高速鐵路跨河橋梁基礎(chǔ)施工對地表水環(huán)境影響預測研究

姜建梅

【摘要】：本文通過分析跨河橋梁基礎(chǔ)施工中產(chǎn)生懸浮物的環(huán)節(jié)因素，采用河流二維穩(wěn)態(tài)模型，預測圍堰施工對河流懸浮物濃度的影響，并利用Surfer 8繪制濃度增量等值線圖。結(jié)果表明：產(chǎn)生高濃度懸浮物的區(qū)域集中在作業(yè)區(qū)周圍，懸浮物濃度變化超過10mg/L區(qū)域可至下游110m，在此水域范圍內(nèi)水體魚類生存環(huán)境受到一定影響。同時根據(jù)分析結(jié)果提出合理防治措施。

【關(guān)鍵詞】：橋梁基礎(chǔ)；圍堰；懸浮物濃度預測；防治措施

1、引言

我國已建及在建的高速鐵路與傳統(tǒng)鐵路及國外高速鐵路相比，呈現(xiàn)高架橋多、橋梁比例大的特點。且由于境內(nèi)地形復雜、氣候多變，水系分布密集，高鐵所經(jīng)區(qū)域常含河流，建設中必然要以橋梁構(gòu)筑物形式進行跨越。高鐵橋梁建設對河流水環(huán)境的影響主要集中在水中橋梁基礎(chǔ)施工階段[1]。目前國內(nèi)外大都采用機械成孔灌注樁工藝，水環(huán)境風險主要為圍堰事故造成的水環(huán)境污染，污染成分主要為鉆孔泥漿懸浮物。有關(guān)資料顯示，圍堰過程懸浮物釋放量為0.9-1.75kg/s[2]，堰內(nèi)積水抽排出來的水中懸浮物發(fā)生量在0.1-0.5 kg/s。鉆孔泥渣沉淀后上清液懸浮物濃度低于60mg/L以下。泥漿懸浮物會對局部水體水質(zhì)產(chǎn)生影響，特別是對水生生物的生存環(huán)境造成不利影響，因此進行橋梁基礎(chǔ)施工過程懸浮物的環(huán)境影響預測十分必要。

為有效分析橋梁基礎(chǔ)施工對河流水質(zhì)的影響，本文以某高速鐵路特大橋為例，采用河流二維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，模擬預測某施工期圍堰事故下懸浮物的擴散規(guī)律，有針對性的提出防治管理措施，為跨河橋梁的水環(huán)境保護提供合理依據(jù)。

2、研究方法

①預測模型

3、案例分析

3.1工程概況

以某高速鐵路特大橋跨越某河流的影響預測為例。該河流全長206公里，流域面積3847.5平方公里，特大橋跨越該河流下游，河道位于沖洪積扇上，水流平緩。受大氣降水時空影響，河流流量季節(jié)性變化很大。本工程跨越水域的橋梁總長約140m，其中水中墩5個，本橋孔跨布置為簡支梁和連續(xù)箱梁（圖3-1）。

3.2 施工工藝

本工程橋梁水中墩施工采用鋼圍堰法，由河流左岸依次進行單墩作業(yè)。由于工程跨越該處河流常年有水，為方便橋梁基礎(chǔ)施工及機具、材料的運輸，首先需在河面上架設施工便橋。通過已搭建的施工便橋?qū)搰哌\抵墩位處下沉就位，抽干圍堰中的水之后拼裝鋼護筒導向架，采用起吊設備插打水中墩鋼護筒就位，安裝鉆機開始水上鉆孔樁施工，灌注水下混凝土?；炷练獾淄瓿珊?，進行鉆孔樁基礎(chǔ)及承臺墩身施工，施工完畢后將圍堰拆除進行架梁施工。水中墩施工流程匯總?cè)缦拢?/p>

搭建施工便橋→鋼圍堰加工制作→鋼圍堰組拼→鋼圍堰下沉→埋設鋼護筒→澆筑封底混凝土→搭建施工平臺→鉆孔成樁→抽水清淤→承臺施工→墩身施工→拆除圍堰→架梁施工。

由以上分析可知，施工懸浮物的產(chǎn)生主要集中在圍堰下沉、堰內(nèi)積水抽出、機械鉆孔廢棄泥漿抽出和圍堰拆除環(huán)節(jié)[3]，一旦發(fā)生圍堰事故，泄露懸浮物將對河流水質(zhì)造成不利影響。

3.3模擬參數(shù)

結(jié)合實際工況，本工程652號水中墩位于河流中心，距河流左右兩岸分別為75m、65m。該處施工對河流擾動最大，故以此墩為例，進行枯水期施工影響預測。

根據(jù)收集資料及現(xiàn)場調(diào)查所得數(shù)據(jù)確定河流基本參數(shù)，在此基礎(chǔ)上依據(jù)公式2計算橫向混合系數(shù)，最終確定模型參數(shù)如表3-1所示。

樁基施工作業(yè)產(chǎn)生的懸浮物源強與施工河流底質(zhì)、施工時的水動力條件以及樁的直徑有關(guān)，類比相關(guān)工程施工資料，假定圍堰事故下懸浮物釋放源強約為1.2kg/s。

3.4結(jié)果分析

懸浮物濃度受流場影響，往上游擴散的距離遠小于下游的遷移距離，因此本評價僅對下游水質(zhì)的影響進行預測分析。基于河流二維穩(wěn)態(tài)模型，預測圍堰破裂懸浮物在河流中濃度變化。結(jié)果如下表3-2所示。

施工過程中懸浮物在河流中遷移擴散，模擬預測單樁基礎(chǔ)產(chǎn)生懸浮物的縱向遷移（沿河流方向）距離遠大于橫向遷移長度。采用surfer 8分析預測單墩作業(yè)時圍堰破裂產(chǎn)生的懸浮物濃度變化，二維河流水域中懸浮物濃度增量等值線圖如下所示（圖3-2）。

橫坐標x=0處為單墩位置，縱坐標表示沿河流下游的縱向距離。預測結(jié)果表明，圍堰破裂產(chǎn)生的懸浮物濃度增值≥50mg/L的水域集中在作業(yè)區(qū)周圍，橫縱向擴散距離均在10m以內(nèi)。由于圍堰施工并沒有完全截斷流場，有利于稀釋局部高濃度的懸浮物。另一方面，由于圍堰阻擋，附近流場產(chǎn)生局部死角區(qū)域，容易產(chǎn)生水流漩渦，導致下游懸浮物濃度未能均勻減少，在河流下游50m處出現(xiàn)小面積集中污染區(qū)域。

懸浮物濃度變化≥10mg/L的橫向擴散距離控制在10m以內(nèi)，下游影響距離達到110m。根據(jù)國家漁業(yè)水質(zhì)標準要求，懸浮物人為增加量不得超過10mg/L，本工程施工使水中懸浮物濃度超過10mg/L的水域面積約為1100m2，此區(qū)域?qū)λw魚類生存環(huán)境產(chǎn)生一定影響。懸浮物濃度隨河流沖刷逐漸衰減，其縱向影響距離已超出5000m，橫向影響可至下游100m外的兩岸，但濃度變化很小，影響相對較小。

3.5 防治措施

基于水域橋梁施工對河流水質(zhì)的影響結(jié)果分析，提出以下防治措施：

（1）橋梁設計盡量采取大跨連續(xù)梁穿越河流水體，橋梁基礎(chǔ)施工應選擇在枯水期，避免雨季施工對水質(zhì)的影響。

（2）橋梁涉水基礎(chǔ)施工中需精確控制鋼護筒下沉、底口標高及入土深度和垂直度。嚴格遵照圍堰下沉、開挖及封底混凝土澆筑順序，規(guī)范操作圍堰內(nèi)抽水、鋼護筒割除及樁頭清理等環(huán)節(jié)。

（3）水中墩基礎(chǔ)施工建議使用天然環(huán)保泥漿，并調(diào)整優(yōu)化鉆進工藝參數(shù)，控制廢棄泥漿排量。鉆孔施工產(chǎn)生的廢棄泥漿通過罐車運輸至岸堤外側(cè)泥漿池沉淀處理以便循環(huán)利用。

（4）水域內(nèi)拆除圍堰、疏通河道時應注意及時處理廢漿、棄土和廢棄物，避免對下游造成新的泥沙污染或留下破壞天然水體的永久性建筑垃圾。

（5）做好施工期水質(zhì)監(jiān)測，制定應急預警機制，如發(fā)生意外事件造成水體污染，及時上報環(huán)保相關(guān)部門。施工前要對施工人員進行環(huán)保培訓，加強施工人員的環(huán)境保護意識，規(guī)范施工行為。

4 、結(jié)論

采用河流二維穩(wěn)態(tài)模型模擬圍堰事故河流懸浮物濃度變化，可了解污染物擴散濃度與擴散距離的相互關(guān)系，以及對水體生態(tài)環(huán)境的影響程度。懸浮物濃度變化超過10mg/L的橫向擴散距離在10m以內(nèi)，下游影響距離達到110m，在此水域范圍內(nèi)水體魚類生存環(huán)境受到一定影響。

水域橋梁基礎(chǔ)施工應選擇在枯水期，嚴格控制施工各環(huán)節(jié)，規(guī)范操作。建議采用天然泥漿，廢棄泥漿沉淀處理后循環(huán)利用，拆堰時及時處理廢棄物，加強施工機械維護及人員培訓。同時，建議做好施工期水質(zhì)監(jiān)測，制定應急預警機制，一旦發(fā)生意外事件造成水體污染，及時上報環(huán)保相關(guān)部門。

【參考文獻】：

[1] 蔡琰.高速鐵路跨水源保護區(qū)橋梁基礎(chǔ)施工環(huán)境保護研究[D].西南交通大學，2011.

[2] 張樂嫣.青義涪江特大橋施工對濃度場影響模擬研究[D].西南交通大學，2012.

[3] 馬新強，付金，王俊嶺.圍堰漏水原因分析及處理措施[J]. 西部交通科技，2012，59（6）：74-77.endprint