淺談石頭河灌區(qū)輸水交通橋水毀修復(fù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

董至辰

（陜西石頭河水利產(chǎn)業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,陜西 咸陽 712000）

1 工程概況

石頭河水庫位于岐山、眉縣、太白縣三縣交界處的斜峪關(guān)上游1.5 km 處,是具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水和水產(chǎn)養(yǎng)殖的大（Ⅱ）型水利工程,為解決岐山和眉縣兩岸群眾交通和水產(chǎn)養(yǎng)殖供水問題,水庫建設(shè)期間在石頭河大壩下游1.5 km處建設(shè)了一座長77 m、寬1.5 m 交通供水兩用橋,被群眾命名為“連心橋”。

2021 年9 月,石頭河流域出現(xiàn)極端強(qiáng)降雨天氣,降雨持續(xù)時(shí)間長,水庫洪峰流量達(dá)到850 m3/s,泄洪流量700 m3/s。灌區(qū)工程出現(xiàn)多處險(xiǎn)情,“連心橋”橋墩傾斜沉陷,供水管道破損漏水,喪失了基本功能,嚴(yán)重影響生產(chǎn)交通及水產(chǎn)養(yǎng)殖場安全,因此如何設(shè)計(jì)安全合理、經(jīng)濟(jì)美觀的橋梁尤為重要。

2 輸水交通橋損毀原因簡析

正確分析工程水毀原因,對(duì)修復(fù)設(shè)計(jì)有一定預(yù)警作用,避免工程出現(xiàn)類似險(xiǎn)情,通過實(shí)地勘察分析,輸水工作橋損毀主要有以下三方面原因：

（1）橋墩基礎(chǔ)埋深較淺,不穩(wěn)固。原橋在建設(shè)時(shí)基礎(chǔ)開挖較淺,未開挖到基巖,據(jù)現(xiàn)場開挖實(shí)際測量,橋墩底部距離基巖仍有近四米多的砂卵石層,橋墩基礎(chǔ)在河床砂卵石上砌筑,基礎(chǔ)不穩(wěn)固,抗沖蝕能力差。

（2）原橋墩基礎(chǔ)為漿砌石結(jié)構(gòu),加之多次維修加固,橋墩基礎(chǔ)體型龐大寬7 m,長8.5 m（見圖1）,使得橋墩迎水面面積較大,水流在橋墩處流態(tài)紊亂,上下翻滾形成較大旋渦,加劇橋墩基礎(chǔ)掏蝕。

圖1 原交通橋水毀圖

（3）下游河道采石采砂降低了河道糙率,河道水流速度加大。加之橋墩寬度過大,橋洞過水?dāng)嗝鏈p少,在行洪期間橋涵處的水深和流速加大,河道下切加劇,橋墩基礎(chǔ)沖蝕外露懸空速度加大。

以上三個(gè)原因?qū)е螺斔煌蛟谛泻槠陂g的垮塌,給供水生產(chǎn)和交通安全帶來嚴(yán)重影響,恢復(fù)交通供水任務(wù)非常緊迫。

3 輸水交通橋修復(fù)方案優(yōu)劣性對(duì)比

工程修復(fù)總體原則：橋體結(jié)構(gòu)安全,簡單實(shí)用,充分利用原橋拆卸物資,降低建造價(jià),橋墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),橋墩建設(shè)在河床基巖上。滿足自留引水和交通功能。

3.1 兩種修復(fù)方案

（1）原址拆除重建方案

①拆除水毀橋墩,原址開挖在到基巖重新澆筑C30 鋼筋砼橋墩混凝土橋墩；②拆除維修原橋鋼桁架及橋面板、D500供水管道并進(jìn)行吊裝。

（2）新址新建方案

在原交通橋下游約50 m 處新建,①新橋跨度分別為26.70 m、28.35 m、24.25 m 的3 跨,總長79.3 m；并現(xiàn)澆C40鋼筋砼橋墩（寬1.2 m,長3 m）；③拆卸維修原橋鋼桁架、鋼管D500 供水管道及橋面板,并進(jìn)行吊裝；④購安D500 鋼管,與原供水管道銜接。

3.2 修復(fù)方案比選

從施工條件及安全性、工程經(jīng)濟(jì)性、對(duì)河道行洪影響等方面綜合比選建橋方案。

①施工安全性和施工條件比較：原址位置基巖埋深在4 m 左右,加之河道常年為渭河生態(tài)補(bǔ)水,原址修復(fù)施工,需要修建圍堰進(jìn)行基坑砂卵石開挖,開挖深度和面積較大,基坑邊坡需要進(jìn)行支護(hù)不利于橋墩施工安全。新址基巖埋深在1 m 左右,部分基巖外露且較為完整,施工不需要進(jìn)行基坑大開挖和支護(hù),施工安全性和質(zhì)量較高,工程穩(wěn)定性好。原址施工作業(yè)面上方有臨時(shí)應(yīng)急供水管道,下方基坑開挖工作面、作業(yè)面上下重疊,相互影響較大,難度系數(shù)高,安全隱患大,不利于施工作業(yè)。

②工程經(jīng)濟(jì)性比較：原址修復(fù)需開挖4 m 砂卵石層,開挖工程量大,且深基坑需進(jìn)行支護(hù)和基坑滲水進(jìn)行抽排,新址無需開挖支護(hù)和抽水,雖然新址建橋需要加長15 m 輸水管道,經(jīng)過造價(jià)比較,新址建橋造價(jià)比原址造價(jià)低。

③對(duì)河道行洪的影響比較：老橋址處河道凈寬70 m,新橋址處河道凈寬72.5 m,兩方案交通橋修復(fù)后,按照天然河道比降和糙率進(jìn)行驗(yàn)算,通過20 年一遇1500 m3/s 洪水,老橋過水?dāng)嗝嬗行挾缺刃聵蛴行н^水?dāng)嗝鎸挾刃?3.5 m,老橋處水深5.9 m,新橋水深5.1 m。新址橋水深降低0.8 m。加之新橋橋孔高度比老橋橋孔高度高1.4 m,新址建橋過流能力大于老址建橋,河道行洪相對(duì)安全。

經(jīng)過兩種方案比較,新址建橋在施工安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工條件、行洪能力等方面較優(yōu)。

4 輸水交通橋新址重建設(shè)計(jì)應(yīng)注意的重點(diǎn)問題

4.1 地質(zhì)地貌調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)地貌調(diào)查,新橋址巖石為綠泥石云母石英片巖,外露巖石有0.3 m～0.4 m 厚強(qiáng)風(fēng)化層,部分基巖上部有小于0.8 m 的砂卵石覆蓋層,基巖未見明顯風(fēng)化。新址河道橫斷面東高西低曲線平緩,而河堤西高東低。

4.2 高程控制

高程控制應(yīng)考慮的兩個(gè)因素：①由東向西自流輸水；②橋面坡比平緩。現(xiàn)場高程測量新橋址河堤西高東低,在設(shè)計(jì)時(shí)必須調(diào)整橋墩高度,使輸水管道形成東高西低的自流輸水。為交通安全,人行橋面應(yīng)平緩。現(xiàn)場高程測量見圖2。

圖2 橋管各點(diǎn)高程圖

經(jīng)綜合考慮,以原輸水管道東岸管底高程和新橋西岸管底高程為控制高程點(diǎn),新敷設(shè)管道長度195 m,比降定為2.2‰,確定新橋東岸管道底高程為685.72 m,結(jié)合橋面坡降不大于2%的要求,調(diào)整新橋東、西岸,橋面高程,最終確定各點(diǎn)高程為：橋墩頂高程選擇為684.23 m～684.83 m。適當(dāng)調(diào)整鋼桁架高度使新橋東橋面高程控制為686.2 m,西橋面高程控制為686.80 m。橋面與東西兩岸分別設(shè)置緩坡連接,這樣既滿足輸水管自流輸水要求,又滿足橋面平緩的要求。調(diào)整前后橋線與輸水管道關(guān)系圖見圖3、圖4。

圖3 橋線與輸水管道位置關(guān)系示意圖（調(diào)整前）

圖4 橋線與輸水管道位置關(guān)系示意圖（調(diào)整后）

4.3 橋墩尺寸及安全驗(yàn)算

4.3.1 選定橋墩尺寸

先由上部結(jié)構(gòu)的寬度確定橋墩頂?shù)拈L度,再按照固定桁架的支座尺寸與支座邊緣到墩頂邊緣的距離選定寬度,隨后按照選定的墩身斜度向下放坡,最后驗(yàn)算橋墩強(qiáng)度和穩(wěn)定。

初定采用1.8 m（長）×1.2 m（寬）的直墩,兩端加半徑為0.6 m 的半圓形端部。基礎(chǔ)采用單層鋼筋混凝土承臺(tái),層厚1 m 平面尺寸5 m×3.2 m。

4.3.2 安全驗(yàn)算

①上部荷載反力經(jīng)計(jì)算為186.43 kN。

②計(jì)算墩身各分段重力（見表1）,其中Fi為墩身i截面面積。墩身每2 m～3 m 選取一個(gè)計(jì)算截面,按照2 m 為一個(gè)計(jì)算截面,共分為4 段（見圖5）。

表1 墩身重力計(jì)算表

圖5 墩身分段示意圖

③墩身抗震驗(yàn)算

水平地震荷載計(jì)算：作用于橋墩質(zhì)點(diǎn)i的水平地震荷載：

式中：γ為橋墩順橋向或橫橋向基本振型參與系數(shù),經(jīng)計(jì)算為1.274；β為橋墩順橋或橫橋基本周期的動(dòng)力放大系數(shù),經(jīng)計(jì)算取2.25；Ci為重要性修正系數(shù)；Cz為綜合影響系數(shù)；Kh

為水平地震系數(shù),均可由規(guī)范查表查得。

經(jīng)計(jì)算各質(zhì)點(diǎn)水平地震荷載見表2。

表2 水平地震荷載計(jì)算表

橫橋向水平地震力計(jì)算方式與順橋向計(jì)算方式相同。偏心距計(jì)算經(jīng)計(jì)算截面的偏心距均小于0.7y=1.05 故滿足要求。

④強(qiáng)度計(jì)算

查閱材料強(qiáng)度Raj,荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值小于等于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)的設(shè)計(jì)值,截面回轉(zhuǎn)半徑縱向力的偏心影響系數(shù)計(jì)入荷載安全系數(shù)等各項(xiàng)系數(shù)后的縱向力。

⑤基底應(yīng)力驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算,偏心距0.0403<2.0ρ,<[σ],水流沖擊力

故此截面可作為“連心橋”橋墩截面使用。

5 結(jié)語

目前我國還存在類似的兩用簡易橋,大洪水極易造成橋梁損毀,在此類橋梁修復(fù)重建中應(yīng)嚴(yán)把設(shè)計(jì)關(guān)。石頭河水庫“連心橋”按照設(shè)計(jì)方案建成后經(jīng)過洪水檢驗(yàn),行洪順暢,橋梁運(yùn)行安全,取得了一定的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。本文詳細(xì)介紹分析了承擔(dān)供水與通行任務(wù)橋體重建、修復(fù)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法,以期為以后類似的工程提供一定的參考和借鑒經(jīng)驗(yàn)。