高等級公路大中橋空間布設(shè)與抗洪能力的探討

蕭峰

【摘要】隨著自然災(zāi)害的日益頻發(fā)，高等級公路橋梁安全正面臨前所未有的威脅，針對吉林市溫德河大橋在洪災(zāi)中垮塌實際，本文從四個方面提出高等級大中橋設(shè)計要求，使其更能與自然環(huán)境協(xié)調(diào)適應(yīng)，滿足最大抗洪要求，發(fā)揮橋梁通行、度汛方面功能，突出高等級公路橋梁空間優(yōu)化設(shè)計是提升橋梁抗洪能力的關(guān)鍵。

【關(guān)鍵詞】橋梁 自然災(zāi)害 優(yōu)化設(shè)計 和諧統(tǒng)一

通過幾十年的高等級公路建設(shè)，我國高等級公路總里程已達十幾萬公里。長期建設(shè)實踐中，大中橋梁設(shè)計、施工標準已大幅提高，橋梁建設(shè)總體水平取得較大提高。近年，我國多省份發(fā)生洪澇災(zāi)害，不僅給人民生命財產(chǎn)帶來損失，更對大中橋梁帶來嚴峻考驗。更重要的是，在洪災(zāi)中高等級公路大中橋作為交通命脈，起著至關(guān)重要作用，一旦垮塌，對災(zāi)區(qū)救援造成致命影響。根據(jù)在洪災(zāi)中橋梁泄洪實際，就做好高等級公路大中橋優(yōu)化設(shè)計提出幾點建議，望與大家共同探討。

一.選擇適合的橋梁長度及跨徑是提升橋梁泄洪功能的關(guān)鍵

高等級公路橋梁設(shè)計抗洪頻率，由過去50年一遇提升到100年或300年一遇，抗洪等級大幅提高。但隨著氣候異常情況的發(fā)生、自然環(huán)境大幅改變，一些特殊地區(qū)，如山區(qū)、地震等區(qū)域發(fā)生洪水頻率大大提高，使高等級公路橋梁實際抗洪能力大幅降低，部分大中橋梁在洪水中遭到嚴重損毀。因此，選擇適當?shù)臉蛄洪L度是實現(xiàn)橋梁安全度汛的前提，應(yīng)做好如下工作：

⑴橋梁長度選擇是決定橋梁泄洪能力的基礎(chǔ)。高堤岸橋梁要適當增加橋梁長度，防止洪水下泄過程因錐坡基礎(chǔ)深度不足引發(fā)錐坡?lián)p毀，導致導致橋臺坍塌，因此迎水面錐坡要有足夠的基礎(chǔ)深度，整體坡面要滿足沖刷要求，才能確保橋臺整體穩(wěn)定，最終確保整橋穩(wěn)定；對于河漫灘兩側(cè)的低河岸，當最大洪水位高于堤岸并且河道縱向坡度較大、水流較急時，橋臺位置應(yīng)適當外移，避免發(fā)生洪水時河道底部水土流失造成錐坡失穩(wěn)而危及橋臺，特別在施工中應(yīng)減少對原有地形地貌破壞，避免洪水下泄時因過水斷面和水流方向改變而對下游堤岸造成破壞。

⑵跨徑選擇是提高橋梁抗洪能力的關(guān)鍵。跨徑對泄洪能力有很大影響，發(fā)生洪水時，洪水夾大量垃圾、樹木等漂浮物，會對橋墩產(chǎn)生撞擊，如果橋墩跨徑較小，漂浮物會卡在墩柱間，形成阻水屏障，阻止洪水下泄，從而對橋梁產(chǎn)生巨大的橫向推力，如不及時排除，將引起橋墩橫向傾覆，最終導致整橋垮塌。因此，橋梁跨徑要考慮河流流量大小、水流緩急程度、上游地物環(huán)境、河道隨時間變化情況等因素設(shè)置，盡量設(shè)置大跨徑橋梁滿足抗洪要求，提高橋梁整體抗洪能力。

二.橋梁設(shè)計交角對河道泄洪影響極大

橋梁交角是與河水流向相適應(yīng)的設(shè)計，這在高等級公路多排樁大中橋中顯得尤為重要，現(xiàn)代橋梁設(shè)計技術(shù)沒使橋梁設(shè)計完全滿足河水下泄要求，甚至改變了河水流向，降低河水下泄能力，有時更對河道兩側(cè)提岸產(chǎn)生較大沖刷破壞。

⑴橋梁設(shè)計規(guī)范對橋梁交角有嚴格規(guī)定，但實際中，有些橋梁交角設(shè)計并不合理。原因是橋梁交角整數(shù)化設(shè)計，提升了橋梁標準化，但實際情況下河流與道路的交角存在偏差，不可能都是整數(shù)角度。一般這些偏差對正常水流方向沒有明顯影響，但在洪水發(fā)生中產(chǎn)生的影響卻不容忽視，特別是高等級公路大角度斜橋，多個墩柱在同一立面布設(shè)，形成一道和水流方向呈一定角度的迎水墻，湍急洪水沿這道墩柱墻迅速下泄，導致通過該橋墩的洪水整體改變流向，洪災(zāi)過后會發(fā)現(xiàn)橋梁下游附近一側(cè)河岸護堤被沖毀，而另一側(cè)河岸卻完好無損。因此在高等級公路橋梁設(shè)計中，要特別重視橋梁角度與河道水流方向的一致性，保證橋梁交角滿足河道泄洪要求，保證橋梁安全度汛同時，更實現(xiàn)橋梁與河流整體自然和諧。

⑵準確確定河流流向，為橋梁空間布設(shè)提供科學依據(jù)。橋梁設(shè)計時，通常選在枯水期進行實地勘測，此時河流流向，也僅僅是主河道水流方向，由于每條河流自然狀況、河岸坡度等不同，汛期與枯水期水流方向不會完全一致，而且會有很大的偏差，這種偏差的存在有時會成為損毀橋梁的關(guān)鍵。因此，在高等級公路橋梁跨河設(shè)計中，要根據(jù)河流特點及相關(guān)要求，分析在不同流量下河流流向可能的變化情況，進行實地勘察，調(diào)查河流水文，根據(jù)自然環(huán)境特點，對不同季節(jié)水流變化進行觀測，特別是河流主汛期，實地觀測水流流向及變化，采取科學分析方法，以避免受到最大程度沖刷為前提，科學合理地確定橋梁的最終布設(shè)方案。

三 .橋梁基礎(chǔ)深度是橋梁抗洪能力的基礎(chǔ)

高等級橋梁基礎(chǔ)深度由地質(zhì)條件決定外，更注重水流沖刷計算。如果地質(zhì)條件滿足淺基礎(chǔ)承載能力，在設(shè)計時要考慮基礎(chǔ)最大沖刷深度。在考慮沖刷要求同時，對于橋梁環(huán)境及地質(zhì)進行現(xiàn)場勘查，如該段河床地勢較高或地質(zhì)條件存在粉質(zhì)性黏土、圓礫等易于沖刷土質(zhì)，應(yīng)考慮上下游河床的沖刷深度，對橋梁基礎(chǔ)深度進行適度加深，確保橋梁基礎(chǔ)底部滿足沖刷要求。不僅如此，在基礎(chǔ)施工回填過程中以沖刷線以下的基礎(chǔ)外圍基坑部分不得采用淤泥土進行回填，而應(yīng)采用碎石土、黏性土等進行封閉式回填，確保基礎(chǔ)外圍回填穩(wěn)定，具有一定的抗沖刷能力，為橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定的提供保證。淺基礎(chǔ)具有合適的深度及外圍土體夯實穩(wěn)定，是確保基礎(chǔ)長期處于穩(wěn)定狀態(tài)的必要保證，是橋梁在使用年限內(nèi)安全使用的前提。

抗沖刷橋梁最佳基礎(chǔ)形式是樁基礎(chǔ)，大橋、特大橋廣泛采用樁基礎(chǔ)，在抗沖刷方面其可靠性已通過長期實踐檢驗。但在山區(qū)洪水發(fā)生時，由于水流速度較快，水流沖刷力對橋體沖刷而產(chǎn)生較大橫向作用力。常水位的沖刷一般是水流沖刷，水流對橋體產(chǎn)生有限作用力，但當發(fā)生特大洪水或百年一遇洪水時，大量漂流物隨水流撞擊橋墩側(cè)部，甚至發(fā)生堵塞現(xiàn)象而增大水流阻力時，橫向水平推力一旦超過橋梁自身抗橫向傾覆能力時，橋梁會因橫向失穩(wěn)而垮塌。因此對高等級公路部分橋梁，要根據(jù)實際對樁基增加配筋設(shè)計，對迎水面墩柱采取加強鋼板措施，提升其橫向抗撞擊、抗傾覆能力，確保整橋橫向穩(wěn)定，大大提高其抗洪能力。

四.調(diào)治結(jié)構(gòu)物優(yōu)化設(shè)計在橋梁應(yīng)對洪災(zāi)中至關(guān)重要

調(diào)治結(jié)構(gòu)物屬于橋梁附屬工程，在橋梁抗沖刷中起著引導水流，避免橋梁基礎(chǔ)及堤岸遭受水流沖刷，在調(diào)治水流、預(yù)防水毀方面起著重要作用。

除錐坡具有抗洪能力外，調(diào)治結(jié)構(gòu)物是保證洪水順利下泄的基礎(chǔ)，如堤岸設(shè)有防洪沖刷錐坡，應(yīng)在橋臺位置上游設(shè)置如丁壩、導流堤等調(diào)治結(jié)構(gòu)，必要時可延伸至下游，防止河底水土流失。調(diào)治結(jié)構(gòu)物的局部破壞，使河堤暴露在湍急水流中，破壞將勢如破竹，引發(fā)調(diào)治結(jié)構(gòu)物整體破壞，最終導致其失去調(diào)治水流和防護功能。這種狀況一旦發(fā)生，橋臺錐坡及部分墩基礎(chǔ)土體迅速流失，導致橋體局部被毀。因此因地制宜做好調(diào)治結(jié)構(gòu)物設(shè)計，是防止橋梁水毀發(fā)生的至關(guān)因素。

這種要求在高堤岸調(diào)治結(jié)構(gòu)物中更為重要，應(yīng)根據(jù)地勢情況增設(shè)沖刷擋墻，河道及河床底部設(shè)石籠等調(diào)治結(jié)構(gòu)，相輔相成構(gòu)成整體防洪體系，要保證在橋梁上游沿河道方向有足夠的長度，水流過后及時進行檢查和修補，在橋梁使用過程中，做好橋梁調(diào)治結(jié)構(gòu)物的汛期檢查是發(fā)揮其設(shè)計功能，提升其抗洪能力關(guān)鍵。

高等級大中橋梁是道路通行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對特殊地段、特殊環(huán)境下橋梁各部分結(jié)構(gòu)做整體可靠性設(shè)計是提升抗洪能力的關(guān)鍵。計算機技術(shù)在橋梁設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，已實現(xiàn)橋梁多樣性設(shè)計，因此，在大中橋梁空間布設(shè)方面，要充分考慮自然環(huán)境因素，并與自然環(huán)境完美結(jié)合，這不僅是橋梁結(jié)構(gòu)物與自然之間和諧的要求，更是所有高等級橋梁設(shè)計遵循科學、適應(yīng)自然的最高境界。