綜合性水利樞紐交通橋分析與設計

甄羨超

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061）

1 概述

綜合性水利樞紐[1]是在河道或渠道上修建的多種類型水工建筑物（如防洪、灌溉、發(fā)電或航運）的綜合體。水利樞紐本身作為攔河建筑物，通常會利用部分水工墩墻作為橋墩來架梁，形成交通橋，用以連接水利樞紐內(nèi)外部交通和兩岸交通。隨著我國水利事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對水工建筑物，特別是對綜合性水利樞紐的建設要求越來越高，要求綜合性水利樞紐上的交通橋在滿足功能、適用、經(jīng)濟和安全的前提下，盡可能具有優(yōu)美的外形，并與閘上建筑、周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。作為水利樞紐的運營管理通道和車輛過江越河的重要通道，交通橋的總體設計與水利樞紐中水工建筑物、岸上配套建筑、管理區(qū)道路等均有密切關系。

2 總體設計

水利樞紐上的交通橋通常參照公路橋梁的設計規(guī)范和技術標準[2-4]進行設計，當交通橋連接市政道路時，亦可參照市政橋梁的規(guī)范和標準。水利樞紐交通橋的結構設計較為常規(guī)，其設計重（難）點在于平面設計和橋型總體布置，既要滿足交通過河的需求，亦要滿足水利工程功能上的要求，如水利設施運維、船只通航等。

2.1 平面設計

綜合性水利樞紐交通橋一般由閘站交通橋、閘壩交通橋、船閘交通橋、內(nèi)部上下匝道橋和引橋組成，引橋與兩側道路相接，形成橫穿水利樞紐的交通流，如圖1所示。交通橋橋?qū)捀鶕?jù)現(xiàn)狀、規(guī)劃道路寬度而定，一般設計不小于雙向2車道；內(nèi)部匝道橋可根據(jù)需求設計成單向或雙向通行。橋位平面應根據(jù)水利樞紐運營管理和養(yǎng)護維修車輛的進出要求布置，并注重與周邊路網(wǎng)的結合，保證平面線形的舒順；匝道橋不對外開放，可按便利、經(jīng)濟的原則設置，直通管理區(qū)內(nèi)部。

圖1 一般綜合性水利樞紐交通橋總體平面圖

2.2 橋梁跨徑設計

橋梁跨徑設計需綜合考慮閘站、船閘等水工建筑物分孔和梁高等因素。

閘站工程根據(jù)閘門孔徑、泵室孔徑來布置墩墻，考慮工程適用性和經(jīng)濟性，閘站上交通橋跨徑與水工建筑物分孔一致，在墩墻上直接設置橋墩。

由于通航的原因，船閘交通橋需要1跨越過通航孔。根據(jù)以往經(jīng)驗，船閘墩墻上設置橋墩，可縮小跨徑、降低梁高、減少接坡長度和占地，但在船閘閘室內(nèi)，通行船只容易擦碰橋墩，從而危害到橋梁結構安全[5]，如圖2所示。因此，為確保交通橋的結構安全和減少運營期的維修養(yǎng)護，推薦船閘交通橋采用1跨越過閘室墩墻。

圖2 遭船只擦碰的船閘橋墩

引橋、匝道橋跨徑一般與閘站交通橋跨徑一致，采用相同梁高，以最終獲得較好的橋梁縱向線形形態(tài)。

2.3 橋梁豎向設計

一般綜合性水利樞紐上的交通橋豎向設計應考慮工程占地、銜接道路標高、防洪凈高、通航凈高、橋梁跨徑和梁高等因素，其中關鍵因素是通航凈高和橋梁跨徑[6]，即航道通航等級。如1座建在Ⅲ級以上內(nèi)河航道的水利樞紐，交通橋主橋橋面與地面高差可達8～10 m以上。閘上建筑前的主橋橋面宜保持平緩，縱坡可以為0%，以便銜接橋面與建筑樓面并配合建筑整體造型。引橋縱坡一般不大于5%，如有非機動車、行人通行要求，應專門設置人非梯道。

3 橋梁結構設計

3.1 上部結構設計

水利樞紐的交通橋橋面是跨越江河的交通通道，橋下是水工建筑物和航道。由于水利樞紐中的水工建筑物大部分在地面、水面以下，交通橋和其他閘上建筑物成為了呈現(xiàn)整個水利樞紐建筑風貌的重要載體。

交通橋主橋跨徑確定后，為降低橋面標高、減少引橋長度，壓縮主橋梁體高度是設計主要考慮的方向，故水利樞紐交通橋主橋梁體一般會采用高跨比較小的結構。對于20 m跨徑以下的橋梁，一般采用預應力混凝土空心板；30 m跨徑以上的橋梁，應考慮連續(xù)梁、鋼梁或下承式系桿拱等梁高較小的結構。以50 m跨徑橋梁為例，連續(xù)混凝土箱梁梁高2.5 m，下承式系桿拱，橋面系梁高1 m，當縱坡為5%時，可節(jié)省兩側引橋長度約60 m。

某大型水利樞紐跨越船閘的系桿拱橋見圖3。

圖3 某大型水利樞紐跨越船閘的系桿拱橋

3.2 下部結構設計

下部結構一般采用排架墩或蓋梁式單柱墩，墩柱選型可采用圓形墩和矩形圓角墩，如圖4所示。引橋橋墩縱向應綜合考慮閘區(qū)內(nèi)部道路位置、配套構筑物位置等進行布置，主橋橋墩縱向應考慮跨越水工建筑物寬度及分孔進行布置。橋墩可根據(jù)跨徑布置情況獨立設置基礎或與水工閘墩結合。

圖4 單柱墩實景圖

水工閘墩一般為實心混凝土墩墻，橋、閘墩結合時，墻上可直接架立橋墩，但橋墩需調(diào)整偏心以減少墩墻上的偏心荷載；同時，該節(jié)段墩墻需進行適當?shù)慕Y構分縫，基礎設計一并考慮水工建筑物和橋梁傳下來的荷載，以減少水工建筑物和橋梁結構沉降差帶來的不利影響。

3.3 附屬工程設計

交通橋上的欄桿、支座、伸縮縫、橋面鋪裝、橋面排水等附屬工程與常規(guī)橋梁設計相同，因水利樞紐交通橋功能[7]的特殊性，為滿足橋上和管理區(qū)內(nèi)部通行的需要，一般會在橋面和地面管理區(qū)間設置上下人行鋼梯，如圖5所示。

圖5 人行鋼梯布置示意圖

4 設計示例

本文以某改擴建大型水利樞紐的交通橋設計為例，介紹相關設計成果。河道設計河口寬184 m，航道等級為Ⅲ級，水利樞紐包括1個泵閘和2個船閘，該河道是區(qū)域的重要泄洪通道和航運通道。

本工程交通橋設計荷載為公路-Ⅱ級，橋上無特種車輛作業(yè)需求。交通橋（主橋+引橋）設計總長523.06 m，共6聯(lián)20跨；匝道橋長100 m，為1聯(lián)4跨。交通橋和匝道橋?qū)捑鶠?.0 m+0.5 m（防撞護欄）+7.0 m（橋面凈寬）+0.5 m（防護欄）。兩側引橋縱坡分別為4.8%和5.0%，主橋縱坡為0.65%；匝道橋縱坡為6.7%；橋面橫坡為雙向1.5%。

交通橋由北向南跨越整個水利樞紐，主橋分別跨越一線船閘閘室（凈寬12.0 m）、排澇泵閘外河段（凈寬68.0 m）、二線船閘閘室（凈寬34.0 m）。考慮避開船閘閘室結構，一線船閘主橋凈跨需不小于18 m，二線船閘主橋凈跨需不小于43 m，泵閘主橋可在河中設墩（跨徑不小于16 m）。根據(jù)上述凈跨限制、水工建筑間的距離和平面線形的約束，跨樞紐主橋采用3×25 m和2×25 m+48 m+2×25 m 2聯(lián)組成。根據(jù)梁高限制、閘上建筑造型和無落地支架施工要求，推薦采用鋼-混凝土疊合箱梁為主橋梁體。

交通橋由南至北布置為：第1、第2聯(lián)為引橋段，采用簡支預應力混凝土箱梁連續(xù)橋面，第1聯(lián)為3×25 m，第2聯(lián)為4×25 m，箱梁高度為1.4 m；第3聯(lián)為跨一線船閘和部分泵閘主橋，采用3×25 m連續(xù)鋼-混凝土疊合箱梁，箱梁高度為1.2 m；第4聯(lián)為跨部分泵閘和二線船閘主橋，采用2×25 m+48 m+2×25 m 5跨連續(xù)鋼-混凝土疊合箱梁，箱梁高度為1.2～2.2 m；第5、第6聯(lián)為引橋段，采用簡支預應力混凝土箱梁連續(xù)橋面，第5聯(lián)為3×25 m，第6聯(lián)為2×25 m，箱梁高度為1.4 m。在第3聯(lián)第2跨處設置上下匝道橋，匝道橋采用4×25 m簡支預應力混凝土箱梁連續(xù)橋面，箱梁高度為1.4 m。主橋和引橋標準橫斷面見圖6。

圖6 主橋和引橋標準橫斷面圖（單位：mm）

主橋、引橋橋墩均采用矩形圓角墩，上端部逐漸放大，呈花瓶狀，引橋橋墩上設蓋梁。橋墩均下設承臺，采用PHC管樁基礎。

5 結語

（1）交通橋是水利樞紐總體交通布局的一部分，是水利樞紐的運營管理通道和車輛過江越河的重要通道。交通橋的總體設計與水利樞紐中水工建筑物、岸上配套建筑、管理區(qū)道路等均有密切關系。

（2）交通橋主橋上部結構應采用高跨比較小的結構，以適應船閘閘室高凈空的要求。

（3）交通橋下部結構設計應根據(jù)跨徑布置情況獨立設置基礎或水工閘墩結合。考慮水工閘墩結合時，需采取必要措施，減少墩墻上的偏心荷載和沉降差帶來的不利影響。

（4）為方便管理人員由橋面通至內(nèi)部管理區(qū)，水利樞紐交通橋需設置上下人行鋼梯。