合理進(jìn)行橋位設(shè)計(jì)的思考

苗成濤

摘 要：作為道路跨越河流的主要形式，橋梁工程在線路工程中占據(jù)這十分重要的地位，并且其造價(jià)所占的比重也比較大。為了使橋梁工程的造價(jià)降低，并且保證橋梁使用的安全性與穩(wěn)定性，就必須合理進(jìn)行橋位設(shè)計(jì)。橋位設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有橋位選擇、水文計(jì)算、橋孔徑與墩臺基底埋置深度的確定以及調(diào)治構(gòu)造物的-布設(shè)，可見橋位設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性與綜合性。該文闡述了橋位設(shè)計(jì)需要注意的問題，并以山區(qū)橋位設(shè)計(jì)為例，針對橋位設(shè)計(jì)中的影響因素展開討論與研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：橋位設(shè)計(jì) 山區(qū) 河流 水文計(jì)算

中圖分類號：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0110-02

橋梁是公路穿越河流的關(guān)鍵途徑，線路工程橋梁工程成本占很大比重的主要形式之一，數(shù)據(jù)表明：根據(jù)工程成本歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，成本一般占橋梁工程全線的10%。降低成本的橋梁工程，除了選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式，其次就是正確合理的橋位設(shè)計(jì)，橋址設(shè)計(jì)是橋梁工程設(shè)計(jì)的重要組成部分，所以合理優(yōu)化橋位設(shè)計(jì)是確保橋梁工程質(zhì)量與控制成本的關(guān)鍵。

1 合理進(jìn)行橋位設(shè)計(jì)的思考

1.1 橋位選擇

為了保證河流橋位設(shè)計(jì)的合理性，在橋位設(shè)計(jì)中首先就要選擇合理的橋位，在橋位選擇方面，除了滿足基本要求之外，例如：路線總方向、農(nóng)田占用、拆遷、淹沒等，還要對水文、地形、地質(zhì)等方面進(jìn)行綜合考慮。同時(shí)，對于通航河道而言還提出了對航運(yùn)的要求。關(guān)于這些要求，具體介紹如下：水文方面要求選擇具有穩(wěn)定性的河床，不會有較大的自然巖邊。應(yīng)保證河道順直，河灘窄、河槽寬，河灘與河槽具有一致的流向，河槽與河谷方向一直；地形方面直流河口的上游是橋位的最佳選擇，上、下游有特殊地形如山嘴、石梁、沙洲等應(yīng)盡可能避開[1]；地質(zhì)方面橋位應(yīng)設(shè)置在有巖層的河床或者有堅(jiān)實(shí)土質(zhì)以及較淺覆蓋層的地段，而斷層、溶洞、石膏、侵蝕性鹽類等對墩臺基礎(chǔ)的建造有著不利影響，應(yīng)盡量避免。航運(yùn)方面，順直河段是橋位的最佳選擇，橋位應(yīng)避開淺灘急彎地段，確保河段航道具有穩(wěn)定性以及足夠的水深。

1.2 水文計(jì)算

水文計(jì)算是為了整理與分析測量獲取的水文資料，以此使設(shè)計(jì)水位或設(shè)計(jì)流量得以確定，確保橋梁孔徑設(shè)計(jì)能夠有參考依據(jù)。其中設(shè)計(jì)流量的計(jì)算通常會采用試錯(cuò)適線法、三點(diǎn)試線法或者矩法[2]，并與相應(yīng)的理論積累頻率曲線相匹配，繼而使橋梁的設(shè)計(jì)流量得以推算出來。試錯(cuò)適線法的依據(jù)為經(jīng)驗(yàn)累頻率點(diǎn)據(jù)，首先進(jìn)行統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算，然后進(jìn)行理論積累頻率曲線的繪制與對比，以此使合理的統(tǒng)計(jì)參數(shù)得以試算出來。利用繪線比較來確定合適的參數(shù)是該方法的主要計(jì)算特點(diǎn)，對于比較分散經(jīng)驗(yàn)積累頻率點(diǎn)據(jù)比較適用。三點(diǎn)適線法也能夠用于經(jīng)驗(yàn)積累頻率點(diǎn)據(jù)較為分散的情況，其與試錯(cuò)適線法有著相同的經(jīng)驗(yàn)積累頻率分析，然而該犯法還需考慮其他參數(shù)變化，一旦某以參數(shù)達(dá)到一定數(shù)值，得出的結(jié)果就比較合理。矩法主要按計(jì)算的三統(tǒng)計(jì)參數(shù)對設(shè)計(jì)值進(jìn)行確定的方法。該方法在實(shí)測資料或者歷史調(diào)查資料缺乏的情況下比較適用，然而其也存在一定的缺陷，例如無法驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)積累頻率點(diǎn)據(jù)，所以通常需要盡可能獲取資料，并采用適線法對設(shè)計(jì)流量進(jìn)行確定。

1.3 橋梁孔徑計(jì)算

橋孔長簡稱橋長，其指的是在設(shè)計(jì)水位條件下的兩橋臺前緣間的水面寬度。橋長計(jì)算需要按照《公路橋位勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》的公式進(jìn)行計(jì)算[3]，橋孔長計(jì)算完后，就要對橋梁分孔。如果橋梁較長，就需要分成幾孔，橋梁的使用效果以及施工難度與各孔跨徑有著十分密切的聯(lián)系，并且各孔的跨徑也影響到橋梁的總造價(jià)。在通航河流橋位設(shè)計(jì)中，應(yīng)在滿足通航要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行分孔。如果橋梁位于平原地區(qū)的寬闊河流，那么主槽部分通常會根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行較大跨徑通航孔的布置，兩邊的淺灘部分的分孔則主要以經(jīng)濟(jì)跨徑為主。若橋梁修建在山區(qū)，那么必須跨徑應(yīng)該加大，并將中間橋墩減少。針對某些體系的多孔橋梁，應(yīng)確保各孔跨徑的比例關(guān)系具有合理性，以此確保材料能夠得到合理使用。

1.4 如何確定墩臺基底埋置深度

河床沖刷計(jì)算是確定墩臺基底埋置深度的重要內(nèi)容，由于河床沖刷現(xiàn)象具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，因此會對其進(jìn)行分類計(jì)算，然后進(jìn)行疊加，進(jìn)而得到結(jié)果。墩臺沖刷現(xiàn)象通常分為河床自然演變沖刷、橋下斷面一般沖刷以及墩臺局部沖刷等三種。其中河床自然演變沖刷的確定通常需要統(tǒng)計(jì)分析橋位上、下游水文站的相關(guān)斷面資料。橋下斷面一般沖刷可以通過常用經(jīng)驗(yàn)公式以及包爾達(dá)可夫公式進(jìn)行計(jì)算確定。墩臺局部沖刷與橋下斷面一般沖刷的確定原理類似。

1.5 調(diào)治構(gòu)造物布設(shè)

調(diào)治構(gòu)造物的布設(shè)主要是為了通過對水流的調(diào)節(jié)以及對河道的整治來保證通過橋孔水流的均勻性與流暢性，并且使橋位附近河床與河岸的不利變形情況得以避免，為橋梁墩臺以及橋頭引道的正常使用提供可靠的保障。按照對水流的作用可以將調(diào)治構(gòu)造物分為導(dǎo)流構(gòu)造物、挑流構(gòu)造物以及底流構(gòu)造物等三類。不同的構(gòu)造物的設(shè)置具有靈活性，單獨(dú)設(shè)置或者聯(lián)合應(yīng)用都是可行的。此外，在灘地上可采用生物措施與調(diào)治構(gòu)造物進(jìn)行配合，或者將調(diào)治構(gòu)造物替代，例如：植樹造林。

2 山區(qū)橋位設(shè)計(jì)

2.1 地形地貌對橋位設(shè)計(jì)的影響

山區(qū)的地形具有復(fù)雜性，并且有許多河流。兩岸有山嘴或者到底等河岸穩(wěn)固的較開闊河段是橋位的最佳選擇，橋位上、下游不應(yīng)存在山嘴、石梁、沙洲等，確保水流的通暢性不受影響。如果橋梁需要跨越峽谷河段，那么一孔跨越是橋位的最佳選擇[3]，如果無法實(shí)現(xiàn)，那么流速緩、水深淺的開闊河段比較適宜。如果橋梁需要跨越山前變遷河段，那么橋位應(yīng)選在兩岸與河槽相對比較穩(wěn)定的束窄河段，當(dāng)橋梁需要跨越擴(kuò)散段時(shí)，應(yīng)確保選擇河段的擺動(dòng)范圍較小，最好使橋軸線與洪水成正交關(guān)系。如果橋梁跨越的是山前沖積漫游河段，那么上游狹窄段或下有收縮段比較適宜，當(dāng)橋梁需要通過中游擴(kuò)散段，應(yīng)采用一河多橋方案，并且各橋橋位的高程應(yīng)保持大致一致。此外，在橋位設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮多方面的要求，包括施工現(xiàn)場布置、材料運(yùn)輸?shù)取?/p>

2.2 水文對橋位設(shè)計(jì)的影響

相比于普通河流，山區(qū)河流的坡度比較陡，具有較大的河槽比降與較快的匯流速度，并且降水的調(diào)蓄作用不易受到流域的影響，流量過程呈現(xiàn)的趨勢為陡漲陡落。所以在橋位的選擇上，應(yīng)保證河道順直，具有穩(wěn)定性，灘地高而窄，并且大部分設(shè)計(jì)流量的河段能夠被河槽通過，需要注意的是，建橋會對天然河道造成一定的影響，在橋位設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免這一情況，并考慮到河道的演變。對于中、高洪水位應(yīng)保證其流向正交于橋位軸線。如果橋位軸線斜交于水流，那么引道上游形成水袋的情況應(yīng)加以嚴(yán)格控制并避免。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害對橋位設(shè)計(jì)的影響

如果山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)中，橋位應(yīng)盡可能避繞強(qiáng)巖溶地區(qū)，選擇弱巖溶地區(qū)。如果由于特殊情況需要設(shè)置在強(qiáng)巖溶地區(qū)，那么選擇的巖層應(yīng)具有完整性，并保證足夠的洞穴頂板尺寸厚度。如果橋梁路線需要跨越巖溶地區(qū)，那么構(gòu)造破碎帶是橋位應(yīng)該避開的，如確實(shí)不能避開，那么橋位通過的形式應(yīng)為正交。大洞室與大豎井也是橋位應(yīng)避開的部分，并且可溶巖層與非可溶巖層的接觸帶不應(yīng)設(shè)置橋梁，應(yīng)盡量選擇非可溶巖層來設(shè)置橋梁。對于巖溶丘陵區(qū)的峰間谷地，巖溶泉、漏斗落水溶洞、地下河出露以及地下通道等是橋位的適宜選擇。

對于泥石流這一地質(zhì)災(zāi)害，其具有突發(fā)性，并且流速較快、流量與物質(zhì)容量較大，對山體會造成較強(qiáng)的破壞。一旦發(fā)生泥石流，就會對交通設(shè)施造成嚴(yán)重的破壞，情況嚴(yán)重時(shí)還會沖毀村鎮(zhèn)，造成無可挽回的巨大損失。如果橋梁線路需要跨域泥石流地區(qū)，那么必須對這一地區(qū)的泥石流的各方面情況進(jìn)行細(xì)致的分析以及正確的評估，包括泥石流的形成條件、發(fā)育規(guī)律以及泥石流破壞性等。對于一些泥石流頻發(fā)或強(qiáng)烈的地區(qū)，應(yīng)盡量避繞，如果無法實(shí)現(xiàn)，那么溝床穩(wěn)定的流通區(qū)的直線是橋位選擇的最佳位置，并且應(yīng)確保橋梁軸線正交于主流，開挖設(shè)橋以及改溝并橋是不允許的。如果橋位需要經(jīng)過泥石流堆積扇，那么扇腰、善頂部位應(yīng)盡量避開，扇緣比較適宜，布線應(yīng)沿著等高線，將橋梁進(jìn)行分散設(shè)置。若橋位需要經(jīng)過泥石流堆積扇群，那么應(yīng)對橋位與橋型的選擇進(jìn)行充分的考慮，并且針對泥石流采取的相應(yīng)措施也是十分重要的，包括防護(hù)工程、排導(dǎo)工程以及攔擋工程等，例如護(hù)坡、導(dǎo)流堤、儲淤場、順壩、支檔與截洪工程等，使橋梁結(jié)構(gòu)的保護(hù)得以有效增強(qiáng)。

60°～70°的斜坡是崩塌頻發(fā)點(diǎn)[3]。如果橋位選在崩塌體附近，如果可以應(yīng)盡可能避開。如果無法避開，并且崩塌的規(guī)模不大，那么可以采取相應(yīng)的工程措施來對橋梁進(jìn)行保護(hù)，例如：加固山坡、清除危巖、修筑遮擋建筑物以及攔截建筑物等，使崩塌得以有效處治，為橋梁的安全提供充分的保障。然而巖體崩塌的規(guī)模較大的話，在橋位設(shè)計(jì)中就必須避開。

一直以來，滑坡都是一個(gè)重要的地質(zhì)工程問題。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析我們可以得知，地形坡度在10°～35°容易形成滑坡，其中20°～35°的坡度更容易發(fā)生滑坡。產(chǎn)生滑坡的條件、因素以及運(yùn)動(dòng)機(jī)理復(fù)雜多變，存在許多形式，預(yù)測難度較高，需要較高的投入才能進(jìn)行治理。滑坡如果按照周期來區(qū)分，可以將滑坡體分為3類，即古滑坡體、老滑坡體以及新滑坡體。然而對于古滑坡與老滑坡，其并沒有什么規(guī)律可言。這些滑坡體仍具有不穩(wěn)定性或者說暫時(shí)穩(wěn)定性，一旦受到特定自然因素或人為因素的影響，就可能再次發(fā)生滑坡。所以在橋位設(shè)計(jì)中，必須對橋位附近的滑坡體進(jìn)行勘察，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行初步的判斷與評估。橋位設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能避開滑坡體，如果條件不允許無法避開，就必須采取相關(guān)工程措施來處治滑坡，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全得到有效的保護(hù)。

2.4 通航對橋位設(shè)計(jì)的影響

現(xiàn)階段我國許多山區(qū)江河已經(jīng)被規(guī)劃為航道。橋梁如果要設(shè)置在山區(qū)通航河流上，就應(yīng)考慮通航對橋位設(shè)計(jì)的影響，并且必須滿足相關(guān)規(guī)定。應(yīng)在比較穩(wěn)定、順直且通航水深足夠的河段上設(shè)置橋位，同時(shí)河道跡遷的影響也應(yīng)予以充分的考慮。險(xiǎn)灘、淺灘、急彎、卡口、匯流口或者水工設(shè)施、港口作業(yè)以及船舶錨地等不宜設(shè)置橋位。應(yīng)盡量保證橋梁軸線正交于主流，如果無法實(shí)現(xiàn)，那么應(yīng)將橋梁軸線的法線與主流的交角控制在5°之內(nèi)，或者將通航孔的跨徑增大。如果橋位方案附近已經(jīng)有建成的橋梁，就應(yīng)注意兩橋的間距。

2.5 飲用水源對橋位設(shè)計(jì)的影響

工程建設(shè)不應(yīng)污染飲用水源，這是由于其造成的影響十分嚴(yán)重，波及到的范圍非常大，通常會影響到一個(gè)地區(qū)的人的正常生活，一旦由此造成社會恐慌，就會帶來無法挽回的損失與后果。根據(jù)我國環(huán)境保護(hù)相關(guān)規(guī)范，飲用水源保護(hù)區(qū)有三個(gè)等級，不同等級保護(hù)區(qū)其從事的工程活動(dòng)也有著不同的限制。所以在橋位設(shè)計(jì)中，應(yīng)對橋位附近的飲用水保護(hù)區(qū)及其等級進(jìn)行調(diào)查，明確橋位是否在保護(hù)區(qū)范圍之內(nèi)。如果橋梁處在保護(hù)區(qū)內(nèi)，就必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)置。例如在一級保護(hù)區(qū)的橋位設(shè)計(jì)中，規(guī)范無關(guān)供水設(shè)施以及保護(hù)水源的建設(shè)項(xiàng)目的新建、擴(kuò)建是不允許的，所以一級保護(hù)區(qū)是橋位設(shè)計(jì)中必須避開的。而其他等級保護(hù)區(qū)的橋位設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)立針對環(huán)評水保的專項(xiàng)評估，如果不符合國家相關(guān)規(guī)定，就不能進(jìn)行橋梁的修建。

2.6 其他因素對橋位設(shè)計(jì)的影響

山區(qū)地形具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，在橋位設(shè)計(jì)中存在許多影響因素。例如兩頭引道的順接問題。規(guī)劃區(qū)橋梁的橋位設(shè)計(jì)必須與規(guī)劃一致，規(guī)劃區(qū)土地不得過度占用或者減少拆遷。對于山區(qū)的“渡改橋”項(xiàng)目，為了為百姓提供交通便利，原渡口位置或者村落密集區(qū)附近是橋位設(shè)置的最佳選擇。

3 結(jié)語

綜上所述，合理進(jìn)行橋位設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：第一，橋梁基本尺寸、布局和橋型與橋位設(shè)計(jì)的合理性有著直接的聯(lián)系，同時(shí)橋位設(shè)計(jì)也對橋梁經(jīng)濟(jì)、合理、安全的修建與使用也有著十分重要的意義；第二，橋位選擇應(yīng)充分考慮實(shí)際情況，滿足各方面的設(shè)計(jì)要去，不僅要考慮成本控制，還應(yīng)保證橋梁能夠安全合理的投入使用；第三，在選擇橋位時(shí)，不僅要對經(jīng)濟(jì)性與安全性進(jìn)行考慮，橋梁與周邊景致的協(xié)調(diào)性也是分層重要的；第四，橋孔長度的計(jì)算是準(zhǔn)確劃分河床的灘、槽的重要手段，必須結(jié)合河段的實(shí)際情況，對橋位現(xiàn)場進(jìn)行細(xì)致的勘察與研究，確保河床灘、槽劃分合理；第五，河床沖刷計(jì)算是確定墩臺基底埋置深度的主要方法，現(xiàn)階段橋下斷面一般沖刷和墩臺局部沖刷的計(jì)算缺乏成熟的理論基礎(chǔ)，因此多依靠經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。而經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中河槽、河灘以及河床的土質(zhì)有著十分重要的影響，因此必須對其進(jìn)行準(zhǔn)確的分析與判斷，確保墩臺基底埋置深度滿足設(shè)計(jì)要求；第六，必須結(jié)合各方面因素進(jìn)行綜合分析，使橋位設(shè)計(jì)流量與橋孔凈長的推算結(jié)果得以論證確定。

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