戈壁荒漠區橋梁水毀修復及加固方案設計

馮 超，譚 威

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院 烏魯木齊市 830006)

0 引言

近年來，隨著我國不斷加強沙化土地治理力度，生態環境逐步改善，荒漠化防治取得顯著成績，荒漠化和沙化面積實現“雙縮減”，但我國是世界上荒漠化最嚴重的國家之一，荒漠化土地面積占陸地國土面積的1/4，其中以新疆分布面積最廣[1-2]。

新疆雖然位于內陸干旱區，但由于其三山夾兩盆地地形特點，加之境內山脈高聳，截獲了較多的水汽，因而山區極易形成降水。高海拔區域在低溫條件影響下，降水會形成積雪、冰川，隨著氣溫升高融化后形成季節性冰雪融水洪水；中低山帶則多暴雨，常形成暴雨洪水和泥石流，結合各種特殊自然地理條件，匯聚形成各種類型突發性洪水，造成荒漠戈壁區公路橋梁水毀現象頻發，因此戈壁荒漠區橋梁水毀如何修復成為了亟需重點考慮的難題。

1 橋梁水毀形式

橋梁水毀的主要形式有[3-4]：

(1)由于橋孔跨境設計不足，導致泄洪、輸砂不暢，造成橋前大量壅水，橋下沖刷嚴重，墩臺外露；部分含沙量較大的河流則會出現橋下泥沙大量淤積，阻塞橋孔的現象。

(2)墩臺擴大基礎因埋深不足，其底部被沖蝕后發生沉陷或傾覆。

(3)洪水流量超過橋跨過水能力或河道遷移造成洪水迂回沖斷橋后路基。

(4)洪水中夾雜浮木、塊石等漂浮物，與橋墩發生碰撞，造成墩身損壞。

(5)橋前壅水過高，對橋梁產生過大的推力和浮力，造成橋梁被推倒沖毀。

2 工程概況

某戈壁荒漠區橋梁位于新疆南疆地區，地處昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，地表特征為荒戈壁，植被非常稀疏，地質狀況以細砂為主，夾雜圓礫、卵石。本橋上跨一大型沖溝，橋跨為5-20.0m，上部結構采用裝配式預應力混凝土空心板，下部采用柱式墩、肋式橋臺，樁基礎。設計荷載為公路-Ⅱ級，設計洪水頻率為1/50。

3 戈壁荒漠區橋梁水毀成因

導致戈壁荒漠區橋梁水毀形成的原因是多方面的，是由特定的地質、地貌、水文氣象等自然因素與人為因素共同作用所產生的結果。

3.1 自然原因

水毀災害主要發生在氣溫較高、降水量相對多的6月份至9月份，持續的高溫，造成昆侖山高山區冰川、永久性積雪及中低山區的冬季積雪大范圍快速消融，加之昆侖山北麓自然坡度大，地表植被少，地面組織多為經過風化的松疏物質，砂礫石裸露，水土保持能力差，冰雪融水匯流快，水流速度大，極易于山前匯集形成融雪性洪水。

3.2 橋梁建設自身原因

由于橋梁的修建對原有河道進行了較大程度壓縮，造成橋下水流速度加快，加之河道地表以下9m地質均以粉砂為主，抗沖擊能力差，洪水造成河床下切近6m，從而導致橋墩樁基外露，導流壩基礎沖刷掏空，對橋梁結構正常使用造成安全隱患。為避免結構物進一步損壞，洪水過后養護單位對橋墩沖刷、掏空部分進行了回填，但簡單的回填處理無法解決沖刷造成的病害影響，需對橋梁構造物進行修復、加固，并采取一定措施防止水毀的再次發生。

圖1 典型橋梁水毀病害

4 戈壁荒漠區橋梁修復方案分析

通過現場對該橋的平面位置、高程、結構外觀、幾何尺寸以及混凝土強度、保護層厚度及鋼筋偏位等詳細和針對性檢查，該橋目前雖經洪水沖刷下切嚴重，但尚未發生明顯的水平及豎向變位;主要承重構件的幾何尺寸與設計基本相符，但外觀較差，存在跑模、蜂窩麻面、色差嚴重等現象；結構混凝土強度等級與設計基本相符。

4.1 上部結構修復

橋梁上部結構空心板底部存在縱向開裂，部分梁板板底伴有不規則干縮裂縫，雖裂縫造成梁板剛度一定程度下降，但經檢測其強度和剛度基本符合設計等級要求;另外支座存在開裂、剪切變形病害。

針對上部結構存在病害，提出處置方案如下：對梁板寬度大于0.15mm的裂縫進行壓力灌膠處理，小于0.15mm的裂縫進行表面封閉處理，此外對破損的支座進行更換。

4.2 橋墩加固方案

橋梁下部結構墩柱存在較多網狀開裂，其中以網狀開裂中的縱向裂縫為主。橋墩表面裂縫對橋梁承載能力影響不大，但會造成橋墩混凝土、鋼筋耐久性下降。此外，受河床沖刷下切影響，樁基外露近6m，雖然設計過程中考慮了樁基沖刷影響，適當加長了樁基長度，經驗算現有樁基有效樁長可滿足承載力需求，但對整體基礎承載力及耐久性仍存在一定的安全隱患。故擬采用增大截面法對受沖刷橋墩進行加固處理，提高基礎承載能力和抗彎能力。鑒于洪水中夾雜有卵礫石，為避免其對墩身造成撞擊破壞，于橋墩墩柱及樁基外側包裹鋼板進行防護。具體加固方式如圖2所示。

圖2 橋墩加固方案示意圖

如圖3所示，對橋墩墩柱、樁基系梁及2m長樁基進行外包鋼板防護，鋼板與墩身間距10cm，采用C30小石子混凝土填充。施工前需將墩身表面進行鑿毛處理，以增強粘結性。鋼板內側焊接10cm定位鋼筋，以保證與墩身間距，每段鋼板高1.5m，施工時先安裝固定鋼板，再從下向上進行逐層澆注。每塊鋼板為半圓兩兩焊接，相鄰兩層的豎向接縫應錯開。

圖3 鋼板大樣圖

4.3 河床修復加固

受洪水沖蝕，橋位處河道下切近6m，雖然養護部門已對下切河床進行回填處理，但單純的回填無法應對下次洪水沖刷。

擬對橋梁內上游15m至下游40m范圍內回填后河床進行壓實整平，結合地形滿河床鋪設格賓網護墊，以此加固河床，提高河床抗沖刷能力；為避免格賓網下部沖刷、掏蝕破壞，增強格賓網鋪砌耐久性，于上游格賓網邊緣設置2m深垂裙，并于下游設置拋石防護，具體方案如圖4所示。

圖4 格賓網鋪砌橫斷面示意圖

格賓網護墊一般是由耐磨強度高的鍍鋅鋼絲、鋁鋅合金鋼絲或者包塑鋼絲編織的蜂巢式網片構成，可根據需求加工成不同尺寸的網箱，并于施工現場向網箱內填充質地堅硬無風化，塊徑不小于網格大小石料，石料間空隙用小塊石填塞，保證填充石料飽滿密實，均勻無架空。

格賓網護墊是作為一種常用的柔性防護結構體系，具有透水性好，抗沖刷、沖擊能力強，建筑成本較低，施工便捷的特點，且因其具有一定彎曲變形能力，能適應砂卵石基礎的不均勻沉降，已逐步成為中、小河流河道治理普遍采用的一種結構形式。

5 戈壁荒漠區橋梁設計階段水毀防治建議

通過深入分析水毀成因，不難發現，造成公路橋梁水毀的原因雖然是多方面的，但究其主要原因，或是由于設計依據與實際情況不符，或是橋梁遭受設計時未能預料的水利條件，可見，設計階段對橋梁水毀予以充分重視，采取必要的預防措施，可減小甚至根治水毀對橋梁構造物的危害。

橋梁設計階段水毀防治需著重以下幾個方面：

(1)橋位應盡量選擇河道順直、水流穩定，河床土質堅實的河段。

(2)加強水文地質調查，充分了解河道特性，準確把握河道歷史最高洪水位、洪水比降、流域面積、糙率等水文要素，以及洪水過后河床沖淤變化情況，對未來數年橋位處河道演變進行充分考慮。對河床土質進行取樣調查，分析確定土質特性及平均粒徑。

(3)除以水文地質調查資料為依據，進行橋孔水利計算，確定橋跨最小凈長度外，還應結合橋位地形、河床地質、河道演變、橋前壅水、沖刷深度等情況，綜合分析論證后確定橋孔合理長度。

(4)墩臺基礎埋置深度需根據橋位河段具體情況，取河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷的最不利組合，作為確定墩臺基礎埋深的依據。保證最小埋置深度，確保沖刷后墩臺基礎的穩定性和可靠性。

(5)橋梁設計不應僅局限于橋梁主體設計，還應重視附屬調治構造物的設計，如通過設置導流壩對河道進行合理分流；通過設置丁壩，加速泥沙沉積，防止水流對河岸沖刷等。此外對于戈壁荒漠區河床，由于土質易被沖刷，設計過程中可考慮對河床進行鋪砌加固。

6 結語

戈壁荒漠區因其特殊的水文、地質條件，公路橋梁水毀問題較為嚴重。水毀作為橋梁使用過程中所產生的較大的質量問題，如處理不及時，處理方式不當，極易引起重大安全事故，必須予以充分的重視。以某戈壁區水毀橋梁修復工程為研究背景，首先總結了戈壁區橋梁水毀的主要成因，然后分別從橋梁上部結構、橋墩、河床三個方面對水毀修復加固方案進行了研究，最后提出了橋梁前期設計階段預防水毀的幾點建議，以期為同地區橋梁設計以及水毀修復加固提供參考。