張小倩

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

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汶川地震后對(duì)成蘭鐵路石亭江大橋沖刷的反思

張小倩

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

成蘭鐵路沿線，歷史上近百年經(jīng)歷三次大地震，特別是2008年“5·12”汶川地震作用非常明顯，石亭江上游流域內(nèi)形成了大量的崩塌、錯(cuò)落、危巖落石、滑坡等不良地質(zhì)，2013年四川省爆發(fā)“7·9”洪災(zāi)，大量物質(zhì)沖入石亭江，在河流水作用下，對(duì)石亭江中公路、鐵路橋梁形成沖刷。加之下游河道挖沙取石，致使河床整體下切嚴(yán)重，對(duì)橋梁基礎(chǔ)沖刷影響巨大。文章對(duì)石亭江大橋的沖刷深度進(jìn)行了分析、計(jì)算，針對(duì)石亭江沖刷特征，采取相應(yīng)的基礎(chǔ)加固措施,消除減少安全隱患，確保鐵路安全。

成蘭鐵路； 石亭江； 橋梁設(shè)計(jì)； 防治； 整治； 措施

新建成都至蘭州鐵路位于四川和甘肅省境內(nèi)，始于成都，線路途經(jīng)汶川“5·12”大地震重災(zāi)區(qū)什邡跨越石亭江，石亭江上游為“5·12”地震震中紅白鎮(zhèn)，上游流域內(nèi)在地震的作用下，由于崩塌、錯(cuò)落、危巖落石、滑坡等不良地質(zhì)，在洪水沖刷下大量的松散物質(zhì)沖入河流中，加之地震后百廢待新，下游挖沙取石嚴(yán)重，造成河流不穩(wěn)定，整體河床下切，導(dǎo)致河流中橋梁基礎(chǔ)外漏，留下安全隱患。

1 河床變化情況

1.1 石亭江特大橋設(shè)計(jì)情況

全橋孔跨布置為： (34×32+1×24+14×32) m預(yù)應(yīng)力砼簡(jiǎn)支T梁，梁部采用預(yù)制架設(shè)，全長(zhǎng)1 609.396 m，最大墩高13.5 m。段內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，基本烈度為Ⅶ度。本橋21#～28#墩位于河道內(nèi)，水中墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用8根1.25 m樁，樁長(zhǎng)32～34 m，承臺(tái)厚2.5 m，埋置于河床下2～3 m。

1.2 河床變化情況

1.2.1 設(shè)計(jì)時(shí)河床情況

本橋2011年3月施工單位進(jìn)場(chǎng)，開始施工，承臺(tái)埋置于河床下2 m，設(shè)計(jì)一般沖刷河床下2.49 m，局部沖刷1.74 m(圖1)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)施工情況(攝于2011年4月)

1.2.2 第二年河床變化情況

經(jīng)過半年的建設(shè)，下部基礎(chǔ)橋墩及基礎(chǔ)施工完，2012年8月河床經(jīng)一年沖刷，整體沖刷5～6 m，承臺(tái)部分外漏(圖2)。

圖2 橋址縱斷面(攝于2012年8月)

1.2.3 第三年河床變化情況

2013年四川省“7·9”洪災(zāi)洪災(zāi)后，對(duì)河道重新測(cè)量和調(diào)查，主河槽橋址斷面變化情況，河床下切10～15 m(圖3)；下游50 m為成綿高速公路石亭江大橋，2013年7月份洪災(zāi)發(fā)生后高速公路石亭江大橋臨時(shí)斷道整治，11月份主河槽防護(hù)結(jié)束，回復(fù)正常通車。下游1.4 km為老石亭江公路大橋，在本次洪災(zāi)中成為危橋，對(duì)過往車輛進(jìn)行限速，且該橋下游60 m攔河滾水壩在2013年洪災(zāi)后失效，河堤垮塌(圖4)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)河床沖刷情況(攝于2013年7月)

圖4 老石亭江公路橋和攔河滾水壩垮塌(攝于2013年12月)

2 洪水調(diào)查計(jì)算情況

2.1 橋梁設(shè)計(jì)洪水情況

設(shè)計(jì)洪水情況：1934年洪水重現(xiàn)期為200年，1964年洪水重現(xiàn)期為100年。1992年、2008年洪水為一般洪水。成蘭鐵路石亭江大橋河段1964年洪水比降為6.4 ‰。斷面設(shè)計(jì)洪水見表1。

表1 跨河橋斷面設(shè)計(jì)洪水成果 m3/s

成蘭鐵路石亭江大橋100年一遇的洪水位為558.98 m，100年一遇洪水的平均流速為3.96 m/s。沖刷計(jì)算成果見表2。

表2 石亭江大橋沖刷計(jì)算成果

2.2 2013年“7.9”洪災(zāi)洪水情況

2013年7月石亭江流域發(fā)生了大洪水。本次復(fù)核針對(duì)此次洪水進(jìn)行了調(diào)查分析，于2013年9月2～5日在本鐵路橋軸線上游1.8 km、下游15 km的河段范圍內(nèi)進(jìn)行了洪水調(diào)查。該河段河道較為順直，河谷比較平坦，河寬約350～380 m，河床由礫石、砂卵石組成。調(diào)查河床段兩岸均修有堤防，沿河兩岸分布有大面積的耕地，地勢(shì)平坦開闊。本鐵路橋上游1.1 km處設(shè)有水壩，該水壩是上世紀(jì)50～60年代為人民渠跨越石亭江而修建，壩高約17 m。水壩下游形成了10多米高的跌坎。本鐵路橋下游約50 m為成什綿高速公路石亭江大橋，該橋修建于2010～2011年。本鐵路橋下游1.4 km為老石亭江公路大橋，修建于20世紀(jì)80年代。由于橋下沖刷嚴(yán)重，承臺(tái)已經(jīng)懸空，為了防止沖刷加劇，2012年地方政府在該公路橋下游80 m處修建了一座混凝土面板壩用來抬高上游河床，壩高約12 m。

根據(jù)調(diào)查的2013年7月洪水坡度4.0 ‰、洪水位553.19 m。由于江中橋墩對(duì)洪水的阻力作用較大，故選取主槽糙率系數(shù)1/n=25 , 邊灘糙率系數(shù)1/n=17；推求出2013年7月洪水流量為2 905 m3/s。

2.3 河床不穩(wěn)定對(duì)橋梁的影響

本次調(diào)查范圍為橋址下游15 km內(nèi)，主要原因?yàn)榈卣鸷蠼鼛啄昊謴?fù)重建，無節(jié)制的大規(guī)模挖沙取石，導(dǎo)致河床整體下切，且河床處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致河堤沖毀、橋梁基礎(chǔ)外露，按照河床整體穩(wěn)定演變推算沖刷深度(圖5)。

圖5 下游河床沖刷情況(攝于2013年12月)

河床受水流沖刷，當(dāng)洪水流速大于河床固體物質(zhì)的不沖流速時(shí)，河床將受到?jīng)_刷，河底標(biāo)高將會(huì)進(jìn)一步降低，洪水坡度減緩，直到洪水流速小于河床固體物質(zhì)的不沖流速。根據(jù)這一假定，可以推算出河床對(duì)應(yīng)于不沖流速時(shí)的比降，進(jìn)而確定河床演變至穩(wěn)定時(shí)的河底標(biāo)高。

根據(jù)地質(zhì)資料，石亭江大橋橋位處的河床質(zhì)表層為卵石土，其中<4-11>卵石直徑6～20 cm，占50 %～55 %；<7-11>卵石直徑60～150 mm，占50 %～70 %。河床質(zhì)的平均粒徑取50 cm。根據(jù)《橋渡水文》第541頁并考慮演變過程中河床顆粒粗化，取最大不沖流速為3.3 m/s。

據(jù)橋址斷面，算得在流速為3.3 m/s時(shí)，通過百年流量3 380 m3/s需要的水力坡降為2.34 ‰。即河床坡降為2.34 ‰時(shí)，河床縱斷面達(dá)到穩(wěn)定，河底標(biāo)高不再下降。

從橋址斷面至其下游3.7 km范圍內(nèi)的河段平均坡度大于7 ‰，再往下游至實(shí)測(cè)縱斷面的末端(橋址斷面下游10 km)范圍內(nèi)的河段平均坡度為2.3 ‰，小于河床縱斷面穩(wěn)定坡度2.34 ‰。故假定橋址斷面下游3.7 km開始河床縱斷面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

從實(shí)測(cè)的橋址下游3.7 km處的河床底開始以2.34 ‰的坡度拉坡，計(jì)算得河床演變搬運(yùn)造成橋址處的河底標(biāo)高將降低18.8 m。

2.4 沖刷計(jì)算

2.4.1 一般沖刷

根據(jù)洪水特征和地質(zhì)提供的說明資料，計(jì)算百年洪水情況下的沖刷深度。計(jì)算方法采用TB 10017-99《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式非黏性土河床橋下一般沖刷(河槽部分)，計(jì)算條件及參數(shù)取值為：

河床土的性質(zhì)為非黏性土；橋下河槽能擴(kuò)寬至全橋；Bd值過大和平灘水位不易決定；橋下河槽部分最大水深hmc= 6.86 m(=553.76-546.9)；橋下河槽部分平均水深hc= 5.5 m；橋下河槽部分橋孔過水凈寬Bc= 87.68 m；橋下河床的設(shè)計(jì)流量Qp= 3 380 m3/s；單寬流量集中系數(shù)A= 1.2(取平灘水位情況)；河槽土平均粒徑dc= 50 mm；含沙量：hsl=10 kg/m3。

計(jì)算所得橋下一般沖刷后的最大水深為9.21 m，即一般沖刷深度為9.21-6.86=2.35 m。

2.4.2 局部沖刷

計(jì)算參數(shù)取值為：

河床土質(zhì)為非黏性土；橋墩計(jì)算寬度B1= 4.33 m；河床土平均粒徑d=50 mm；一般沖刷后墩前行進(jìn)流速v= 4.06 m/s；墩形系數(shù)Kξ= 1.2；橋下一般沖刷后的最大水深hp= 8.52 m；計(jì)算所得橋墩局部沖刷坑深度hb=3.78 m。

根據(jù)計(jì)算的沖刷深度，得：

橋下最深處的一般沖刷線標(biāo)高=554.97-9.21=545.76 m；

橋下最深處的局部沖刷線標(biāo)高=545.76-3.78=541.98 m。

2.5 石亭江大橋基礎(chǔ)加固綜合考慮沖刷情況

綜合以上，橋位處的百年一遇流量3 380 m3/s，水位553.76 m，流速4.06 m/s；本橋河床2013年“7·9”洪災(zāi)后地面下沖刷情況為：

河床演變深度18.8 m；一般沖刷深度2.35 m；局部沖刷深度3.78 m。

3 沖刷原因分析

(1)汶川“5·12”地震后洪水中砂石比重加大，加大河流水中墩的沖刷，水文計(jì)算沖刷規(guī)范公式中計(jì)算值偏小。

(2)下游挖沙取石嚴(yán)重，沖淤失去平衡，需要砂石補(bǔ)濟(jì)下游挖沙后沙坑，致使河床整體下切。

(3)上游水工建筑物形成陡坎，致使橋址處流速加大，加劇河床的沖刷。

(4)下游擋水壩局部失效，致使河床比降加大，造成“三十年河?xùn)|三十年河西”，局部沖刷急劇加大，造成河堤失穩(wěn)，河床整體沖刷加大。

4 加固設(shè)計(jì)內(nèi)容

(1)本次變更范圍為石亭江大橋河床內(nèi)21#～28#墩，原施工圖設(shè)計(jì)中，河床水中墩設(shè)計(jì)8根1.25 m樁，樁長(zhǎng)為32～34 m。加固措施為對(duì)既有承臺(tái)采用托底加固，新承臺(tái)采用圓端型，厚3.5 m，既有承臺(tái)包裹1.0 m，下增設(shè)2.5 m厚承臺(tái)；增設(shè)8根1.8 m樁，根據(jù)計(jì)算確定樁長(zhǎng)34～55 m(圖6)。

圖6 石亭江雙線特大橋21#～28#墩加固設(shè)計(jì)

(2)樁基設(shè)計(jì)計(jì)算考慮沖刷線：河床演變下切深度、一般沖刷深度、局部沖刷深度等共同考慮。

5 結(jié)束語

(1)在地震后跨河橋梁設(shè)計(jì)中，要調(diào)查上游流域內(nèi)的滑坡、淤積、泥石流、錯(cuò)落等不良地質(zhì)情況，水文計(jì)算按照水石流進(jìn)行計(jì)算沖刷；調(diào)查上下游水工建筑失效對(duì)沖刷的影響，上下游是否有水庫、滾水壩、擋水壩等，要充分調(diào)查水工建筑設(shè)計(jì)實(shí)用年限，水庫潰壩等對(duì)橋梁的影響；調(diào)查上下游人為因素的影響，如挖砂取石、橋址范圍內(nèi)棄碴等對(duì)橋梁的影響。

(2)橋梁孔跨布置時(shí)不宜壓縮河道，反而要使橋梁延伸至河灘外；橋墩盡量距離河堤一定距離，減少對(duì)河岸的沖刷；主河槽中可能采用大跨，減少橋墩數(shù)量，降低阻水?dāng)嗝?，減少?zèng)_刷。

(3)設(shè)計(jì)中要考慮挖沙取石致使河床整體下切及上下游水壩失效加劇沖刷等因素，確定一般沖刷線、局部沖刷線，將基礎(chǔ)基礎(chǔ)置于穩(wěn)定的地層中。

(4)因上游物質(zhì)豐富，位于山前區(qū)橋梁還還要考慮河流的淤積，橋墩要具有一定的剛度，能承受水石流的沖擊，橋下凈空預(yù)留一定的高度，發(fā)生極端洪水橋下淤積，不會(huì)造成橋梁正常運(yùn)營，且需及時(shí)清淤,確保橋梁安全。

[1] 鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院. 鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·橋渡水文[M]. 中國鐵道出版社, 1999.

[2] GB 50021-2001 巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3] TB 10017-99 鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] DZ/T 0239-2004 泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2016工程設(shè)計(jì)行業(yè)十行大事

新八字建筑方針出爐：

2016年2月6日，《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》印發(fā)，作為加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的綱領(lǐng)性文件，提出了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，確立“適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀”的新建筑方針，并提出要“加強(qiáng)城市設(shè)計(jì)工作”。

住建部首提“注冊(cè)建筑師負(fù)責(zé)制”：

2016年3月，住建部市場(chǎng)監(jiān)管司在2016年工作要點(diǎn)中提出試行建筑工程項(xiàng)目建筑師負(fù)責(zé)制。進(jìn)一步明確建筑師權(quán)利和責(zé)任，鼓勵(lì)建筑師提供從前期咨詢、設(shè)計(jì)服務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)直至運(yùn)營管理的全過程服務(wù)。

摘自《建筑時(shí)報(bào)》

U442.3+2

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[定稿日期]2016-11-17

[作者信息]張小倩(1977～)，女，本科，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。