山區(qū)普速鐵路橋梁沖刷水害整治方案研究

饒露 朱華中 吳天群 李昶 任一開

1.中國鐵路南昌局集團有限公司，南昌330000；2.南昌鐵路勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，南昌330002

截至2020年底我國鐵路運營里程已達(dá)14.63萬km，其中大部分為普速鐵路。我國是一個多山國家，普速鐵路中有大量山區(qū)鐵路。為了節(jié)約建設(shè)成本，早期的山區(qū)鐵路橋梁多采用中小跨度，常常在河道中設(shè)橋墩。山區(qū)坡度陡，雨水流速快，河中水流湍急，對墩臺基礎(chǔ)、護坡等沖刷劇烈［1］。河道長期沖刷以及河道內(nèi)的挖沙采石活動，造成河床下切，又會進一步加劇橋梁基礎(chǔ)沖刷。2011 年7 月25 日集通鐵路寶木吐—巴彥塔拉段一座八孔橋東側(cè)的第一橋墩被洪水沖毀，5趟列車被迫停運，3 800余名乘客被滯留。

山區(qū)鐵路跨徑為16、24、32 m 的中小橋梁易發(fā)生水害［2-3］。水害以沖刷病害為主，整治措施有墩臺基礎(chǔ)加固［4-5］、新建大跨橋梁、增設(shè)導(dǎo)流堤和攔沙壩等。墩臺基礎(chǔ)加固雖然可以減輕水害對橋梁的影響，但不能從根本上解決鐵路橋梁水害問題。修建大跨橋梁往往采用箱形截面，梁高又受到線路標(biāo)高和橋下凈空限制。上游修建導(dǎo)流堤使水流低速通過橋孔，或者在下游河床設(shè)置攔沙壩抬高橋下河床，均只適合特定的水文地質(zhì)條件［6］。

本文對峰福（橫峰—福州）鐵路大目溪大橋歷年水害進行統(tǒng)計，提出四種整治方案并加以對比分析，為山區(qū)普速鐵路橋梁沖刷水害整治提供參考。

1 大目溪大橋水害及加固歷史

大目溪大橋于1957年建成，位于峰福鐵路大目埕—白沙鎮(zhèn)區(qū)間大目溪與閩江交匯口處，見圖1。

圖1 大目溪大橋平面位置示意

該橋原長89.56 m，中心里程為K368+309。原設(shè)計兩臺三墩共四孔梁，墩身為塊石砌體結(jié)構(gòu)，墩臺基礎(chǔ)形式見表1。福州端原橋臺1976年報廢。

表1 大目溪大橋墩臺基礎(chǔ)形式

1976 年整治改設(shè)4 號墩和新建福州端橋臺后，橋長增至124.5 m。第1孔為16 m鋼筋混凝土T形梁，第2孔—第5孔為4×24 m上承式鋼板梁。

該地區(qū)多年平均降雨量為1 673.9 mm，橋位處降雨量豐富。大目溪流量受季節(jié)影響較大，雨季水位暴漲。目前大目溪水位還受上游水庫蓄放水和閩江上游水口水電站影響，每日漲落水位差約2.0 m。

該橋自建成以來，陸續(xù)出現(xiàn)墩臺沖刷下沉、梁端頂死等病害。大目溪大橋歷年病害及整治措施見表2。該橋近20年來維修養(yǎng)護費用合計約2 016萬元。其中橋墩整治費用約988 萬元，鋼板梁養(yǎng)護人工成本約800萬元，搶險加固及橋梁維修費用約228萬元。

表2 大目溪大橋歷年病害及整治措施

2019 年12 月12 日大目溪大橋2 號墩承臺周邊河床下切最深達(dá)4.87 m，3 號墩臨水側(cè)防沖刷擋墻處河床下切最深達(dá)2.83 m，可見橋址處沖刷嚴(yán)重。2 號、3號墩現(xiàn)狀見圖2。

圖2 2號、3號墩現(xiàn)狀

2 大目溪大橋水文檢算

大目溪大橋梁底標(biāo)高H1= 21.08 m，橋下百年一遇洪水位h100= 14.30 m，橋下壅水高度Δh= 0.10 m，則橋下檢定水位Hj=h100+Δh= 14.40 m。根據(jù)鐵運函〔2004〕120號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［7］，按不通航亦無流筏的橋梁考慮，橋下凈空高度為H1-Hj=6.68 m，遠(yuǎn)大于橋下凈空最小高度限值0.25 m，說明大目溪大橋橋下凈空滿足行洪要求。

原設(shè)計除2 號墩外，其他墩承臺頂面均埋于原河床以下。其中，2 號墩承臺頂面露出原河床約1.5 m，3號墩承臺頂覆土厚0 ～0.5 m。目前2號、3號墩承臺均有不同程度的外露，部分承臺及木樁基礎(chǔ)露出河床面，2號、3號墩木樁頂高出測試時水面1.62、0.92 m，不滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》和TD/GW 103—2018《普速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》［8］中木樁頂面應(yīng)位于最低水位以下至少0.5 m的要求。

3 大目溪大橋水害整治方案

大橋橫峰側(cè)第一跨混凝土T形梁經(jīng)長時間使用已多處裂紋，梁體表面混凝土剝落導(dǎo)致鋼筋外露銹蝕，鋼板梁也有輕微銹蝕現(xiàn)象，必須加以整治。

大目溪大橋下游約100 m 即為閩江，上游水口水電站泄洪常造成支流大目溪倒灌，因此不具備修建攔沙壩的條件。

3.1 四種整治方案

方案Ⅰ：橋墩置換。針對2號、3號墩沖刷嚴(yán)重，在原2號、3號墩處各新建1個門式框架墩對原橋墩進行置換，框架墩采用樁基礎(chǔ)。

方案Ⅱ：墩梁置換。考慮到原有的混凝土梁使用時間接近設(shè)計年限、鋼板梁涂裝養(yǎng)護成本較高，將橫福鐵路最初建設(shè)的0 號臺、1 號～3 號墩均采用框架墩及樁基礎(chǔ)置換，梁體更換為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土槽形梁。

方案Ⅲ：上游建橋。為滿足主跨一跨過河、線路高程和橋下凈空的要求，與既有線并行，在現(xiàn)橋位的上游約15 m 處新建（40 + 64 + 40）m 槽形連續(xù)梁橋跨越大目溪，全長約1.0 km。部分線路需要改線。

方案Ⅳ：下游建橋。與方案Ⅲ的區(qū)別是在現(xiàn)橋位的下游約15 m 處新建（40+64+40）m 槽形連續(xù)梁橋跨越大目溪，全長約0.9 km。

方案Ⅲ和方案Ⅳ擬新建橋梁與既有橋梁孔跨布置如圖3 所示。其中實線為新橋，虛線為既有橋。因方案Ⅲ和方案Ⅳ的橋跨結(jié)構(gòu)和布置完全一樣，僅有2個橋墩，兩種方案從立面看完全重疊。

3.2 四種整治方案水文檢算

根據(jù)TB 10017—1999《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》［9］，對四種整治方案的行洪能力和基礎(chǔ)埋深進行檢算。

橋梁行洪能力可通過橋下凈空來檢算。四種整治方案橋下凈空檢算結(jié)果見表3。可知，四種方案梁底標(biāo)高超出檢定水位的高度遠(yuǎn)大于規(guī)范限值0.25 m，橋下凈空滿足規(guī)范要求，均具備百年一遇洪水安全通過能力。

表3 四種整治方案橋下凈空檢算結(jié)果 m

由于方案Ⅰ和方案Ⅱ的橋位、孔跨布置相同，設(shè)計的2 號、3 號框架墩及墩基礎(chǔ)的尺寸也相同，所以這兩種方案中2 號墩的沖刷計算結(jié)果接近，3 號墩亦如此，故未列出方案Ⅰ橋墩沖刷檢算結(jié)果。方案Ⅱ—方案Ⅳ橋墩沖刷檢算結(jié)果見表4—表6。可見：各方案擬置換或新建的橋墩樁基基底在局部沖刷線以下的埋深均遠(yuǎn)大于規(guī)范中規(guī)定的基底埋深安全值，滿足規(guī)范要求。

表4 方案Ⅱ橋墩沖刷檢算結(jié)果 m

表5 方案Ⅲ橋墩沖刷檢算結(jié)果 m

表6 方案Ⅳ橋墩沖刷檢算結(jié)果 m

3.3 整治效果、施工影響和改造成本

各方案優(yōu)缺點對比見表7。可知：方案Ⅰ和方案Ⅱ雖然可以提升橋墩的抗沖刷能力，但橋墩仍在主河道中，存在水害隱患。

表7 大目溪大橋水害整治方案優(yōu)缺點對比

方案Ⅲ和方案Ⅳ新建（40+64+40）m 槽形連續(xù)梁跨越大目溪，利用主跨一跨過河，主河道內(nèi)不設(shè)橋墩。槽形連續(xù)梁橋面至梁底的高度小，可同時滿足線路高程和橋下凈空的要求，從根本上解決橋梁水害問題。

與方案Ⅲ（上游新建橋梁）相比，方案Ⅳ（下游新建橋梁）不存在房屋拆遷的問題，且工程實施難度較小，還節(jié)省投資180.24萬元。

綜合考慮行洪能力、沖刷整治效果、施工影響和改造成本，方案Ⅳ——下游新建（40+64+40）m 槽形連續(xù)梁橋跨越大目溪方案，綜合效益最好。

4 結(jié)論與建議

1）針對峰福鐵路大目溪大橋水害，提出了四種整治方案。經(jīng)綜合比選，下游新建（40+64+40）m 槽形連續(xù)梁橋跨越大目溪方案采用主跨一跨過河可顯著提升橋梁抗水害能力，同時滿足線路高程和橋下凈空的要求，綜合效益最好。

2）建議對中國鐵路南昌局集團有限公司管內(nèi)水害橋梁進行全面調(diào)研和統(tǒng)計，并提出相應(yīng)的整治措施與分階段實施計劃，以保障鐵路運輸安全。