汶川地震后對成蘭鐵路石亭江大橋沖刷的反思

張小倩

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

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汶川地震后對成蘭鐵路石亭江大橋沖刷的反思

張小倩

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

成蘭鐵路沿線，歷史上近百年經歷三次大地震，特別是2008年“5·12”汶川地震作用非常明顯，石亭江上游流域內形成了大量的崩塌、錯落、危巖落石、滑坡等不良地質，2013年四川省爆發“7·9”洪災，大量物質沖入石亭江，在河流水作用下，對石亭江中公路、鐵路橋梁形成沖刷。加之下游河道挖沙取石，致使河床整體下切嚴重，對橋梁基礎沖刷影響巨大。文章對石亭江大橋的沖刷深度進行了分析、計算，針對石亭江沖刷特征，采取相應的基礎加固措施,消除減少安全隱患，確保鐵路安全。

成蘭鐵路； 石亭江； 橋梁設計； 防治； 整治； 措施

新建成都至蘭州鐵路位于四川和甘肅省境內，始于成都，線路途經汶川“5·12”大地震重災區什邡跨越石亭江，石亭江上游為“5·12”地震震中紅白鎮，上游流域內在地震的作用下，由于崩塌、錯落、危巖落石、滑坡等不良地質，在洪水沖刷下大量的松散物質沖入河流中，加之地震后百廢待新，下游挖沙取石嚴重，造成河流不穩定，整體河床下切，導致河流中橋梁基礎外漏，留下安全隱患。

1 河床變化情況

1.1 石亭江特大橋設計情況

全橋孔跨布置為： (34×32+1×24+14×32) m預應力砼簡支T梁，梁部采用預制架設，全長1 609.396 m，最大墩高13.5 m。段內地震動峰值加速度為0.15g，基本烈度為Ⅶ度。本橋21#～28#墩位于河道內，水中墩基礎設計采用8根1.25 m樁，樁長32～34 m，承臺厚2.5 m，埋置于河床下2～3 m。

1.2 河床變化情況

1.2.1 設計時河床情況

本橋2011年3月施工單位進場，開始施工，承臺埋置于河床下2 m，設計一般沖刷河床下2.49 m，局部沖刷1.74 m(圖1)。

圖1 現場施工情況(攝于2011年4月)

1.2.2 第二年河床變化情況

經過半年的建設，下部基礎橋墩及基礎施工完，2012年8月河床經一年沖刷，整體沖刷5～6 m，承臺部分外漏(圖2)。

圖2 橋址縱斷面(攝于2012年8月)

1.2.3 第三年河床變化情況

2013年四川省“7·9”洪災洪災后，對河道重新測量和調查，主河槽橋址斷面變化情況，河床下切10～15 m(圖3)；下游50 m為成綿高速公路石亭江大橋，2013年7月份洪災發生后高速公路石亭江大橋臨時斷道整治，11月份主河槽防護結束，回復正常通車。下游1.4 km為老石亭江公路大橋，在本次洪災中成為危橋，對過往車輛進行限速，且該橋下游60 m攔河滾水壩在2013年洪災后失效，河堤垮塌(圖4)。

圖3 現場河床沖刷情況(攝于2013年7月)

圖4 老石亭江公路橋和攔河滾水壩垮塌(攝于2013年12月)

2 洪水調查計算情況

2.1 橋梁設計洪水情況

設計洪水情況：1934年洪水重現期為200年，1964年洪水重現期為100年。1992年、2008年洪水為一般洪水。成蘭鐵路石亭江大橋河段1964年洪水比降為6.4 ‰。斷面設計洪水見表1。

表1 跨河橋斷面設計洪水成果 m3/s

成蘭鐵路石亭江大橋100年一遇的洪水位為558.98 m，100年一遇洪水的平均流速為3.96 m/s。沖刷計算成果見表2。

表2 石亭江大橋沖刷計算成果

2.2 2013年“7.9”洪災洪水情況

2013年7月石亭江流域發生了大洪水。本次復核針對此次洪水進行了調查分析，于2013年9月2～5日在本鐵路橋軸線上游1.8 km、下游15 km的河段范圍內進行了洪水調查。該河段河道較為順直，河谷比較平坦，河寬約350～380 m，河床由礫石、砂卵石組成。調查河床段兩岸均修有堤防，沿河兩岸分布有大面積的耕地，地勢平坦開闊。本鐵路橋上游1.1 km處設有水壩，該水壩是上世紀50～60年代為人民渠跨越石亭江而修建，壩高約17 m。水壩下游形成了10多米高的跌坎。本鐵路橋下游約50 m為成什綿高速公路石亭江大橋，該橋修建于2010～2011年。本鐵路橋下游1.4 km為老石亭江公路大橋，修建于20世紀80年代。由于橋下沖刷嚴重，承臺已經懸空，為了防止沖刷加劇，2012年地方政府在該公路橋下游80 m處修建了一座混凝土面板壩用來抬高上游河床，壩高約12 m。

根據調查的2013年7月洪水坡度4.0 ‰、洪水位553.19 m。由于江中橋墩對洪水的阻力作用較大，故選取主槽糙率系數1/n=25 , 邊灘糙率系數1/n=17；推求出2013年7月洪水流量為2 905 m3/s。

2.3 河床不穩定對橋梁的影響

本次調查范圍為橋址下游15 km內，主要原因為地震后近幾年恢復重建，無節制的大規模挖沙取石，導致河床整體下切，且河床處于不穩定狀態，導致河堤沖毀、橋梁基礎外露，按照河床整體穩定演變推算沖刷深度(圖5)。

圖5 下游河床沖刷情況(攝于2013年12月)

河床受水流沖刷，當洪水流速大于河床固體物質的不沖流速時，河床將受到沖刷，河底標高將會進一步降低，洪水坡度減緩，直到洪水流速小于河床固體物質的不沖流速。根據這一假定，可以推算出河床對應于不沖流速時的比降，進而確定河床演變至穩定時的河底標高。

根據地質資料，石亭江大橋橋位處的河床質表層為卵石土，其中<4-11>卵石直徑6～20 cm，占50 %～55 %；<7-11>卵石直徑60～150 mm，占50 %～70 %。河床質的平均粒徑取50 cm。根據《橋渡水文》第541頁并考慮演變過程中河床顆粒粗化，取最大不沖流速為3.3 m/s。

據橋址斷面，算得在流速為3.3 m/s時，通過百年流量3 380 m3/s需要的水力坡降為2.34 ‰。即河床坡降為2.34 ‰時，河床縱斷面達到穩定，河底標高不再下降。

從橋址斷面至其下游3.7 km范圍內的河段平均坡度大于7 ‰，再往下游至實測縱斷面的末端(橋址斷面下游10 km)范圍內的河段平均坡度為2.3 ‰，小于河床縱斷面穩定坡度2.34 ‰。故假定橋址斷面下游3.7 km開始河床縱斷面處于穩定狀態。

從實測的橋址下游3.7 km處的河床底開始以2.34 ‰的坡度拉坡，計算得河床演變搬運造成橋址處的河底標高將降低18.8 m。

2.4 沖刷計算

2.4.1 一般沖刷

根據洪水特征和地質提供的說明資料，計算百年洪水情況下的沖刷深度。計算方法采用TB 10017-99《鐵路工程水文勘測設計規范》中公式非黏性土河床橋下一般沖刷(河槽部分)，計算條件及參數取值為：

河床土的性質為非黏性土；橋下河槽能擴寬至全橋；Bd值過大和平灘水位不易決定；橋下河槽部分最大水深hmc= 6.86 m(=553.76-546.9)；橋下河槽部分平均水深hc= 5.5 m；橋下河槽部分橋孔過水凈寬Bc= 87.68 m；橋下河床的設計流量Qp= 3 380 m3/s；單寬流量集中系數A= 1.2(取平灘水位情況)；河槽土平均粒徑dc= 50 mm；含沙量：hsl=10 kg/m3。

計算所得橋下一般沖刷后的最大水深為9.21 m，即一般沖刷深度為9.21-6.86=2.35 m。

2.4.2 局部沖刷

計算參數取值為：

河床土質為非黏性土；橋墩計算寬度B1= 4.33 m；河床土平均粒徑d=50 mm；一般沖刷后墩前行進流速v= 4.06 m/s；墩形系數Kξ= 1.2；橋下一般沖刷后的最大水深hp= 8.52 m；計算所得橋墩局部沖刷坑深度hb=3.78 m。

根據計算的沖刷深度，得：

橋下最深處的一般沖刷線標高=554.97-9.21=545.76 m；

橋下最深處的局部沖刷線標高=545.76-3.78=541.98 m。

2.5 石亭江大橋基礎加固綜合考慮沖刷情況

綜合以上，橋位處的百年一遇流量3 380 m3/s，水位553.76 m，流速4.06 m/s；本橋河床2013年“7·9”洪災后地面下沖刷情況為：

河床演變深度18.8 m；一般沖刷深度2.35 m；局部沖刷深度3.78 m。

3 沖刷原因分析

(1)汶川“5·12”地震后洪水中砂石比重加大，加大河流水中墩的沖刷，水文計算沖刷規范公式中計算值偏小。

(2)下游挖沙取石嚴重，沖淤失去平衡，需要砂石補濟下游挖沙后沙坑，致使河床整體下切。

(3)上游水工建筑物形成陡坎，致使橋址處流速加大，加劇河床的沖刷。

(4)下游擋水壩局部失效，致使河床比降加大，造成“三十年河東三十年河西”，局部沖刷急劇加大，造成河堤失穩，河床整體沖刷加大。

4 加固設計內容

(1)本次變更范圍為石亭江大橋河床內21#～28#墩，原施工圖設計中，河床水中墩設計8根1.25 m樁，樁長為32～34 m。加固措施為對既有承臺采用托底加固，新承臺采用圓端型，厚3.5 m，既有承臺包裹1.0 m，下增設2.5 m厚承臺；增設8根1.8 m樁，根據計算確定樁長34～55 m(圖6)。

圖6 石亭江雙線特大橋21#～28#墩加固設計

(2)樁基設計計算考慮沖刷線：河床演變下切深度、一般沖刷深度、局部沖刷深度等共同考慮。

5 結束語

(1)在地震后跨河橋梁設計中，要調查上游流域內的滑坡、淤積、泥石流、錯落等不良地質情況，水文計算按照水石流進行計算沖刷；調查上下游水工建筑失效對沖刷的影響，上下游是否有水庫、滾水壩、擋水壩等，要充分調查水工建筑設計實用年限，水庫潰壩等對橋梁的影響；調查上下游人為因素的影響，如挖砂取石、橋址范圍內棄碴等對橋梁的影響。

(2)橋梁孔跨布置時不宜壓縮河道，反而要使橋梁延伸至河灘外；橋墩盡量距離河堤一定距離，減少對河岸的沖刷；主河槽中可能采用大跨，減少橋墩數量，降低阻水斷面，減少沖刷。

(3)設計中要考慮挖沙取石致使河床整體下切及上下游水壩失效加劇沖刷等因素，確定一般沖刷線、局部沖刷線，將基礎基礎置于穩定的地層中。

(4)因上游物質豐富，位于山前區橋梁還還要考慮河流的淤積，橋墩要具有一定的剛度，能承受水石流的沖擊，橋下凈空預留一定的高度，發生極端洪水橋下淤積，不會造成橋梁正常運營，且需及時清淤,確保橋梁安全。

[1] 鐵道部第三勘測設計院. 鐵路工程設計技術手冊·橋渡水文[M]. 中國鐵道出版社, 1999.

[2] GB 50021-2001 巖土工程勘察規范[S].

[3] TB 10017-99 鐵路工程水文勘測設計規范[S].

[4] DZ/T 0239-2004 泥石流災害防治工程設計規范[S].

2016工程設計行業十行大事

新八字建筑方針出爐：

2016年2月6日，《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》印發，作為加強城市規劃建設管理工作的綱領性文件，提出了“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念，確立“適用、經濟、綠色、美觀”的新建筑方針，并提出要“加強城市設計工作”。

住建部首提“注冊建筑師負責制”：

2016年3月，住建部市場監管司在2016年工作要點中提出試行建筑工程項目建筑師負責制。進一步明確建筑師權利和責任，鼓勵建筑師提供從前期咨詢、設計服務、現場指導直至運營管理的全過程服務。

摘自《建筑時報》

U442.3+2

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[定稿日期]2016-11-17

[作者信息]張小倩(1977～)，女，本科，工程師，從事橋梁設計工作。