橋梁水毀的病害研究及結(jié)構(gòu)修復(fù)設(shè)計

徐艷生

（忻保高速公路建設(shè)管理處，山西 忻州 034015）

橋梁設(shè)計以橋跨區(qū)域的歷史水文、水位資料作為結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計的必要依據(jù)。然而，橋梁服役期所需面對的洪水等級和頻率則是難以精確預(yù)測的。若橋梁遇到超出其設(shè)計洪水位時，橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠度往往難以得到保證。大量的橋梁水毀事故分析表明：橋孔過小，排洪輸沙能力不足，則極易造成橋前迎水面嚴重壅水，橋下覆土受到重沖刷，橋臺、橋墩、橋頭引道在水流的作用下被沖毀[1]。同時，汛期河內(nèi)漂浮物增多，容易堵塞橋孔，由此造成橋梁上游壅水過高，對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的推力和浮力[2]，甚至出現(xiàn)局部跌水、洄流、急彎，從而導(dǎo)致橋梁被激流的洪水推倒或沖走[3]。

1 橋梁水毀案例

根據(jù)山西省氣象臺報告，2014年9月中旬，山西省出現(xiàn)大范圍陰雨天氣，僅10—16日降水量為9～163.5 mm，路線穿越的山區(qū)雨量24 h內(nèi)最大降雨量超過200 mm[4]。數(shù)次集中強降雨最終導(dǎo)致洪水等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，多橋梁受到不同程度的地質(zhì)災(zāi)害影響，部分原有橋跨構(gòu)造物甚至發(fā)生毀滅性的破壞。洪水過后橋位河床向下沖切，原有河道拓寬,本次洪災(zāi)中受損的橋梁及其病害特征于表1中列出。

表1 受洪水影響的橋梁主要特征及病害一覽表

2 水毀成因分析

對本次調(diào)查的因汛期水毀而失去承載能力的橋梁進行事故分析，其水毀成因主要有設(shè)計因素、水利設(shè)施影響、河道不暢、次生災(zāi)害等方面的影響。

2.1 設(shè)計因素

由于橋位選擇與橋跨型式的選擇是由路線的走向所決定的，設(shè)計人員并未深入校核橋位所在區(qū)域河流性質(zhì)、河谷演變及地質(zhì)狀況等方面的綜合利害因素，以致選擇了不當?shù)臉蛭换驑蛐筒贾谩Ｒ嗷蚴鞘墚敃r的技術(shù)和資金限制，無法做到合適橋位和完善的防護等，使得橋位未能具備較小的阻水寬度，受局部沖刷發(fā)生水毀未能得到避免。

2.2 河道不暢

部分河道由于多年盜采盜挖河道砂石料，不僅導(dǎo)致河道極為凌亂，洪水行進不暢，河道壅水抬高[5]；而且河床遭到大量取沙而形成的溯源沖刷，逐步發(fā)展至橋跨斷面，從而影響橋渡建筑物的安全，造成重大損失。此外，事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，沿線跨越的部分小型河道由于河道常年未經(jīng)修整，河道淤塞導(dǎo)致泄水不暢。洪水發(fā)生時水位被迫抬高，造成的橋梁水毀也十分嚴重。

2.3 次生災(zāi)害

對于地形險要、地質(zhì)條件較差的河谷沖溝，汛期強降雨則極易導(dǎo)致因水石流或泥石流而引起的次生災(zāi)害。由于水毀發(fā)生的部分地區(qū)河谷沖溝較深，地勢陡而急，橋跨兩岸溝床縱坡大。同時，調(diào)查發(fā)現(xiàn)谷內(nèi)巖體風(fēng)化嚴重，表層巖體節(jié)理發(fā)育，對泥石流、水石流的發(fā)展，提供了豐富的碎石等攜裹物的來源。而當水石流經(jīng)過橋跨斷面時，流體中所攜裹的塊石與漂浮物等，高動能的塊石與漂浮物不僅僅會對橋梁具有沖擊效應(yīng)，塊石的存在還會加劇橋跨斷面的泄水難度，流水阻力增大導(dǎo)致塊石堆積，從而引發(fā)河道淤塞，對橋梁等構(gòu)造物造成損毀。

此外，附近居民證實，橋梁水毀前迎水一側(cè)沉積有較多的漂浮物導(dǎo)致橋孔發(fā)生堵塞，由此造成橋梁上游壅水過高，對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的推力和浮力，從而導(dǎo)致橋梁被激流的洪水推倒或沖走。

3 橋梁水毀病害

根據(jù)施工圖等設(shè)計相關(guān)文件，橋址處最大設(shè)計匯水面積約為3 800 km2，Q2%=3 270 m3/s。當洪水通過時，原設(shè)計橋跨結(jié)構(gòu)物設(shè)置有多孔圓管并置的過水斷面遇到特大洪水時，早已失去泄水作用，反而由于阻水效用明顯導(dǎo)致壅水過高，造成了更大規(guī)模的損壞；同時，山區(qū)原有河道中盜采盜挖砂石料十分嚴重，河道常年未經(jīng)修整，洪水通過河道時行進不暢，增大了河床沖刷。通過對泄洪后道路沿線的橋梁進行結(jié)構(gòu)完整性調(diào)查和測試，對于橋梁的水毀病害可歸納為5種類型的病害。

3.1 河道塊石、雜物等漂浮物堆積

由于橋梁在河道處的阻水效應(yīng)，使得泥石流、水石流經(jīng)過橋跨斷面時，高動能的塊石與漂浮物會對橋墩具有不利的橫橋向沖擊效應(yīng)。而當流體流速降低時，水流所能攜裹塊石等其他物體的能力下降。塊石與漂浮物等在橋梁斷面處大量沉積。

塊石和漂浮物的堆積導(dǎo)致河道過水能力進一步減弱，使得橋跨斷面的泄水難度增大。當漂浮物在橋孔處堵塞時，會抬高壅水高度的同時，流水對漂浮物的壓力與浮力作用直接作用在橋跨兩側(cè)，形成上部結(jié)構(gòu)的不利荷載效應(yīng)。故此，橋梁的抗洪能力無法滿足要求而造成損毀[6]。

3.2 橋頭錐形護坡水毀

設(shè)有導(dǎo)流堤的橋頭錐坡在洪水通過時有較好的導(dǎo)流作用，而上游未設(shè)置有導(dǎo)流堤的橋頭錐坡出現(xiàn)剝離和沖毀，嚴重影響到橋頭道路的穩(wěn)定[7]。

3.3 淺基發(fā)生沉陷或倒塌

河床遭到大量取沙而形成的溯源沖刷并發(fā)展至橋跨斷面，洪水通過加劇了沖刷深度，淺埋基礎(chǔ)造成重大損失。

3.4 拱橋圬工填料被激流沖散

由于漂浮物堵塞泄水通道，激流直接作用在拱頂填料上，導(dǎo)致圬工填料在激流的作用下被沖散。雖然，拱軸線未被破壞，但不平衡的拱上填料難以保證受洪水影響后拱橋的安全和穩(wěn)定性。

3.5 主梁移位、掉落

由于漂浮物堵塞泄水通道，流水的沖擊效應(yīng)和浮力直接作用在主梁上，對主梁形成上浮的作用效應(yīng)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，數(shù)片主梁在洪水的作用下發(fā)生移位。位于河口沖積扇處的一聯(lián)左幅3×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁被沖走，箱梁于下游300余米處發(fā)現(xiàn)。

3.6 橋梁附屬構(gòu)造物受影響

通過對全線受洪水影響的40余座橋梁的附屬設(shè)施調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當最高洪水位漫過主梁頂面時對應(yīng)的橋梁支座、伸縮縫、排水管均填塞有較多的淤泥及河內(nèi)漂浮物。嚴重影響到了附屬構(gòu)造物的工作性能，橋梁的正常使用受到影響。

綜合沿線橋梁的病害分析，繪制橋梁水損的病害層級圖，如圖1中所示。

圖1 橋梁水損病害層級圖

4 橋梁水毀恢復(fù)設(shè)計原則

參考山區(qū)公路橋涵的泥石流、洪澇等地質(zhì)災(zāi)害中若干研究，探討在橋梁受水毀后的結(jié)構(gòu)恢復(fù)設(shè)計原則，總結(jié)得出如下幾條：

a）對于拆除重建、重新規(guī)劃路線等的水毀結(jié)構(gòu)，直接進行水毀恢復(fù)設(shè)計的橋梁，在“安全、適用、經(jīng)濟、美觀、便于施工及后期養(yǎng)護”的設(shè)計原則上，需重新審核抗洪指標、抗沖刷性能與水庫（壩）潰壩后引發(fā)的流量增量允許值等。對于設(shè)計洪水位，需計入當次洪澇災(zāi)害記錄所得的最高洪水位，還應(yīng)綜合考慮服役期內(nèi)洪澇災(zāi)害的預(yù)期判估。此外，結(jié)構(gòu)恢復(fù)設(shè)計要依據(jù)現(xiàn)有的水毀病害調(diào)查報告及水毀成因進行結(jié)構(gòu)抗洪能力預(yù)加固。對新規(guī)劃路線和橋梁方案，繼續(xù)選擇原有跨線方案的，應(yīng)綜合考慮河道被拓寬后的橋頭地基土的穩(wěn)定性。新的橋梁方案力爭不留疑點，不留缺陷。

b）對于可繼續(xù)使用的橋梁，以檢測及加固為主，對水漫橋梁所可能發(fā)生病害進行仔細的檢測和加固。對附屬構(gòu)造物中的淤泥與河內(nèi)漂浮物進行仔細清理。發(fā)生橋梁移位、落梁等病害的，糾正橋梁位置前，需檢查支座、伸縮縫等能否繼續(xù)工作。確認損壞的，需更換后再投入使用。同時，應(yīng)重新審核抗洪指標、抗沖刷性能與水庫（壩）潰壩后引發(fā)的流量增量允許值等，不達標的通過拆除重建或者抬高橋梁標高等方式，以保證橋梁服役期內(nèi)不因水毀而失去承載能力。

c）橋址斷面跨越泄洪槽、河道的，需對河道及槽內(nèi)碎石、淤泥等進行清理，以保證具有較小的泄水阻力。在流水湍急和沖刷嚴重的河道或沖擊扇地區(qū)，應(yīng)根據(jù)水流情況設(shè)置導(dǎo)水構(gòu)造物，如橋頭處上游設(shè)置丁壩、順壩、阻水堤等。有條件的，在橋墩及橋臺處設(shè)置漿砌片石護坦，防止激流對基底和錐坡的沖刷。

d）對于洪水期間出現(xiàn)水漫橋梁、主梁移位、激流沖毀等病害的橋梁以及在不穩(wěn)定河段，可根據(jù)河岸條件、河床地貌以及橋孔位置等，分情況采取有效措施。如清理與整修河道、增大上下游禁止挖沙、采石、取土、傾倒垃圾的范圍。并設(shè)專人進行日常巡邏與執(zhí)法，以保證河道平順無雜物。

5 總結(jié)

由于橋梁墩、臺是直接修建在河道或河谷灘地，對于生命線通道，一旦發(fā)生水毀等災(zāi)害，不僅僅修復(fù)困難，帶來的后果也比較嚴重。因此，橋梁水毀的防治仍應(yīng)著手于預(yù)防，對于一級公路的橋梁設(shè)計這是可以做到的。這就要求在橋梁方案選擇與項目初步設(shè)計階段，全面搜集河流、河道水文、附近水利工程特點以及河床的變化資料，綜合確定合理的橋位、橋孔布設(shè)、墩臺型式選擇以及河道調(diào)治導(dǎo)流構(gòu)造物的設(shè)置等。正確的橋位設(shè)計和合理的防洪設(shè)計是避免橋梁水毀最主要和最直接的措施[8]。

文中通過對山西省某一級公路橋梁的水毀案例，結(jié)合水毀橋梁的實地調(diào)查結(jié)果，對山區(qū)橋梁的水毀成因、水毀病害均作了深入的調(diào)查分析?？偨Y(jié)了水毀橋梁的結(jié)構(gòu)恢復(fù)設(shè)計的若干原則和建議，并以此為原則指導(dǎo)水毀后橋梁結(jié)構(gòu)承載能力恢復(fù)設(shè)計與結(jié)構(gòu)抗洪能力檢核。文章根據(jù)實際案例分析所得出的原則和建議，不僅為今后水毀橋梁結(jié)構(gòu)恢復(fù)設(shè)計提供理論依據(jù)，也為新建公路、市政項目的橋涵規(guī)劃和設(shè)計提供新的借鑒和參考。