澤口平原灌區(qū)橋型選擇探討

鄭先姣，王麗瓊，孫 玲

（1.仙桃市水利水電工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北仙桃 433000；2.福安市住建局，福建福安 355000；3.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北武漢 430074）

1 灌區(qū)特點和存在的問題

澤口灌區(qū)位于湖北省仙桃市和潛江市，屬江漢平原中部，灌區(qū)自然面積為2 437 km2，耕地面積16.688 萬hm2，灌區(qū)人口約187 萬人，為全國大型自流引水灌區(qū)之一。灌區(qū)于1958年冬動工興建，1965年1月竣工投入使用。經(jīng)過40 余年的不斷配套完善，形成現(xiàn)有的灌溉、排澇與防洪三大工程體系，已形成分、支、干渠91 條，渠道總長976 km，主要渠系建筑物865 座，排水溝1 219 km，年引水約10.33 億m3 的規(guī)模。以下為灌區(qū)特點。

（1）中小河流密布，河寬多在50 m 以內(nèi)，以10～30 m 寬為主，水深不超過5 m。

（2）地勢平坦，灌區(qū)北部為漢江，南部為洛江河?？偢汕鼥|西向展布，南干渠近南北向展布。整個項目區(qū)地處江漢平原的中部，具有典型的沖積平原的特征。區(qū)內(nèi)地勢較平坦，總體上西部高東部低，微向東南傾斜，地面高程22～34 m，為長江、漢江的一級階地。

（3）灌區(qū)內(nèi)路網(wǎng)密布，但都為機耕路。由于路寬基本在4 m 以內(nèi)且彎道多，許多道路都是直角相交，未設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑，大型車輛轉(zhuǎn)彎困難，因此，灌區(qū)內(nèi)橋梁預(yù)制吊裝施工難度大。

（4）地質(zhì)條件差。根據(jù)地質(zhì)勘探揭露，區(qū)內(nèi)地層分布穩(wěn)定，典型地層分布從上至下主要為：①人工素填土：黃褐色，稍濕，結(jié)構(gòu)松散，以壤土為主，夾薄層粉砂，層厚3～5 m；②壤土：灰黃色，呈可塑和軟可塑，黏性較強，層厚4～5.5 m。其液限取33.4%～41.8%，塑限21.2%～25.3%，塑性指數(shù)12.2～16.7，壓縮系數(shù) 0 .13～0.4 MPa-1，具有中偏高壓縮性，承載力fak＝90 kPa；③黏土：灰褐色，可塑，層厚4～6 m。其液限取41.5%～45.4%，塑限23.7%～25.9%，塑性指數(shù)17.1～20.5，壓縮系數(shù)0.12～0.37 MPa-1，具有中等壓縮性，fak=110 kPa；④砂壤土：灰色，層厚大于4.80 m。其液限26.3%，塑限16.4%，塑性指數(shù) 9 .9，壓縮系數(shù)0.20 MPa-1，具有中偏低壓縮性，承載力fak=130 kPa。根據(jù)地質(zhì)勘察可知，區(qū)內(nèi)地層從上表往下平均8 m 均為淤泥或高壓縮性壤土。在地表往下15 m 范圍以內(nèi)，難以找到能滿足橋梁結(jié)構(gòu)承載要求的地層結(jié)構(gòu)。

灌區(qū)自建成以來，發(fā)揮了較大的經(jīng)濟效益。由于后期工程投入不足，工程配套不完善，設(shè)施不全及工程老化毀損嚴重，水資源浪費極大，加上水資源供需不平衡等諸多問題，嚴重制約了灌區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。以下為工程存在的主要問題。

（1）渠坡穩(wěn)定性差，存在崩岸和掉坎，嚴重影響工程的運行。

（2）渠道淤積嚴重，引用的漢江水流中攜帶大量的泥砂及渠坡滑崩的泥土，在渠道中沉積抬高了渠道底板，影響渠道灌溉。

（3）橋涵數(shù)量不足，繞行距離遠，影響區(qū)內(nèi)交通；原有橋涵老化，荷載等級低，地質(zhì)差，結(jié)構(gòu)不盡合理，造成危橋越來越多。

（4）渠系建筑物老損嚴重，很多泵站、水閘均運行了40 多年，建筑物變形、裂縫、鋼筋外露等比較普遍。

為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，保障糧食等農(nóng)產(chǎn)品的供給，國家決定對大型灌區(qū)進行續(xù)建配套與節(jié)水技術(shù)改造，充分發(fā)揮灌區(qū)的作用。結(jié)合灌區(qū)改造，為確保區(qū)內(nèi)改造和新建橋梁結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、耐久和便于養(yǎng)護，對地質(zhì)條件差的平原灌區(qū)橋型選擇進行研究，為灌區(qū)橋梁建設(shè)提供參考。

2 現(xiàn)有橋梁型式和病害特點

澤口灌區(qū)現(xiàn)有橋梁約260 余座，橋梁長度大多介于5～60 m，寬度多為5 m 以下。絕大多數(shù)的橋梁是在20 世紀70年代修建的，橋型分布如圖1。

圖1 灌區(qū)橋型結(jié)構(gòu)數(shù)量百分比分布

橋型分布特點有以下3 點。

（1）簡支板（梁）橋：這種結(jié)構(gòu)型式是灌區(qū)內(nèi)橋梁數(shù)量最多的，約占橋梁總數(shù)的75%以上，單孔跨度一般為5～6 m，以整體現(xiàn)澆板為主，沒有支座或部分油毛氈支座。長橋由多孔組成，橋面未設(shè)伸縮縫，跨間橋面斷開，橋頭不設(shè)搭板。下部結(jié)構(gòu)主要為墻式墩，擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深淺。

（2）拱橋：小跨徑的桁架拱和實腹式拱橋占據(jù)灌區(qū)橋梁總數(shù)的20%左右。桁架拱拱片多為圓孔開口整體預(yù)制而成，拱片比較單薄，重量輕，主要是為了節(jié)省材料和便于施工安裝；實腹式拱橋單孔跨徑一般為5 m 左右，拱圈材料以片石和素混凝土為主，施工方式主要采用土牛法建造。下部墩臺主要為實體式橋墩和U 臺，基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)。

（3）小型剛構(gòu)：區(qū)內(nèi)少量橋梁結(jié)合水閘或泵站修建，采用單孔或多孔門式剛構(gòu)，上下部連成一體，整體現(xiàn)澆。

近年來，對區(qū)內(nèi)運營中的橋梁進行全面調(diào)查，所有檢查成果按照現(xiàn)行公路橋梁養(yǎng)護規(guī)范進行分類總結(jié)，下面對上述各類型橋梁的典型病害特點進行歸納。

（1）簡支板橋板體下緣開裂、鋼筋銹蝕和保護層脫落（見圖2）。尤其是整體板，由于各支承不共面，導(dǎo)致板體在荷載作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，強大的扭矩導(dǎo)致許多板體也出現(xiàn)縱向開裂，削弱了上部結(jié)構(gòu)整體性。

（2）橋墩傾斜和沉降（見圖3）。部分橋梁橋墩出現(xiàn)不同程度的傾斜和沉降，嚴重的造成橋面無法滿足正常的交通需求，個別橋梁因此封閉交通。這種病害現(xiàn)象是澤口灌區(qū)橋梁較普遍存在的問題。

圖2 簡支板板體病害

圖3 橋墩臺沉降不均

（3）拱橋橋臺推移、拱圈開裂下?lián)希ㄒ妶D4），個別拱橋還有水平位移過大，導(dǎo)致拱圈片石錯落和嚴重裂縫。

圖4 拱圈病害

上述病害是灌區(qū)橋梁比較明顯的特點，尤其是橋墩傾斜與沉降幾乎成了地質(zhì)條件較差的平原地區(qū)早期修建橋梁的通病。

3 病害原因分析

灌區(qū)內(nèi)橋梁修建年代較久，橋梁種類不多，橋梁的病害具有一致性特點，歸納分析上述病害共同點，其原因可歸結(jié)為以下兩點。

（1）地質(zhì)條件差，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

灌區(qū)為江漢沖積平原，全灌區(qū)地表下12～22 m范圍均為中高壓縮性淤泥或淤泥質(zhì)壤土，河床下8～10 m 內(nèi)地基承載力均未超過100 kPa。除非進行地基處理，否則該地層范圍內(nèi)不宜作為橋梁基礎(chǔ)持力層。不僅因為地基承載力難以滿足要求，土層壓縮所產(chǎn)生的橋梁基礎(chǔ)沉降也非常顯著。灌區(qū)內(nèi)大量橋梁均為跨度較小的板橋或拱橋，且多為水利部門修建，板橋的結(jié)構(gòu)型式如圖5所示。由于灌區(qū)內(nèi)路網(wǎng)均為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和老百姓出行需要的鄉(xiāng)村小路，路窄彎小，吊車無法靠近?？紤]到橋梁施工吊裝困難，橋梁上部結(jié)構(gòu)大多采用跨度小于7.0 m 的整體現(xiàn)澆板，不設(shè)支座；基礎(chǔ)多采用擴大基礎(chǔ)，直接置于沒有經(jīng)過地基處理的土層上，一般基礎(chǔ)頂面埋深僅有0.5～1 m。由于地基承載力弱，且淺層為高壓縮性人工填土或壤土，在水流浸泡和偏心荷載作用下，基礎(chǔ)往往發(fā)生不均勻下沉，造成橋墩傾斜，橋面凹凸不平，甚至引發(fā)橋梁局部或全橋倒塌[1，2]。拱橋病害也多為地基不良，并由于采用埋設(shè)很淺的擴大基礎(chǔ)，導(dǎo)致墩臺下沉、傾斜，致使拱圈開裂、變形，橋面下沉。這些現(xiàn)象是灌區(qū)內(nèi)橋梁普遍性病害。

圖5 灌區(qū)板橋結(jié)構(gòu)布置圖（單位：cm；高程單位：m）

（2）年久失修，養(yǎng)護不到位。

由于灌區(qū)自身的性質(zhì)決定了區(qū)內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)屬于滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的附屬設(shè)施，沒有橋梁養(yǎng)護的專業(yè)人才，資金缺位，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)橋梁事實上處于沒有養(yǎng)護的狀態(tài)。這種現(xiàn)象不僅過去有，將來還可能持續(xù)相當長的一段時間。當橋梁出現(xiàn)病害后，得不到及時維護，病害的逐漸積累導(dǎo)致橋梁失去運營功能，威脅安全。

4 適用橋型選擇

由于澤口灌區(qū)的地質(zhì)、路網(wǎng)及養(yǎng)護特點，結(jié)合現(xiàn)有橋梁的病害類型和原因分析，在即將開始的區(qū)內(nèi)大量橋梁改造中，新建橋梁建設(shè)應(yīng)遵循以下原則。

（1）橋型結(jié)構(gòu)便于實施。由于灌區(qū)內(nèi)橋梁多為中小橋，量大工期緊，因此，橋梁結(jié)構(gòu)種類不宜太多、太復(fù)雜，并考慮到農(nóng)田水利橋梁施工的可能技術(shù)水平，所采用的橋型結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單。受施工條件和吊裝能力的限制，最好采用小跨度簡支板梁或現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）基礎(chǔ)應(yīng)采用小型樁基礎(chǔ)或擴大基礎(chǔ)，但擴大基礎(chǔ)的基底務(wù)必經(jīng)粉噴樁[3（]或樹根樁或其它方式）處理過后方可采納，并確保一定的埋置深度。

（3）便于日常養(yǎng)護，盡量少設(shè)支座和伸縮縫。

根據(jù)上述原則和現(xiàn)狀橋梁病害，經(jīng)比較論證和實際實施證明，以下橋型結(jié)構(gòu)比較適合地質(zhì)條件較差的平原灌區(qū)中小跨度橋梁。

（1）無橋臺斜腿剛架橋

無橋臺斜腿剛架橋是在斜腿剛架橋基礎(chǔ)上增設(shè)邊斜桿并取消與路堤銜接的橋臺而形成的新橋型，應(yīng)用在中小跨度的橋梁中具有許多優(yōu)點[4-6]。由于灌區(qū)內(nèi)部河網(wǎng)密布，河流和水渠寬度均不大，鋼筋混凝土無橋臺斜腿剛架橋一跨即可跨越（見圖6），河渠中間不用設(shè)置橋墩。對于只能季節(jié)性施工（灌溉需要）的區(qū)內(nèi)橋梁，采用在枯水季節(jié)搭設(shè)支架現(xiàn)澆施工非常便利，且不用吊裝。由于無橋臺斜腿剛架橋所受到的不平衡水平推力明顯小于傳統(tǒng)斜腿剛架橋，具有結(jié)構(gòu)合理、受力性能好等諸多優(yōu)點，對于地基不良的平原灌區(qū)橋梁費用經(jīng)濟。該橋型結(jié)構(gòu)全橋不設(shè)支座，中小跨度結(jié)構(gòu)內(nèi)部無需設(shè)置伸縮縫，建成后養(yǎng)護工作量小，甚至長時間無需養(yǎng)護。

圖6 無橋臺斜腿剛架橋

這種橋型結(jié)構(gòu)除了便于施工、結(jié)構(gòu)受力合理外，還具有整體性強，剛度大和經(jīng)濟的優(yōu)點。根據(jù)已經(jīng)實施的漢蔡高速公路9 座跨線天橋優(yōu)化后采用無橋臺斜腿剛架橋的混凝土和鋼材對比（見圖7），材料用量明顯降低，具有顯著的經(jīng)濟性。

圖7 主要材料用量對比

（2）小跨度簡支結(jié)構(gòu)或箱涵

由于地質(zhì)條件差，軟土層深，采用小跨度簡支結(jié)構(gòu)可適應(yīng)基礎(chǔ)在容許范圍內(nèi)的沉降要求，下部基礎(chǔ)建議采用樁基或經(jīng)過地基處理的整板基礎(chǔ)。為克服區(qū)內(nèi)吊裝困難的現(xiàn)實條件，上部宜采用整體現(xiàn)澆板梁，受灌區(qū)橋涵實際施工技術(shù)水平限制，單孔跨度應(yīng)盡量控制在13 m 以內(nèi)，并采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。對于寬度較小的河床，盡量以現(xiàn)澆箱涵為主。

5 結(jié)論

由于灌區(qū)橋梁大多歸水利或土地部門管理，單座橋梁規(guī)模小，但是橋涵數(shù)量多。相比公路或城市橋梁，灌區(qū)橋涵的建設(shè)質(zhì)量往往沒有受到足夠的重視，現(xiàn)有橋梁病害眾多，建設(shè)管理比較薄弱。本文結(jié)合灌區(qū)橋梁改造，在現(xiàn)狀橋梁病害調(diào)查的基礎(chǔ)上，對適合灌區(qū)建設(shè)的橋梁選型開展研究，得出如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)有橋梁墩臺沉降、傾斜乃至橋面系凹凸不平，主要是由于不良的地質(zhì)條件和不太合理的基礎(chǔ)設(shè)計導(dǎo)致的，這種病害對軟土層較深的灌區(qū)橋梁具有普遍性；

（2）灌區(qū)橋梁種類不宜過多，橋梁設(shè)計時應(yīng)盡量采用方便施工、后期維護工作量小的橋型結(jié)構(gòu)；

（3）澤口灌區(qū)的橋梁擴大基礎(chǔ)不宜直接置于未經(jīng)處理的軟土地層上，否則易發(fā)橋墩傾斜。應(yīng)該采用粉噴樁或其它方法進行地基處理，且基礎(chǔ)需要具備一定的埋置深度；

（4）實踐和研究證明，無橋臺斜腿剛架橋和小跨度簡支結(jié)構(gòu)是區(qū)橋梁比較合適的結(jié)構(gòu)型式。

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