橋梁基礎(chǔ)水毀的分析及其加固防治措施

胡嘉平,鄭紅雷,李海濤

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院,杭州　310006；2.浙江省大成建設(shè)集團有限公司，杭州　310012)

橋梁基礎(chǔ)水毀的分析及其加固防治措施

胡嘉平1,鄭紅雷2,李海濤2

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院,杭州310006；2.浙江省大成建設(shè)集團有限公司，杭州310012)

摘要：對柬埔寨國家8號公路部分橋梁基礎(chǔ)受2011年特大洪水沖毀造成的原因進行了分析，并根據(jù)水文條件進行了沖刷計算驗證，同時結(jié)合當(dāng)?shù)匾呀?jīng)實施的成熟方案提出了針對性的加固措施并進行了詳細論述；方案實施后又經(jīng)歷了2012年至2014年三年洪水的考驗，這些加固防治措施有效的抵御了洪水的侵襲。為東南亞類似地區(qū)的設(shè)計提供有參考價值的解決方案。

關(guān)鍵詞:橋梁；基礎(chǔ)；水毀；沖刷；加固防治

1工程概況

柬埔寨國家8號公路是柬埔寨國家公路網(wǎng)主干線公路之一，位于干丹和菠蘿勉兩省境內(nèi)中北部，磅湛省東南部，成西東走向。起點接湄公河Prek Tamak大橋與6號公路連接，往東止于柬越邊境，全長約105.6km，該項目是2007年中國政府優(yōu)惠貸款援助改建的重大基礎(chǔ)項目，于2011年7月建成通車[1]。

2011年7月～10月雨季期間東南亞中南半島部分國家發(fā)生了特大洪水，泰國發(fā)生了三百年一遇的洪水，柬埔寨、老撾等地區(qū)發(fā)生超過五十年一遇以上的洪水，洪水歷時時間長，影響范圍大，柬埔寨全國共有2000多千米道路不同程度受損，多座橋梁被沖毀。8號公路按照中國交通部頒發(fā)的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2003)中規(guī)定的平原微丘區(qū)三級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，路基設(shè)計洪水位為25年一遇，橋梁為50年一遇。柬埔寨受以往戰(zhàn)爭影響，一直缺乏有效的洪水歷史數(shù)據(jù)資料，設(shè)計采用的洪水資料主要依據(jù)當(dāng)?shù)卣桶傩仗峁┑目谑鲑Y料以及現(xiàn)狀道路橋梁的洪水痕跡情況。8號公路部分路段位于湄公河洪澇區(qū)，按照柬政府提供的官方報告稱2011年沿線經(jīng)歷了五十年一遇以上的洪水侵襲，部分河流區(qū)域更是經(jīng)歷了百年一遇的水位，且洪水持續(xù)時間長，部分路段的洪水水流流速甚至超過5 m/s，在如此強度大、范圍廣的洪水影響下，8號公路洪澇區(qū)段部分橋梁的基礎(chǔ)受到了不同程度的沖刷和毀壞，主要表現(xiàn)為橋墩受沖刷掏空、橋頭錐坡沖毀等現(xiàn)象，應(yīng)采取有效措施加固。

2橋梁水毀情況分析

以8號公路14號橋為例(受損最為嚴(yán)重)，該橋位于湄公河洪澇區(qū)，跨徑布設(shè)為3孔20 m，主要是為湄公河泛濫時泄洪的需要所設(shè)，8號公路兩側(cè)地勢平坦，無洪水時均為耕地，洪水來臨時形成洪澇區(qū)，無明顯的河床，按照現(xiàn)場調(diào)查情況及掌握的歷史洪水資料，對該橋的下部地面采用了滿鋪素混凝土的防護形式，橋梁錐坡則采用片石混凝土基礎(chǔ)及漿砌片石護面的防護措施。洪水期間現(xiàn)場見圖1和圖2所示。

圖1　橋臺處急流

圖2　洪水溢滿河道

2011年受上游來水及強降雨影響，湄公河遭遇五十年一遇的洪水，洪水迅速漫過河堤，以超過正常年份幾倍的水流速度沖刷道路且持續(xù)時間超長，對橋墩周邊的土體及橋臺基礎(chǔ)造成持續(xù)沖刷，橋墩及橋臺周邊土體隨著水流的持續(xù)作用，基礎(chǔ)被緩慢掏空，橋下鋪砌逐步瓦解，洪水過后橋墩垂直方向地面因沖刷形成了70m長左右的坑槽，深度超過10m，部分樁基沖刷深度超過11m，橋臺錐坡基礎(chǔ)被沖空垮塌。見圖3和圖4。

3基礎(chǔ)水毀的原因分析

由于特大洪水使得橋梁下部水流流速極快且過水?dāng)嗝骘柡?，洪水在橋臺附近產(chǎn)生紊流，不斷沖刷橋墩及橋臺錐坡防護的基礎(chǔ)，當(dāng)錐坡基礎(chǔ)底部的地基被沖刷掏空后，基礎(chǔ)失穩(wěn)下塌，上部開裂下沉，在洪水的不斷沖刷下逐汽車往上發(fā)展導(dǎo)致全部沖毀；水流在橋墩周圍產(chǎn)生強烈螺旋形渦流，墩前水流流線接近橋墩頭部發(fā)生急劇彎曲變化，劇烈淘刷橋墩周圍基礎(chǔ)形成深槽[2]，見圖5。

圖3　橋墩、橋臺基礎(chǔ)沖毀現(xiàn)場

圖4　橋墩外側(cè)沖刷形成的深槽

圖5　橋墩局部沖刷示意圖

橋梁樁基及基礎(chǔ)受洪水沖刷嚴(yán)重情況與地質(zhì)有極大的相關(guān)性，14號橋梁處于湄公河沖洪積區(qū)，表部為第四系地層，湄公河沖積洪積形成，淺部地層巖性為亞粘土，呈軟塑～硬塑，含少量礫，粉粒含量高，橋址區(qū)厚度約4 m，其下為粉細砂，稍密～中密狀，厚度超過40 m。該種地質(zhì)條件下土體浸水后極易軟化，洪水期間在高流速狀態(tài)下表部含礫亞粘土層被迅速剝離，其下的粉細砂土在水流持續(xù)作用下被大量帶走，形成坑槽。

墩臺的沖刷主要為一般沖刷和局部沖刷，洪水過后根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對沖刷產(chǎn)生的深度進行了理論驗證。

3.1一般沖刷計算

按照《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTJ 062-2002)非粘性土河床的一般沖刷，按式64-2簡化式[3]：

式中：hp為橋下一般沖刷后最大水深，m；

Qp-頻率為2%的設(shè)計流量，取1350m2/s；

Q2-橋下河槽部分通過的設(shè)計流量，當(dāng)河槽能擴寬至全橋時取用Qp，m3/s；

Qc-天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計流量，取560m3/s；

Bc-河槽寬度，取40m;

Qt1-天然狀態(tài)下橋下河灘部分設(shè)計流量，m3/s；

Bcg-造床流量下的河槽寬度，當(dāng)河槽能擴寬至全橋時取用橋孔總長度取60m；

λ-設(shè)計水位下，Bcg在寬度范圍內(nèi)，橋墩阻水總面積與過水面積的比值，取0.058；

μ-橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，查表取0.93；

hcm-河槽最大水深，取0.5m；

Ad-單寬流量集中系數(shù)，山前變遷、游蕩、寬灘河段當(dāng)>1.8時，Ad可采用1.8；

Hz-造床流量下的河槽平均水深，對復(fù)式河床可取平灘水位時河槽平均水深，取0.2m；

經(jīng)計算一般沖刷后最大水深hp=1.57m。

3.2局部沖刷計算

非粘性土河床橋墩局部沖刷，按式65-2計算：

式中：hb-橋墩局部沖刷深度，m；

kζ-墩形系數(shù)，查表取1.00；

B1-橋墩計算寬度，取1.2 m；

hp-一般沖刷后的最后水深，計算得1.57 m；

kη2-河床顆粒影響系數(shù)，計算得0.317；

V-一般沖刷后墩前行進流速，計算得5.83 m/s；

V0-河床泥沙起動流速，計算得0.25 m/s；

V0′-墩前泥沙起沖流速，計算得0.09 m/s；

n2-指數(shù)，計算得0.882；

經(jīng)計算局部沖刷深度hb=11.24 m。

理論計算的結(jié)果與實際沖刷深度基本一致。

4橋梁基礎(chǔ)的水毀加固防治設(shè)計

4.1橋臺錐坡加固設(shè)計

結(jié)合橋臺錐坡處水流沖刷的特點以及柬埔寨當(dāng)?shù)氐姆罌_刷加固方案，對現(xiàn)有沖毀部分的橋臺錐坡及兩側(cè)順接路基坡腳設(shè)置C20片石砼樁基擋墻，樁基采用C30鋼筋砼預(yù)制打入樁，間距1.2 m，樁頂設(shè)置厚1 m的C25鋼筋砼承臺，埋置深度在沖刷線以下1.5 m左右。橋梁錐坡范圍內(nèi)采用C20片石砼整體澆筑基礎(chǔ)；路基兩側(cè)擋墻頂邊坡整平夯實后，采用40 cm厚M7.5漿砌片石砌筑，防護至路基頂標(biāo)高。

橋下部分樁基受橋梁凈空高度的限制，無法采用預(yù)制打入樁施工，改為采用直徑1.2m的人工挖孔樁，縱向布置3根，長8 m；橋臺錐坡外側(cè)為防止急流沖刷土體造成樁基破壞，保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，在基礎(chǔ)外側(cè)設(shè)置石籠進行防護，石籠采用鍍鋅鋼絲網(wǎng)制成，厚度為60 cm，石籠施工前均先鋪設(shè)一層反濾土工布。見圖6～圖8。

圖6　橋臺錐坡處樁基加固方案平面布置圖

圖7　橋臺外擋墻打入樁方案處置圖

圖8　橋下?lián)鯄嘧斗桨柑幹脠D

4.2橋下沖刷坑加固設(shè)計

由于橋梁下部及樁基外側(cè)形成了巨大的沖刷坑，為防止坑槽對樁基的影響，對橋下及兩側(cè)沖刷坑進行回填加固處置。設(shè)計方案采用宕渣分層回填，考慮右側(cè)沖坑范圍較大，在橫向填至一定寬度后按兩級1∶2.0放坡至坑底，表部回填土壓實整平后整體鋪設(shè)一層反濾土工布(防止土體受水流沖刷而剝離)，其上采用50 cm厚石籠壓面，四周邊界嵌置石籠基礎(chǔ)，寬50 cm，埋深1.0 m。沖刷坑放坡坡腳采用C20片石砼擋墻基礎(chǔ)，寬60cm，基礎(chǔ)埋置于現(xiàn)有沖刷底部1.0 m的位置，在基礎(chǔ)外側(cè)打入直徑15 cm，間距1.2 m，長6 m的木樁防止基礎(chǔ)受水流沖刷而坍塌。見圖9～圖11。

圖9　橋下石籠滿鋪平面圖

圖10　沖刷坑橫線填筑處置圖

圖11　沖刷坑縱向填筑處置圖

針對8號公路部分橋梁、涵洞基礎(chǔ)受損情況，根據(jù)現(xiàn)場水毀程度的不同，設(shè)計采用了不同的加固防治方案。①對于一般水毀程度不大的基礎(chǔ)沖刷，主要采用了局部加鋪石籠的方案；②對于沖刷較為嚴(yán)重的基礎(chǔ)部位，采用宕渣回填，表部加鋪反濾土工布，石籠滿鋪的方案；③對于沖刷非常嚴(yán)重的基礎(chǔ)情況(如14號橋梁)，則采用了較為完善的加固處置方案，主要為設(shè)置預(yù)制打入樁、增設(shè)擋土墻、鋪設(shè)反濾土工布、設(shè)置滿鋪石籠等加固措施；④對于部分涵洞進出水口的水毀則主要采用回填宕渣加鋪反濾土工布及石籠的方案。

8號公路受2011年特大洪水侵襲，共計4座橋梁、11道涵洞的基礎(chǔ)不同程度的受損，橋涵結(jié)構(gòu)物水毀防護方案實施共計達132.6萬美元，其中14號橋梁最為嚴(yán)重，防護費用為62.5萬美元，超過常規(guī)的一般防護。橋梁涵洞水毀加固措施實施完成后，又經(jīng)歷了2012年至2014年3年的洪水侵襲，其規(guī)模雖較2011年的小，但洪水的持續(xù)時間仍超過2個月，這些水毀加固措施有效的抵御了長時間洪水沖刷的侵襲，基本避免了橋梁基礎(chǔ)再次水毀的發(fā)生。

5結(jié)語

通過參與柬埔寨國家8號公路部分橋涵基礎(chǔ)水毀加固防治方案的設(shè)計，對該區(qū)域內(nèi)特別是湄公河泛濫區(qū)實施的道路橋梁項目防洪、防沖刷要求有了更深入的了解和認識。

在湄公河泛濫區(qū)附近的道路每年存在不同程度的水毀及沖刷現(xiàn)象，且范圍較廣泛；受地質(zhì)及土體影響，一般受洪水影響較為嚴(yán)重的路段常規(guī)的漿砌防護措施往往難以奏效，應(yīng)綜合考慮土體防沖刷影響、護坡、擋墻(打入樁基礎(chǔ))與石籠等措施的配合設(shè)計。

在長時間受洪水侵襲路段，反濾土工布加石籠防護是較為簡單有效的防護形式，能夠較長時間的保護結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)周圍的土體少受水流沖刷影響；在受洪水劇烈侵襲的路段，采用打入樁基礎(chǔ)的擋墻結(jié)合石籠等防護形式是抵御高流速下強洪水的有效措施；受短時間一般洪水侵襲的路段則采用整體式基礎(chǔ)加漿砌片石就能有效防護。

參考文獻：

[1]浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院.柬埔寨國家8號公路水毀專項施工圖設(shè)計[Z].杭州：浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，2012.

[2]王亞玲，孫建民，周玉利.橋梁墩臺的護坦防護局部沖刷深度計算[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，24(6):37-39.

[3]JTG C30-2015，公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范[S].交通運輸部，2005.

Analysis Reason of Bridges and Culverts

Destroyed by Floods and Strengthening Prevention Measures

HU Jia-ping1,ZHENG Hong-lei2,LI Hai-tao2

(1.Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning,Design & Research,Hangzhou 310006 China;

2. Zhejiang Dacheng Construction Group co., ltd.,Hangzhou 310012,China)

Abstract:The cause of the part damage of the bridge foundation by the extremely serious flood in 2011 for No. 8 National Highway in Cambodia was analyzed; And sour calculation verification was carried out according to the hydrogeological conditions. Meanwhile, specific reinforcement measure was put forward and described in detail on the basic of a mature solution which had been already implemented. After the implementation of the solution, the bridge foundation stood the test of 3 years flood from 2012 to 2014. It indicates that this reinforcement measure defended the flood attack effectively. which provides a solution with great reference value for bridge design in Southeast Asia.

Key words:bridges; foundation; destroyed by floods; erosion; strengthening prevention

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，第16卷第1期，2015年3月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.1,Mar.2015

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，第16卷第1期，2015年3月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.1,Mar.2015

作者簡介：鄭惠明(1957-)，男，浙江舟山人,教授級高工,E-mail:zhenghm@zjviti.edu.cn。 宋靜曉(1960-)，男，浙江嵊州人,工程師,E-mail:csuzeliu@163.com。

基金項目：2014年浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2014T06) 浙江省交通科技項目(2013H27-4)；湖南省教育廳科研項目(13C311)

收稿日期：2014-11-16 2014-11-19

文章編號：1671-234X(2015)01-0017-05

中圖分類號：U443.17?

文獻標(biāo)識碼：

doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.01.005