■劉碧容
(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,福州350004)
尼伯特臺(tái)風(fēng)引起橋涵水毀調(diào)查及計(jì)算分析
■劉碧容
(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,福州350004)
通過(guò)對(duì)福州部分地區(qū)遭受尼伯特臺(tái)風(fēng)所造成的特大橋涵水毀災(zāi)害調(diào)查,分析了其橋涵水毀破壞的主要類型及其毀損的原因,計(jì)算表明:洪災(zāi)造成的水毀橋涵中絕大部分由于洪水沖刷造成,且損失非常嚴(yán)重;應(yīng)重視本次水毀橋梁中占多數(shù)的中、小橋的防洪設(shè)計(jì),嚴(yán)格按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求設(shè)置基礎(chǔ)埋置深度;橋梁防洪設(shè)計(jì)中,應(yīng)將蓋梁擋塊作為橋梁抗洪結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì);對(duì)于f2/B>6.5石拱橋防洪設(shè)計(jì),應(yīng)將主拱圈結(jié)構(gòu)抗洪水沖擊作用的承載力驗(yàn)算作為必要條件。
橋涵水毀成因沖刷設(shè)計(jì)
2016年7月9日,受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”影響,福州閩清和永泰等地區(qū)普降百年不遇的特大暴雨。本次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)雨量大,歷時(shí)短(相當(dāng)部分區(qū)域3小時(shí)降水量超200mm),強(qiáng)降水多位于梅溪和大樟溪河谷,造成溪水水位暴漲,洪峰水位均超歷史記錄。洪災(zāi)造成兩縣流域內(nèi)大量公路和橋涵沖毀,損失巨大,尤其是作為公路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的橋涵大量因水毀遭嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致災(zāi)區(qū)無(wú)法及時(shí)開(kāi)展救災(zāi)工作。因此有必要對(duì)本次水毀橋涵進(jìn)行調(diào)查分析,并提出相應(yīng)的橋涵防洪設(shè)計(jì)防治措施。
為完整、準(zhǔn)確掌握臺(tái)風(fēng)“尼伯特”造成強(qiáng)降雨對(duì)閩清和永泰地區(qū)橋涵的水毀情況,共調(diào)查了76座水毀橋涵(包含了兩縣區(qū)一定規(guī)模以上的水毀橋涵的大部分)。所調(diào)查的水毀橋涵中閩清縣占53座,永泰縣占23座,橋涵沖毀類型具體分布見(jiàn)表1。
表1 橋涵沖毀類型調(diào)查表
由表1可見(jiàn),本次水毀橋涵所調(diào)查橋涵中,絕大部分是由于洪水大幅抬高河流水位,洪水漫過(guò)橋面,流速加快造成洪水沖刷墩、臺(tái)、拱上建筑、橋頭引道路堤、錐坡等構(gòu)造物;另外巨大的山洪使水流沖擊上部結(jié)構(gòu)以及漂浮物撞擊也是兩個(gè)毀傷橋涵的重要因素。
本次所調(diào)查水毀橋涵中,損毀程度的具體情況詳見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),在本次水毀橋涵中,完全沖毀和嚴(yán)重沖毀兩項(xiàng)合計(jì)占48.7%,表明橋涵水毀損失非常嚴(yán)重,且近半數(shù)橋涵損毀無(wú)法通過(guò)加固修復(fù)實(shí)現(xiàn)通車運(yùn)營(yíng)。
表2 橋涵損毀程度表
在調(diào)查的所有水毀橋涵中,按橋梁類型分析:拱橋45座(占59.2%)、實(shí)心板橋25座(占32.9%)、空心板橋5座(占6.6%)、T梁橋1座(占1.3%);按水毀橋涵的橋梁規(guī)模分析:大橋有2座(占2.6%)、中橋有31座(占40.8%)、小橋有37座(占48.7%)、涵洞有6座(占7.9%);按水毀橋涵的橋梁跨徑分析:20m以上17座(占22.4%)、10~20m有20座(占26.3%)、5~10m有30座(占39.5%)、小于5m有9座(占11.8%);按所在公路的路線等級(jí)分析:三級(jí)以上公路6座(占7.9%)、四級(jí)公路有32座(占42.1%)、鄉(xiāng)村道路有38座(占50%)。由此可見(jiàn),本次洪災(zāi)造成的水毀橋涵以中、小橋?yàn)橹?;由于重?zāi)區(qū)位于山區(qū)河流谷地,而山區(qū)地質(zhì)條件相對(duì)較好,拱橋及淺基礎(chǔ)的梁橋等對(duì)基礎(chǔ)要求高,容易就地取材的橋梁占比較大,且這些橋梁多位于低等級(jí)公路上。對(duì)于調(diào)查的結(jié)果,本文專門針對(duì)中、小跨徑橋梁中常見(jiàn)橋梁類型的防洪設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析討論。
根據(jù)調(diào)查,本次洪災(zāi)占81.6%橋涵水毀均為受沖刷破壞,為此本文有針對(duì)性地分別選取3座有代表性的橋梁,對(duì)其橋墩和橋臺(tái)基礎(chǔ)沖刷深度進(jìn)行計(jì)算分析。
3.1 橋墩沖刷深度
以溪濱橋、前峰橋和過(guò)垅橋?yàn)槔龑?duì)橋墩沖刷深度進(jìn)行計(jì)算分析,其中溪濱橋和前峰橋分別位于梅溪的主河道和支流上,過(guò)垅橋位于大樟溪支流上,三者洪水重現(xiàn)期均按100年。
橋墩一般沖刷計(jì)算公式為(64-2簡(jiǎn)化式)[1][2]:
橋墩局部沖刷計(jì)算公式為(62-5式)[1][2]:
上述公式中參數(shù)含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]、[2]。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3:
表3 橋墩沖刷計(jì)算結(jié)果
由表3可見(jiàn),如按百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)現(xiàn)有橋梁,一般情況下在本次百年不遇的洪災(zāi)中仍可保持完好,其余多座橋梁的計(jì)算與現(xiàn)狀結(jié)果對(duì)比大致相同。
3.2 橋臺(tái)沖刷深度
以溪濱橋、溪源橋和過(guò)垅橋?yàn)槔龑?duì)橋臺(tái)沖刷深度進(jìn)行計(jì)算分析,其中溪源橋位于梅溪的支流上,溪濱橋和過(guò)垅橋的介紹見(jiàn)前文,三者洪水重現(xiàn)期均按100年。
橋臺(tái)最大沖刷深度計(jì)算公式為[1][2]:
公式中要求(hp/dˉ≤500)時(shí),各參數(shù)含義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]、 [2]。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4:
表4 橋臺(tái)沖刷計(jì)算結(jié)果
由表4可見(jiàn),按現(xiàn)行規(guī)范[1]設(shè)計(jì)橋臺(tái)的基礎(chǔ)埋深時(shí),可以滿足防洪沖刷的需要,這與前文橋墩的計(jì)算結(jié)果相一致。因此,橋墩與橋臺(tái)的沖刷對(duì)比計(jì)算均表明,山區(qū)公路橋涵實(shí)際防洪設(shè)計(jì)中切忌認(rèn)為是中、小橋涵,且位于低等級(jí)公路上重要性不大就采用主觀判斷的方式設(shè)計(jì)橋涵的基礎(chǔ)埋置深度,而應(yīng)嚴(yán)格按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范[1]計(jì)算基礎(chǔ)埋置深度。
另一方面,計(jì)算表明橋臺(tái)沖刷深度的影響因素中,橋臺(tái)的阻水長(zhǎng)度的影響非常大,如溪源橋由于橋臺(tái)及其接線路堤伸入河道長(zhǎng)達(dá)10m,壓縮河道較多,橋臺(tái)及臺(tái)后路堤嚴(yán)重沖刷,又由于路堤基礎(chǔ)埋置較淺,造成臺(tái)后路堤全幅沖毀(與計(jì)算結(jié)果一致)。與此形成鮮明對(duì)比的是,過(guò)垅橋雖然其橋墩受沖刷而破壞(計(jì)算沖刷深度達(dá)3.40m,基礎(chǔ)埋置深度不足),橋臺(tái)在洪災(zāi)中卻完好無(wú)損,主要原因是該橋位附近河道均進(jìn)行了渠化,橋臺(tái)前緣與導(dǎo)流堤平齊的緣故,使得橋臺(tái)計(jì)算沖刷深度僅僅為1.62m,在洪災(zāi)中橋臺(tái)完好。因此,在進(jìn)行橋臺(tái)防洪設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)特別重視河道調(diào)治構(gòu)造物的配合設(shè)計(jì),發(fā)揮其對(duì)防止和減小橋臺(tái)及臺(tái)后路堤沖刷的巨大作用。
本次調(diào)查的水毀橋洪水均漫過(guò)橋面,其中有3座(空心)板橋被洪水沖擊后上部主梁漂走或位移毀傷結(jié)構(gòu),1座拱橋被洪水沖擊后拱圈及拱上建筑垮塌,為此有必要對(duì)橋梁在洪水漫過(guò)橋面時(shí)洪水沖擊力作用下的受力狀況進(jìn)行計(jì)算分析。本文針對(duì)本次調(diào)查的常見(jiàn)水毀橋梁類型,分別取3座不同類型橋梁進(jìn)行受力計(jì)算分析。
4.1 空心板橋橋例
溪濱橋,3×16 m預(yù)應(yīng)力空心板結(jié)構(gòu),橋?qū)払=12.0m,本次洪災(zāi)中空心板受洪水沖擊發(fā)生挪動(dòng),撞擊蓋梁擋塊,使擋塊發(fā)生剪切破壞。
洪水沖擊水平力計(jì)算采用的公式為[3]:
式中:平均流速v=2.7m/s,主梁阻水面高度(考慮人行道兩側(cè)高度)t=1.5m,當(dāng)量粗糙度ε=0.015m[4]。
經(jīng)計(jì)算得:F=196.25kN。考慮洪水水流的脈動(dòng)及其他影響因素的修正后,得單跨空心板受到的洪水沖擊水平力為P=274.8kN。按空心板與支座間的摩擦系數(shù)μ=0.4,計(jì)算得漫水時(shí)在重力和浮力共同作用下,板底支座摩阻力為246.02kN,小于洪水沖擊力??梢?jiàn),該橋上部空心板梁易發(fā)生橫向漂移。如考慮到洪水波動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)上托力可達(dá)靜水浮力的0.6倍[3],則本橋主梁已完全托起,只有蓋梁擋塊抵抗洪水沖擊水平力。本橋擋塊設(shè)計(jì)為:C30,厚28cm,配12根Φ22mm鋼筋,經(jīng)驗(yàn)算其抗剪承載力不足。實(shí)際本橋在這次洪災(zāi)中其下游側(cè)防震擋塊完全剪切破壞。
由本例計(jì)算表明,考慮到洪水沖擊力對(duì)蓋梁擋塊的巨大剪切破壞作用,應(yīng)將蓋梁擋塊作為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),而不是僅僅作為構(gòu)造設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)擋塊在洪水沖擊力作用下的抗彎、剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算。另外,對(duì)于此類橋梁,可通過(guò)設(shè)置柔性拉力結(jié)構(gòu)防止洪水沖擊主梁,該結(jié)構(gòu)平時(shí)不影響支座的承壓及主梁的變形,當(dāng)受水淹橋沖擊橋梁時(shí),拉力結(jié)構(gòu)向下拉主梁,使主梁不致脫空滑移或漂走。本文在橋梁設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了一種具有防洪功能的空心板橋防震錨栓結(jié)構(gòu),實(shí)際效果較好(如圖1)。
圖1 有防洪功能的空心板橋防震錨栓結(jié)構(gòu)
4.2 T梁橋橋例
攸太橋,3×25 m預(yù)應(yīng)力T梁橋,橋?qū)払=15.0m,本次洪災(zāi)中主梁未發(fā)生位移及毀損,僅欄桿全毀。
洪水沖擊水平力計(jì)算公式同4.1節(jié),公式中:平均流速v=2.7m/s,主梁阻水面高度(考慮人行道兩側(cè)高度)t+ 2t1=2.82m,當(dāng)量粗糙度ε=0.015m。
經(jīng)計(jì)算得:F=562.74kN??紤]洪水水流的脈動(dòng)及其他影響因素的修正后,得單跨T梁受到的洪水沖擊水平力為P=787.83kN。按T梁與支座間的摩擦系數(shù)μ=0.4,計(jì)算得漫水時(shí)在重力和浮力共同作用下,梁底支座摩阻力為915.6kN,大于洪水沖擊力??梢?jiàn)該橋上部T梁相對(duì)空心板橋而言具有更大的抗滑移能力,因此本次洪災(zāi)中該橋T梁在漫水時(shí)不發(fā)生橫向滑移。但計(jì)算也發(fā)現(xiàn),其抗滑安全系數(shù)不大,如考慮洪水波動(dòng)產(chǎn)生的瞬間上托力(與浪高關(guān)系密切),主梁也容易發(fā)橫向滑移。此時(shí),如由蓋梁防震擋塊(C30,厚30cm)完全承擔(dān)洪水沖擊產(chǎn)生的水平力,驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)該擋塊也將發(fā)生剪切破壞。
由本例分析結(jié)果,建議該類型橋梁也參照前文,將蓋梁的防震擋塊作為受力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。如擋塊受力要求的尺寸較大時(shí),也可在靠近支座處的背水一側(cè)的梁底及蓋梁分別設(shè)置橫向剪力擋塊,平時(shí)兩者不接觸,當(dāng)梁體受洪水沖擊力作用時(shí)發(fā)揮抗剪作用,也有利于結(jié)構(gòu)的抗震作用;或者將T梁的腹板下緣預(yù)埋鋼筋環(huán)與蓋梁上的預(yù)埋件相連,形成支座的柔性拉力結(jié)構(gòu)。
4.3 拱橋橋例
鹿角橋,9孔凈跨6.4m石拱橋,橋?qū)払=6.6m,本次洪災(zāi)中,橋孔被漂流物嚴(yán)重堵塞,橋跨結(jié)構(gòu)完好。
洪水沖擊產(chǎn)生的單位面積水平力(忽略數(shù)值較小的結(jié)構(gòu)面對(duì)水流切向的粘滯阻力)計(jì)算公式為:F1=2.1×ρ·v2/2,公式中:平均流速v=2.92m/s,計(jì)算主梁阻水面高度時(shí)按拱圈及拱上建筑高度外加漂流物堵塞加高2.0m。
經(jīng)計(jì)算其水平力荷載集度為F1=9.85kN/m2,將該面荷載施加在拱結(jié)構(gòu)上,經(jīng)有限元計(jì)算(計(jì)算受力模式如圖2)得:拱腳橫向彎矩Mj=268.4kN·m,拱腳軸力Nj=533.16 kN。
圖2 洪水沖擊水平力作用下的拱橋受力示意圖
按現(xiàn)行圬工橋涵規(guī)范[5],計(jì)算得其拱腳截面的橫向抗彎承載力為24530kN·m??梢?jiàn),本橋主拱圈的橫向抗彎能力遠(yuǎn)大于洪水沖擊造成的拱腳橫向彎矩。因此,在本次洪災(zāi)中本橋即使過(guò)洪面積嚴(yán)重縮減,主拱結(jié)構(gòu)依然完好。
對(duì)本次所調(diào)查的其他中、小跨徑石拱橋進(jìn)行計(jì)算分析后,發(fā)現(xiàn)其普遍具有較強(qiáng)的抵抗洪水水平?jīng)_擊力產(chǎn)生的橫向彎矩的能力,計(jì)算表明,僅對(duì)于結(jié)構(gòu)自身來(lái)講,洪水沖擊力產(chǎn)生的拱腳橫向彎矩主要與矢高f和承受洪水壓力的面積有關(guān),而影響拱腳截面的抗彎承載力的主要因素是橋?qū)?。根?jù)文獻(xiàn)[5]對(duì)圬工截面偏心距的限制,并忽略次要因素后可推導(dǎo)出當(dāng)結(jié)構(gòu)滿足f2/B≤7.3時(shí),一般情況下對(duì)于主拱圈結(jié)構(gòu)在驗(yàn)算洪水沖擊作用下的橫向承載能力時(shí)均滿足圬工規(guī)范要求。因此保守建議:工程設(shè)計(jì)中對(duì)于f2/B>6.5的石拱橋結(jié)構(gòu),應(yīng)驗(yàn)算主拱圈結(jié)構(gòu)抗洪水沖擊作用的承載力。本次調(diào)查的水毀橋結(jié)果也表明,雖然拱橋占45座(占59.2%),其中僅茶口大橋一座主拱圈被洪水沖擊力損毀(該橋f2/B=17.64,計(jì)算發(fā)現(xiàn)在巨大的洪水沖擊力作用下其主拱圈的橫向抗彎承載力不足),其余全部是由于洪水沖刷下切河床,使得墩、臺(tái)基礎(chǔ)掏空從而傾斜、沉降而垮塌破壞,或者由于洪水對(duì)拱上建筑圬工結(jié)構(gòu)的砌縫沖陶,使砂漿掏空脫落而破壞。因此也建議:圬工拱橋迎洪面采用注漿等方式加強(qiáng)石塊間的粘結(jié),尤其是采用干砌的石拱橋;對(duì)新建拱橋橋型上宜盡量選擇空腹式拱橋,以減小洪水沖擊的水平力;對(duì)于墩臺(tái)基礎(chǔ)較淺的應(yīng)加固基礎(chǔ),對(duì)于侵入河道較多的路堤式橋臺(tái)應(yīng)修建調(diào)治構(gòu)造物來(lái)保護(hù)橋臺(tái)及路堤免受沖刷。
5.1 凈跨徑的選擇
本次調(diào)查水毀橋涵中,跨徑小于10m并位于主河道上的橋涵有36座,占比47.4%。而調(diào)查中發(fā)現(xiàn)這些中、小跨徑橋涵中相當(dāng)部分都由于橋跨設(shè)計(jì)過(guò)小,過(guò)多壓縮河床斷面致使過(guò)水面積不足,泄洪不暢,洪水流速急增,加劇了橋梁墩臺(tái),錐坡基礎(chǔ)及引道的沖刷損毀。調(diào)查中還發(fā)現(xiàn),溪流兩邊的河灘上遍種毛竹,使得本次洪災(zāi)中的洪水漂流物物中具有大量毛竹,而毛竹互相交叉橫在橋孔及橋墩中,阻截大量蘆葦?shù)燃?xì)長(zhǎng)的漂流物,致使中小橋的橋孔泄洪面積非常小,大大加劇了洪水沖刷下切河床損毀橋梁的程度。鑒于該地區(qū)的毛竹長(zhǎng)度多為5~10m,因此建議主河道橋孔凈跨徑均應(yīng)大等于12m,且不宜在兩岸河灘中種植毛竹等易遭洪水沖刷的高大作物。
5.2 欄桿設(shè)計(jì)
本次洪災(zāi)所調(diào)查的水毀橋涵,均遭洪水淹沒(méi),洪水對(duì)欄桿均有不同程度毀損,且大部分完全沖毀,而目前對(duì)于漫水橋欄桿的設(shè)計(jì)研究幾乎沒(méi)有,有必要對(duì)此進(jìn)行計(jì)算分析。采用4.1節(jié)洪水沖擊水平力計(jì)算公式計(jì)算欄桿所受到的水平力(假設(shè)欄桿平面完全為漂流物阻塞),其中欄桿高按照1.2m,洪水流速v=2.70m/s,欄桿柱間距按3 m,計(jì)算得欄桿柱中點(diǎn)位置所受水平力為38.58kN,柱腳彎矩23.15kN·m。而按現(xiàn)行橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[6]規(guī)定立柱頂水平推力取0.75 kN/m,計(jì)算得柱腳彎矩僅2.70kN·m,顯然遠(yuǎn)小于洪水沖擊力造成的柱腳彎矩?,F(xiàn)有常用的鋼筋混凝土欄桿和鋼欄桿按照該洪水沖擊水平力產(chǎn)生的內(nèi)力值進(jìn)行驗(yàn)算,均無(wú)法滿足規(guī)范要求。因此,建議欄桿防洪設(shè)計(jì)一般情況下不必考慮具有承受洪水沖擊力的承載力而作特殊設(shè)計(jì),這樣當(dāng)欄桿在洪水水平力作用下破壞時(shí),也有利于減少主梁承受洪水沖擊的承壓面積,大幅降低主梁所受洪水沖擊力而毀傷主梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。在橋梁欄桿防洪設(shè)計(jì)的選型方面,考慮到鋼欄桿在受彎變形時(shí)具有更好的延性,且通透性較好,阻水面積小的優(yōu)點(diǎn),宜優(yōu)先考慮鋼欄桿。至于人行道部分,考慮其阻水面積不大,建議防洪設(shè)計(jì)中加強(qiáng)其與主梁間結(jié)構(gòu)聯(lián)系,以達(dá)到承受洪水沖擊作用時(shí)不破壞,也有利于盡快修復(fù)橋梁。
通過(guò)對(duì)福州部分地區(qū)遭受尼伯特臺(tái)風(fēng)所造成的特大橋涵水毀災(zāi)害調(diào)查及其計(jì)算分析表明:本次洪災(zāi)中,水毀橋涵絕大部分由于洪水沖刷造成的,且橋涵水毀損失非常嚴(yán)重,近半數(shù)橋涵損毀無(wú)法通過(guò)加固修復(fù)再次使用;本次洪災(zāi)造成的水毀橋涵以中、小橋?yàn)橹?,且拱橋及淺基礎(chǔ)的梁橋等占比較大,因此應(yīng)重視于中、小橋的防洪設(shè)計(jì),嚴(yán)格按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求設(shè)置基礎(chǔ)埋置深度;在進(jìn)行橋臺(tái)防洪設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)特別重視河道調(diào)治構(gòu)造物的配合設(shè)計(jì),發(fā)揮其對(duì)防止和減小橋臺(tái)及臺(tái)后路堤沖刷的巨大作用;(空心)板橋和T梁橋在洪水沖擊水平力作用下均較易發(fā)生橫向漂移,應(yīng)將蓋梁擋塊作為橋梁抗洪結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),且宜在此類橋梁中設(shè)置柔性拉力結(jié)構(gòu)和橫向剪力擋塊等防洪水沖擊主梁的設(shè)施;對(duì)石拱橋的防洪設(shè)計(jì),當(dāng)f2/B>6.5時(shí)應(yīng)驗(yàn)算主拱圈結(jié)構(gòu)抗洪水沖擊作用的承載力,且應(yīng)采用注漿等方式加固石拱橋迎洪面;在主河道的橋梁防洪設(shè)計(jì)中橋孔凈跨徑選擇上建議應(yīng)大等于12m;橋梁欄桿的防洪設(shè)計(jì)一般情況下按照橋涵通用規(guī)范一般規(guī)定執(zhí)行即可,不必考慮具有承受洪水沖擊力的能力而作特殊設(shè)計(jì),也有利于大幅降低主梁所受洪水沖擊力。
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