桥梁冲刷水害整治方案研究_王胜军.pdf

总第195期Abstract:This paper analyzes the history of water damage and the reinforcement measures over the years of Shiting-River ex-pressway bridge,and puts forward three schemes,including the replacement method of pier pile,the new T-shaped rigid frame methodand the demolition and reconstruction method of the upper T-beam.In order to find a safe,fast and efficient reinforcement method,comparisons are made in terms of investment scale,construction risk,construction period and the influence on the original expresswaytraffic during construction.The results show that although the construction risk of the new T-shaped rigid frame method and the demo-lition and reconstruction method of the upper T-beam is lower,the investment scale is larger and the construction period is longer,andhas large influence on the original expressway during construction.The pier pile replacement method makes full use of the original capas a support platform,and the original superstructure remains unchanged as a whole,which can fully save investment,shorten the con-struction period,and have little influence on the original expressway during construction.Therefore,the pier pile replacement methodhas the best comprehensive benefit.Key words：scouring water damage,pier pile replacement,disease control,bridge reinforcement,regulation effect文章编号：1005-0574-（2023）03-0039-05DOI:10.19332/ki.1005-0574.2023.03.009桥梁冲刷水害整治方案研究王胜军1，杨红梅2（1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都610041；2.四川省西南大地集团有限公司，四川成都610032）摘要：文章分析了高速公路石亭江大桥的水害历史和历年加固措施，为找到安全、快速、高效的加固方法，提出了墩桩置换法、新建T型刚构法及上部T梁拆除重拼法等三种方案，并从投资规模、施工风险、工期、施工期间对原高速公路保通影响等方面进行了比选。结果表明：新建T型刚构法及上部T梁拆除重拼法施工风险较低，但投资规模较大，工期较长，施工期间对原高速公路保通影响大；采用墩桩置换法充分利用原有承台作为支撑平台，原上部结构整体维持不变，能充分节约投资，缩短工期，施工期间对原高速公路保通影响小。因此，采用墩桩置换法方案综合效益最好。关键词：冲刷水害；墩桩置换；病害整治；桥梁加固；整治效果中图分类号：U448.13文献标识码：A1引言桥梁冲刷水害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1。冲刷是水流侵蚀河床、堤岸以及桥梁基础等构筑物周围泥沙及其他物质的过程，并受到水深、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等多方面影响，主要表现为自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷2。无论哪种形式的冲刷均会减少桥梁基础埋深，甚至造成基础的掏蚀、裸露及脱空，严重降低桥梁结构的安全与稳定性。桥梁水毁事故发生频率日益增多，造成众多人员伤亡以及巨大经济损失，已逐渐引起诸多学者的关注，相关研究为桥梁设计与运维提供了多方面的理论支撑与实践指导。鉴于冲刷防护措施的重要性，国内外学者对桥梁墩台基础冲刷防护措施做了大量的研究。向琪芪等3总结了桥梁冲刷水害防护措施，其中主动防护措施有护圈防护、环翼式桥墩、桥墩开缝防护、墩前牺牲桩防护等；被动防护措施有抛石防护、扩大基础防护、混凝土铠甲防护等。陈树礼等4，5的研究表明，山区中小跨径铁路桥梁冲刷病害整治措施有墩台基础加固、新建大跨桥梁、增设导流堤等，但修建大跨桥梁采用箱型截面，梁高受到线路标高和桥下净空限制。孙东坡等6对下游设防护坝的桥梁冲刷进行了研究，发现在下游河床设置防护坝抬高桥下河床，只适合特定的水文地质条件。桥梁墩台冲刷加固处理技术已经较为成熟7，但桥梁墩台二次加固处理方案鲜有研究，本文拟通过这一特殊工况下的桥梁墩台冲刷加固处理，提出一种合理的技术方案，以期为类似二次加固工程提供借鉴。作者简介：王胜军（1976-），男，福建龙岩人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：桥梁设计。内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia39内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期2工程概述石亭江大桥为跨越石亭江及地方公路而设，全桥采用29 m30 m预应力混凝土简支T梁，全桥长878.1 m，其中河堤内共12跨。桥梁下部采用钢筋混凝土双柱式桥墩，钻孔摩擦桩基础，按左、右幅桥分幅设计。桥位处地层为第四系全新统冲洪积卵石层，以中密密实为主，卵石土层厚度大于130 m。桥址上游约60 m为成兰铁路石亭江大桥，桥址下游约1.3 km为省道S107石亭江1号桥。石亭江位于龙门山山区进入平原的冲积扇，经过长期的地质年代，河流动力与河床形成了脆弱的冲淤平衡状态，河床上部粗砾地层起到保护下部细砾及砂砾地层的作用。“5 12”汶川地震导致河道上游抬升，比降增加，流速加大，河流下蚀作用加剧；同时由于灾后重建需要大量的砂石材料，该河出现无序开采现象，中游采集中粗砂和砼用粗骨料（卵砾石），形成大坑、深槽，破坏了河床的糙率，人为增大了河床比降，导致水流紊乱，冲刷加剧；“5 12”地震后，石亭江上游河段多次爆发了大型泥石流，上游河段淤塞严重，河道内大量泥石流物质中分散着大量粒径小于0.1 mm的粘性颗粒，对水流的粘性产生显著的影响，大大减小了粗颗粒沉沙的沉速，使其具有较大的挟沙能力，这种高含沙流体具有很强的冲刷能力。这些因素导致了河流动力作用加大，冲淤平衡破坏，河道处于继续下切的不稳定状态。2.1石亭江大桥水害及加固历史石亭江大桥于2011年建成，2013年7月2日至7月9日桥址所在地域遭遇强降雨（其中7月9日凌晨五点石亭江洪峰流量达到2710 m3/s），造成石亭江大桥部分桩基在冲刷作用下受损，石亭江大桥河床已累计下切冲刷14 m左右，给桥梁自身及运营均带来了极大的安全隐患，桥梁桩基已不能满足设计承载力要求。桥址处冲刷情况如图1所示。为此，2013年8月至2014年5月对受损桥墩桩基进行了外包“船”型承台接群桩的加固处理。“船”型承台接群桩的加固处理方案如图2所示。为减小阻水，承台采用迎水面尺寸相对较小的“船”型承台，承台厚度3.5 m，左、右幅承台在桥梁中心线处设2 cm的断缝。桩基设计采用半幅桥新增3根直径180 cm的桩基，桩基长度40 m43 m，桩基按钻孔摩擦桩设计。为防止河床再次下切后，河道内卵石对桩基的撞击和摩蚀，桩基顶部外设高度为8 m11 m的钢套筒，钢套筒采用壁厚为12 mm的耐候钢。原外露桩基部分变为桥墩，但需采取整治措施：位于主河槽内的6号9号桥墩桩基在河床下切后原桩基受损严重，部分主钢筋已外露，为满足受力要求，保护原桩基，必须对其进行外包加固处理，外包环外径2.5 m，高于承台以上3.0 m；对于河床内其他桥墩桩基，为避免河床再次下切外露，也将承台顶至墩系梁以下部分桩基进行外包处理，外包环外径同6号9号桥墩。鉴于加固后承台无法完全埋入现有河床以下的特殊情况，为减小承台对行洪的影响，同时避免河床再次下切等问题，2013年抢险会议特别提出应采取桥梁永久加固与河道整治相结合的综合处置方式，并建议在河道下游位置设置堤坝，堤坝顶标高应高于承台顶1 m以上，并对上游河道进行适当回填整平，将承台顶埋入整治后河床面以下，以减小承台对行洪的影响，避免河床继续被冲刷下切，达到保证桥梁安全的目的。2.2石亭江大桥再次水害受损情况由于2013年抢险会议要求的河道综合处置工程涉及交通部门以外的其他部门（高速公路、地方道路、铁路、水利、环保等），牵涉面广，至今未实施。而其上游邻近的成兰铁路桥处置加大了承台，洪期桥位洪水流态紊乱，桥位河床被冲宽、冲深的趋势难以避免。特别图12013年冲刷水害导致桥墩桩基露出水面图2外包“船”型承台接群桩的加固处理立面、平面示意图40总第195期受2020年8月11日至8月16日暴雨袭击，石亭江大桥7号10号桥墩河床再次下切，根据现场调查，10号墩桩基裸露 9 m，9 号墩桩基裸露 7.2 m，8 号墩桩基裸露6.65 m，7号墩桩基裸露2 m，6号墩桩基裸露0.5 m，其余桩基均未裸露。其中10号墩2013年处置后桥下最深处累计冲刷约10 m，大桥存在安全隐患与风险。桥址处冲刷情况如图3所示。3水害整治方案的选择3.1设计思路为确保高速公路运营安全，采取预防性处置措施，对石亭江大桥基础进行专项处置设计。结合桥位处的河床地形、水文、地质、工程造价及桥上保通情况等诸多因素进行综合考虑，本次对三种方案进行比选，方案一为采用上部维持不变，墩桩置换法；方案二为上下部均拆除，新建T型刚构法；方案三为上部T梁拆除重拼，下部完全拆除新建法。3.2整治方案3.2.1方案一（如图4所示，施工步骤如下）在原承台上搭设钢排架支承原桥T梁及盖梁；盖梁以下1.5 m范围砼保留，其余原墩柱砼拆除。在原承台上，先以桩中心为圆心标出直径2.6 m圆周，选取圆周中一点，用地质钻机钻透3.5 m厚的原承台，而后用链锯沿直径2.6 m圆周切割。切割完毕的直径2.6 m、厚3.5 m承台砼块移至桥下绵阳岸坡脚处堆置，起减缓绵阳岸坡脚冲刷作用。下放钢套筒，钻孔施工，钢套筒跟进至设计标高，钻孔至设计标高后成孔。灌注桩基砼，施工墩柱及系梁，施工墩柱接头部分。墩柱砼养护7 d且砼强度达设计强度80时才能拆除钢排架支承体系，恢复左右幅正常通行。用链锯切割原承台砼及出露河床面原桩基，并将砼块移至桥下绵阳岸坡脚处堆置，起到减缓绵阳岸坡脚冲刷作用。3.2.2方案二（如图5所示，施工步骤如下）左半幅施工右半幅通行，拆除左半幅7号10号桥墩范围上下部结构。用链锯切割左幅原承台砼及出露河床面原桩基，将砼块移至桥下绵阳岸坡脚处堆置，起到减缓绵阳岸坡脚冲刷作用。顺序施工T型刚构的桩基、承台、墩柱。施工T型刚构0号块。挂篮悬臂浇筑T型刚构其余节段。施工防撞护栏、铺装等附属结构。左半幅通行右半幅施工，施工过程同左半幅。3.2.3方案三（如图6所示，施工步骤如下）左半幅施工右半幅通行，切除原桥左幅第七第十一孔T梁防撞护栏。上部