桥库存。各州提供最新的全国桥梁清单每年的信息。

现在回想起来，关于Scour呢?

最初的NBIS没有解决河流稳定性和冲刷的问题。不同的桥梁所有者可以考虑任何级别的冲刷分析，包括完全忽略任何潜在的冲刷。从长远来看，从2016年的角度来看，这一遗漏似乎值得注意。美国政府早就认识到了潜在的问题有关河溪不稳及河溪对桥梁的冲刷:

bull;1951年，美国公共道路管理局(BPR)(前身)FHWA)强调了考虑桥梁冲刷和河流稳定性的必要性在水利资料通告第2号中，排水的特殊问题(4)。

bull;从1951年开始，BPR开始资助埃米特博士的部分项目劳尔森开创性的桥梁冲刷研究(5-7)。

bull;1962年州际公路系统失败，29 (I-29)南达科他州大苏河上的一座桥揭示了这种冲刷甚至可能对新的主要结构产生不利影响。

bull;1973年的FHWA报告了原因和统计总结据桥梁故障成本估计，美国近60%的桥梁故障与液压相关(包括水流不稳定性)和桥梁冲刷)(8)。

显然，FHWA和交通部门认识到了这一需求冲刷研究。然而，美国的各种自然和政治条件以及各种不同的地区发挥了重要作用不能始终如一地将研究见解应用于桥梁的因素。

作者认为这是可能的，尽管是推测性的原因认识到评估桥梁冲刷会像以前那样困难吗的结果。

bull;估算冲刷方法的不确定性，

bull;建模和分析的技术挑战，

bull;此类分析的费用，以及

bull;许多桥梁需要这样的分析。

（FHWA）美国联邦公路局搜索程序

更多灾难性桥梁故障

1987年4月5日，由天灾引发的纽约I-90 Schoharie Creek大桥坍塌，造成10人死亡，并中断了一条主要的州际公路。正如国家交通安全委员会对该事件的总结，“Schoharie Creek大桥倒塌的可能原因是纽约州高速公路管理局未能在桥墩周围保持足够的抛石，这导致了土壤的严重侵蚀。在铺开的脚底下。造成这次事故的原因是hellip;hellip;NYSTA桥梁检查程序不完善，且不完善由纽约州交通部监管联邦公路管理局hellip;hellip;”(9，第136页)

几乎整整两年之后，在1989年4月1日，横向冲刷迁移导致了哈奇河大桥26米跨度的垮塌，导致8名司机死亡(图1)确定了“北行”崩溃的可能原因美国51号公路大桥的主跨是向北迁移这条河是田纳西运输部的未能评价和纠正”(10，第64页)。

NTSB指出桥梁检查员的工作做得很好并记录了在几个检查周期内的横向迁移不幸的是，在这方面缺乏认识和行动信息导致了这场悲剧。

FHWA响应

FHWA在Schoharie故障后立即启动了响应。1987年4月17日，FHWA命令“每个州都应该”评估桥梁遭受类似破坏的风险在洪水期间，大约有100到500年的回收期或更多。在脆弱的地方，桥梁是否需要评估对于额外的抛石或渠道保护，丁坝，腹股沟或其他河道治理设施，在某些情况下，通过增加桩、板或其他适当的方法加固地基措施”(11，第1页)。

这种反应有两个值得注意的因素。首先，NBIS没有向FHWA提供具体的法律授权来指导冲刷评估。，更别提冲刷或水下检查)(12)。相反，FHWA使用了间接的方法，比如将评估与法规的其他检查相关部分联系起来，并加以标注AASHTO标准中包含的与灾害相关的标准公路桥梁规范(11)。

第二个值得注意的因素是100- and的引入以500年流量事件为手段，确定设计冲刷和检查搜索值。FHWA不知道任何关于scour的研究这表明，这两次洪水事件有可能造成更严重的冲刷形成。而是使用100年和500年的基本原理事件似乎是

bull;国家洪水保险的可用性规划漫滩地图和

bull;超过频率超过最典型的液压桥梁设计标准。

这两个频率的选择是后来才发生的，出乎意料FHWA的Scour项目的后果。

技术咨询和管理授权

1987年5月20日，仍在响应Schoharie的失败，FHWA让埃弗里特·理查森医生开始准备一份技术报告谘询(电讯局长)，为桥梁业主提供有关scour的主体(FHWA，内部义务备忘录)。

与此同时，在1988年对NBIS的更新中，FHWA加强了这一规定，要求水下检查和确认某些桥梁具有“独特或特殊的特征”检查时需特别注意，以确保安全这样的桥梁”(13，第229页)。

1988年9月16日出版的《桥上的冲刷》(ta5140.20)制定了全国冲刷评价方案作为NBIS的一个组成部分(14)。TA 5140.20提供了指导制定、实施和改进以下内容:

bull;新桥梁设计耐冲刷损伤，

bull;评估现有桥梁的冲刷脆弱性，

bull;冲刷对策，和

bull;评估桥梁冲刷的实践状态。

TA5140.20最终成为FHWA的水利工程通告(HEC) 18:冲刷桥梁。FHWA出版了第一版并于2012年出版了第五版(15)。

除TA5140.20外，还有1988年11月18日的FHWA政策备忘录(16)

这一法规的增加，加上TA5140.20，提供了FHWA有更明确的法律授权来处理对水上桥梁的冲刷。他们一起促成了第一个正式的FHWA Scour项目。的项目包括进行冲刷评价，处理冲刷关键桥梁，识别未知基础的桥梁，开发用于冲刷关键和未知基础桥梁的POAs并选择合理、适当的对策桥梁的冲刷是关键的或有未知的基础。

以乐观(或预言)的方式，如11月所观察到的1988年备忘录“因为一项全面发展的冲刷评价计划需要对桥梁检查员进行培训和承诺为该州提供大量的水利、岩土和桥梁资源工程学科，预计将是一个实质性的一段时间，也许几年，在所有的水道桥梁可以完全评估冲刷风险”(16)。

1991年至2007年:事后看来，追逐冲刷数字

将冲刷程序应用于（当时的）485791座水路桥上，结果令人望而生畏。乐观的1991年3月4日，FHWA预计在1992年完成冲刷筛选，并在1996年完成冲刷评价（17）。

事后看来，1991个全国桥梁库存数据收集表明，这一目标可能更具挑战性：对于这485791座桥梁，70387（14%）被指定为未知基础；只有6953（1.4%）被评估；只有758（0.2%）被指定为冲刷临界（17）。

事后看来，冲刷计划可能涉及哪些因素和问题？

桥梁业主的窘境

桥梁业主在有效遵守冲刷计划方面面临的困境是确定适当的优先顺序和努力程度。

最初的冲刷计划时期正好是运输收入缩水、公路投资成本增加和老化基础设施需求相互竞争的时期。这些因素给桥梁业主的可用资源造成了巨大负担。

此外，在冲刷计划的整个历史中，FHW A发布了许多政策、指令和指导公报。州和地方桥梁业主努力将有效的管理策略整合并实施到他们的冲刷计划中。通常情况下，后续沟通是模糊的或不存在的，导致国家之间或桥梁所有者之间对期望的理解和解释不一致。

在某种程度上，这些通信问题是由于缺乏专用资金，使FHW A工作人员能够旅行，并就具体问题和关切事项与各州和桥梁业主会晤。取而代之的是，FHW A试图以其他方式实现这种交流。试图通过电话或备忘录来描述一个复杂的程序是有问题的。

面对复杂的现实

一个结果是未能达到初步的完工估计数。到1996年100%完成的目标没有实现。1997年4月（Schoharie事件后10年），FHW A对冲刷筛选和冲刷评估的现状审查显示，99.4%的水上桥梁已经过筛选，77.2%的桥梁已经过冲刷评估（18）。

即便如此，潜在的令人不安的趋势也开始出现，因为国家公路系统的桥梁评估百分比（82%）明显高于较小的地方公路系统的桥梁评估百分比（73%）。1997年的数据还显示，各州之间的竣工百分比存在差异。

许多来自较小地区的桥梁业主拒绝进行冲刷评估。导致持续阻碍进展的因素包括

bull;项目成本，

bull;不确定的监督责任，

bull;担心FHW A的法律权威，以及对他们到底需要做什么的误解。

研究挑战

尽管FHWA和交通界大力寻求研究途径，但提出全国适用的冲刷估算技术却证明是困难的。

尽管与功能更强大的计算机的可用性和应用不谋而合，但实验工作的优势本质上还是使用了劳森在20世纪50年代（5-7）开创的物理建模技术。计算机仍然不能很容易地模拟冲刷过程中发生的非常复杂的水力和数值情况。

对国家适用性的需要意味着冲刷方程必须以一刀切的方式使用。一个结果是，桥梁业主和工程师开始注意到，估计似乎非常保守。这些观测结果降低了冲刷预测可信度的可信度。在认识到诸如未知基金等领域缺乏研究和评估工具之后，FHW A选择不将这些特定的桥梁包含在任何初始的方案性解决方案中。桥梁所有者可以搁置这些类型的桥梁。

几方面进展良好

尽管存在这些挑战，但在若干领域仍取得了进展。FHW A和国内外的研究人员继续深入了解冲刷机理，改进冲刷形成的估算方法。

NBIS修订版最终将冲刷程序概念添加到法规（19）中。该条例对冲刷和冲刷临界进行了定义：“冲刷。水流对河床或河岸材料的侵蚀；通常被认为局限于桥墩和桥台周围，“冲刷临界桥梁”。具有已被确定为观测和评估条件不稳定的基础元件的桥”（19，第237页）。

这些补充还正式要求检查过程，以确定冲刷严重的桥梁，并制定行动计划，以监测已知和潜在的缺陷，解决关键发现，并根据计划监测冲刷严重的桥梁。（条例中的“监督员”一词成为了一个例子，说明了该计划是如何以及为什么使许多桥梁业主感到困惑的。许多人认为，这个术语的意思是监测或使用仪器作为冲刷反措施的方法。不幸的是，这不是语言的目的；这意味着要确保POA是可行的，并及时实施。）到2003年，国家桥梁清单数据显示，93%的桥梁已经完成了冲刷评估。这一结果比1997年的数字大幅度增加。然而，这仍然意味着27810座桥梁缺乏冲刷评估。93%个不包括86133个基础未知的桥梁。国家桥梁清单报告了26472座冲刷严重的桥梁（20座）

2008年，完成评估的百分比保持在93%，但不知何故，需要评估的桥梁数量上升到约34900座（20座）。尽管对这种波动有合理的解释，但这些数字和统计数字使FHW A的领导层（和其他人）感到困惑，他们原本希望看到积极的进展。这些领导人中的一些人对加强对桥梁业主的监督感到不自在

显然，为了减少数量，冲刷计划已经达到了一个平台，甚至可能失去进展、焦点和可信度。

必须重新集中注意力

2007年8月1日，美国明尼苏达州明尼阿波利

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