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        山區(qū)普速鐵路橋梁沖刷水害整治方案研究

        2021-11-08 01:59:14饒露朱華中吳天群李昶任一開
        鐵道建筑 2021年10期
        關(guān)鍵詞:檢算凈空水害

        饒露 朱華中 吳天群 李昶 任一開

        1.中國鐵路南昌局集團(tuán)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(yùn)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(hù)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(jìn)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(yùn),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(jìn)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(hù)費(fèi)用合計約2 016萬元。其中橋墩整治費(fèi)用約988 萬元,鋼板梁養(yǎng)護(hù)人工成本約800萬元,搶險加固及橋梁維修費(fèi)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(yùn)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(jìn)行置換,框架墩采用樁基礎(chǔ)。

        方案Ⅱ:墩梁置換??紤]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(hù)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(jìn)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??芍姆N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??梢姡焊鞣桨笖M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??芍悍桨涪窈头桨涪螂m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(tuán)有限公司管內(nèi)水害橋梁進(jìn)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(yùn)輸安全。

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