S219永定線大林淮河橋橋墩沖刷分析及加固

王德新，王 賀

（1?駐馬店市公路規(guī)劃勘察設(shè)計院，河南駐馬店 463000；2?重慶交通大學巖土工程研究所，重慶 400074）

S219永定線大林淮河橋橋墩沖刷分析及加固

王德新1，王 賀2

（1?駐馬店市公路規(guī)劃勘察設(shè)計院，河南駐馬店 463000；2?重慶交通大學巖土工程研究所，重慶 400074）

針對省道S219永定線大林淮河橋的橋墩沖刷問題，按一般沖刷和局部沖刷疊加計算沖刷深度，確定橋墩沖刷對樁基礎(chǔ)豎向承載力的影響，并對單樁承載力進行了驗算，計算證明需加固河床。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮石籠耐沖刷和漿砌片石不容易被人為破壞的優(yōu)點，抗沖刷加固的綜合效果較好，推薦采用石籠和漿砌片石的加固方案。從近年實踐情況來看，防護效果較好。

橋梁工程；一般沖刷；局部沖刷；石籠防護

0 引 言

河流沖刷會使橋梁基礎(chǔ)掏空、墩臺破損，使得橋梁下部結(jié)構(gòu)的承載力大幅降低，導致墩臺傾斜或橋梁垮塌。因此，國內(nèi)外學者對橋墩臺沖刷及防護加固進行了大量研究［1?2］。

Dargahil對護圈防護進行了分析，當護圈放置于河床面以下時，其與河床的距離為－0．015倍水深時（河床以下用負值表示），減小漩渦的效果最好，可減少沖刷深度約50%～75%；Chiew等提出了采用犧牲石板作為防護措施，通過降低流速實現(xiàn)沖刷防護；Grimaldi等研究了下游石板的防護方式，通過試驗證明了樁與板距離越近防護效果越好，且當石板置于距離橋墩很近位置時，最大沖刷深度將會出現(xiàn)在石板前面［3］。Tregnaghi等研究了均質(zhì)和非均質(zhì)砂土河床中，下游石板對沖刷深度的影響程度［4］。馬奎發(fā)現(xiàn)局部沖刷的主要影響因素有橋墩特征、流體特征、河床質(zhì)特征和流動特征［5］，提出了拋石防沖、護腳和沉箱防沖、開縫防沖3種有效的沖刷防護措施。梁發(fā)云等論述了常用防護方式的作用機理、防護效果、防護優(yōu)缺點和防護的工程使用案例［6］。陳穩(wěn)利用有限元方法分析了河流沖刷對既有橋梁墩臺承載力影響［7］。胡嘉平等提出對于洪水頻發(fā)的地區(qū)橋臺錐坡采用樁基擋墻進行加固，且效果明顯［8］。

本文針對S219永定線大林淮河橋橋墩沖刷及承載力的問題，進行了相應的工程防治措施研究。

1 工程概況

大林淮河橋位于S219線駐馬店市正陽縣和信陽市羅山縣交界處，橋墩均為雙柱式，樁長30～32 m，橋梁全長485．24 m。第3～17號橋墩有不同程度的沖刷，其中7號墩沖刷深度最大，為8?5 m。沖刷較嚴重的樁基表面還出現(xiàn)大量混凝土剝落和鋼筋外露現(xiàn)象。

目前，河床上已有的實體防護工程措施主要包括拋石防沖法、擴大橋墩基礎(chǔ)防護法、填充混凝土模袋防護和石籠防護等，本文采用石籠和漿砌片石的加固方案。

水流是造成3～17號橋墩沖刷的主要原因。橋梁災害形成的原因眾多，而絕大多數(shù)是由于橋墩基礎(chǔ)受到?jīng)_刷導致的，這與橋墩基礎(chǔ)的埋置深度有著直接的關(guān)系［9?14］。橋墩基礎(chǔ)埋置過深時會造成工程成本上的浪費，埋置過淺則會被洪水淘空造成橋梁事故。因此，在進行橋梁設(shè)計時，需要預估使用期限內(nèi)橋梁基礎(chǔ)將受到的沖深。

2 橋墩沖刷深度計算

2．1 一般沖刷計算

對應47?5 m的設(shè)計水位，河槽寬度Bc＝220 m，平均河槽水深Hc＝13．2 m，根據(jù)規(guī)范《施工工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C30—2015）可知，橋下河槽部分通過的設(shè)計流量Q2＝10 612，則沖刷深度為

式中：hp為橋下河槽一般沖刷后量大水深；Q2為橋下河槽部分通過的設(shè)計流量；Qc為天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計流量；Bcg為橋長范圍內(nèi)的河槽寬度，當河槽能擴寬至全橋時取橋孔總長度；λ為設(shè)計水位下，在Bcg寬度范圍內(nèi)，橋墩阻水總面積與過水面積的比值；μ為橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)；hcm為河槽最大水深；Ad為單寬流量集中系數(shù)。

根據(jù)以上初步的配合比（02號）中水膠比和砂率按《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006）規(guī)定進行調(diào)整，水膠比增減0.05、砂率相應增減1%，得出01和03號調(diào)整后的配合比進行試配，如表6共3個配合比進行試配，表7為3組配合比試配后得出各項混凝土性能指標。

算得河槽一般沖刷深度為2．488 m。

2．2 局部沖刷計算

取平均粒徑d＝20 mm，河床泥沙啟動流速V0＝0．28（d＋0．7）0．5＝1．274 m·s－1；墩前泥沙起沖流速V′0＝0?12（d＋0?5）0?55＝0?626 m·s－1；河床顆粒影響系數(shù)3；墩形系數(shù)Kε＝1；橋墩計算寬度B1＝1?5 m；河槽指數(shù)n＝2（V為一般沖刷后墩前行近流速），則河槽局部沖刷深度

橋位處河床斷面的沖刷深度計算結(jié)果見表1。

表1 河床斷面沖刷深度計算結(jié)果m

3 單樁軸向受壓承載力驗算

3．1 效應計算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63—2007），結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身承載力采用作用效應基本組合進行驗算，其表達式為

式中：Sud為承載能力極限狀態(tài)下作用基本組合的效應設(shè)計值；s為組合的效應函數(shù)；r0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；rgi為第i個永久作用的分項系數(shù)；Gik為第i個永久作用的標準值；rQ1為汽車荷載的分項系數(shù)；rgj為除汽車荷載外其他第j個可變作用分頃系數(shù)；Qlk為汽車荷載的標準值；Qjk為除汽車荷載外的其他可變荷載標準值；Φc為除汽車荷載外的其他可變荷載組合系數(shù)；rlj為第j個可變作用的結(jié)構(gòu)年限荷載調(diào)整系數(shù)。

表2 7號墩地面標高和樁長

取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1?1，取自重荷載分項系數(shù)為1．2，單樁承擔永久荷載為，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量為2 102．9 kN，蓋梁質(zhì)量為235．2 kN，立柱重352．9 kN。取汽車荷載分項系數(shù)為1?4，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限荷載調(diào)整系數(shù)為1．0，汽車荷載沖擊系數(shù)為1?267 5。7號墩單樁承擔的上部結(jié)構(gòu)荷載見表3。

表3 7號墩單樁承擔的上部結(jié)構(gòu)荷載

3．2 單樁軸向受壓承載力

單樁軸向受壓承載力容許值為

式中：U為樁基周長；qik為樁側(cè)土體摩阻力；li為土層厚度；Ap為樁基截面面積；qr為樁端土體豎向承載力。

根據(jù)橋位處地址資料，計算沖止標高以下剩余樁長的單樁軸向受壓承載力。沖止標高以下的地層情況如下所示。

（1）第1層：含礫粗砂，樁側(cè)摩阻力標準值qik＝95 kPa。

（2）第2層：亞黏土層分界面至樁底厚19．9 m，樁側(cè)摩阻力標準值qik＝90 kPa，本層為持力層，樁端土的承載力基本容許值為400 kPa，7號墩單樁容許承載力見表4。

表4 7號墩單樁容許承載力

根據(jù)單樁容許承載力計算結(jié)果可知，現(xiàn)河床斷面對應的樁長可滿足單樁承載力的要求，考慮沖刷后的單樁承載力已不能滿足要求。現(xiàn)河床底樁基的承載力富余量為901 kN，約14%，由于現(xiàn)在的河床斷面為2014年實測，考慮該橋1998～2014年期間河床局部下降了9?8 m，并且隨著河道水流的集中，河道下降速度會進一步加快，隨著河床的下降，樁長會逐步消失，應抓緊時間進行河床加固。

4 橋墩沖刷的防護措施

本文采用石籠和漿砌片石的加固方案充分利用了石籠耐沖刷和漿砌片石不宜被人為破壞的優(yōu)點，抗沖刷加固的綜合效果較好。由于石籠自身特點，施工完成后基本免維護；漿砌片石加固位置位于常水位以上主河槽兩側(cè)，受洪水沖刷的概率低且水流流速小，沖毀概率較低，且較易檢查和維修。具體施工如下。

（1）石籠防護。在橋位主河槽范圍河床采用石籠防護，石籠鋪放寬度為橋梁中線上游18 m，下游24 m。石籠尺寸為300 cm×100 cm×50 cm，在橋梁中線上、下游各15 m處碼砌4層石籠形成防沖壩，防沖壩底應埋入整平后的河底1 m以下；4層石籠之間的壩頂范圍鋪放1層石籠，在4層石籠的左側(cè)下游鋪放6 m寬的1層石籠。碼砌石籠時應錯縫安放，石籠塊之間應采用鉛絲牢固連接，每一層石籠均應采用砂礫進行灌縫，如圖1所示。

石籠中所用石塊宜選用方正、無尖角且小邊尺寸大于石籠網(wǎng)孔尺寸的片石、塊石、卵石、漂石等。石籠網(wǎng)面、骨架可采用鋼絲、鋼筋、鐵絲、鉛絲等，宜選用鍍鋅鐵絲、鉛絲等防銹、耐腐蝕材料，上、下游護坡石籠塊應保證石籠網(wǎng)箱尺寸，不宜減小尺寸。

（2）漿砌片石防護。在橋位主河槽兩側(cè)（二級河槽范圍）采用M7．5水泥砂漿砌片石鋪砌防護，漿砌片石鋪砌寬度為，橋梁中線上游18．75 m，下游27?5 m，鋪砌厚度為30 cm。在橋梁中線上游15 m處設(shè)置1∶2?5的向下緩坡，緩坡底設(shè)3 m高的截水墻；下游15 m處設(shè)置1∶3的向下緩坡，緩坡底設(shè)8 m寬的加長鋪砌，鋪砌上設(shè)置消力坎（塊），消力坎（塊）間距1．5 m，加長鋪砌端部設(shè)置3 m高的截水墻，如圖2所示。

5 結(jié) 語

采用石籠和漿砌片石相結(jié)合的方案進行河底沖刷加固，石籠可以適應地基的變形，嚴格驗收后，基本不需要養(yǎng)護；漿砌片石鋪砌為封閉防護，防沖刷效果較好，且易檢查、易養(yǎng)護，整體性好，強度高，不易被人為破壞。石籠和漿砌片石方法充分利用了石籠耐沖刷和漿砌片石不宜被人為破壞的優(yōu)點，總體施工難度不大，抗沖刷性能較好，后期維護便利且造價適中，從近年實踐情況來看，防護效果較好。

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［責任編輯：杜衛(wèi)華］

Analysis on Bridge Scour and Strengthening of Dalin Huai River Bridge of S219 Provincial Highway

WANG De?xin1，WANG He2
（1．Zhumadian Highway Planning，Survey and Design Institute，Zhumadian 463000，Henan，China；2．Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Aimed at the problem of bridge scour that happens to the Huai River Bridge in Dalin of S219 provincial highway，the effect of bridge scour on the vertical bearing capacity of pile foundation was determined by combining the calculation of the depths of general and local scour．The bearing capacity of single pile was calculated and checked to prove the need to strengthen the river bed．Considering the actual situation of the site，the combination of stone cage and mortar flagstone was recommended because of their respective advantages of the resistance to scouring and not easy to be vandalized．The protection effect has been proved by the performance in recent years．

bridge engineering；general scour；local scour；stone cage protection

圖1 河底石籠加固

圖2 河底漿砌片石硬化加固

U443．2

B

1000?033X（2017）08?0067?04

2017?02?09

國家自然科學基金項目（41071017）；西部交通建設(shè)科技項目（2009318221035）

王德新（1970?），男，河南泌陽人，高級工程師，研究方向為交通地質(zhì)減災理論與技術(shù)。