齊河黃河公路大橋建設(shè)防洪影響及補(bǔ)救措施分析

沙元杰，陳 彬

（山東黃河河務(wù)局供水局，250011，濟(jì)南）

齊河黃河公路大橋是截至目前黃河上跨度最大的雙塔斜拉橋，大橋全長(zhǎng)3 767.9 m。橋位處于黃河下游濟(jì)南段，該段河道狹窄彎曲，主槽變化多。大橋建成后，河道內(nèi)橋墩的修建縮窄了過流面積，改變了河勢(shì)，導(dǎo)致上游產(chǎn)生壅水，降低了設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，下游水流加快，沖刷加大，加劇了根石走失，極易造成壩身失穩(wěn)甚至整體垮壩的險(xiǎn)情，一旦此段河道失事，將嚴(yán)重危及省會(huì)濟(jì)南的安全。因此，對(duì)大橋建設(shè)開展防洪影響評(píng)價(jià)并進(jìn)行涉河工程防滲、加固處理十分必要。

一、大橋跨越處黃河防洪工程現(xiàn)狀

齊河黃河公路大橋位于山東省濟(jì)南市北店子至濼口鐵路橋20 km內(nèi)的黃河窄河段上首，在河道內(nèi)布置1跨、2個(gè)橋墩，主槽內(nèi)無橋墩，橋跨形式為180 m+410 m+180 m，主跨跨度為410 m，河道內(nèi)2個(gè)橋墩墩型相同，為長(zhǎng)方形墩，迎水方向?qū)?8.2 m，順?biāo)较驅(qū)?9.2 m，承臺(tái)間距為5 m。

表1 橋位跨越河段險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程統(tǒng)計(jì)表

大橋跨越處河段河道長(zhǎng)23.1 km，該河段黃河大堤堤距0.6～1.3 km，河槽寬0.3～0.8 km，比降約為萬分之一，河道內(nèi)灘地橫比降為1/600左右。兩岸險(xiǎn)工毗連，遙相對(duì)峙，為河防工程控制嚴(yán)密的彎曲性河道。其中橋位處左岸為王莊險(xiǎn)工，其上接南坦險(xiǎn)工；右岸為北店子險(xiǎn)工，下游1 km處為曹家圈險(xiǎn)工（見表1）。王莊險(xiǎn)工與曹家圈險(xiǎn)工最窄處只有465 m。

表2 滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

二、大橋建設(shè)對(duì)黃河防洪影響

齊河黃河公路大橋位于山東黃河大龐險(xiǎn)工—李家岸險(xiǎn)工河段內(nèi)，該段河道為1855年（清咸豐五年）黃河在河南省蘭考縣銅瓦廂決口，奪大清河改道后形成的。經(jīng)過多年的治理，該河段現(xiàn)已成為人工控制的彎曲性河段，兩岸由險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程控制河勢(shì)，河灣難以自由發(fā)展，中水河槽相對(duì)穩(wěn)定。

1.大橋建設(shè)對(duì)河勢(shì)影響

大橋建設(shè)對(duì)河勢(shì)的影響主要體現(xiàn)在橋梁走向、跨徑、橋墩形狀等。橋墩軸線方向與中小水主溜線基本平行，與大水主溜線斜交角度6度，河槽擺動(dòng)范圍內(nèi)有2個(gè)橋墩，在設(shè)防11 000 m3/s流量條件下，斷面面積少了181.37 m2，相應(yīng)流速增大 0.24 m/s。橋梁建成后，橋墩的挑溜作用使附近河段的河勢(shì)發(fā)生變化，主流溜勢(shì)左移，次壩靠溜變?yōu)橹鲏危龥_王莊險(xiǎn)工#17壩頭；受#17壩頭影響，主溜線折向右岸，河勢(shì)下挫，曹家圈險(xiǎn)工#9～#21壩附近靠溜，大水時(shí)會(huì)造成曹家圈險(xiǎn)工上首各個(gè)壩頭吃溜過重，受沖部位的根石蟄動(dòng)或走失，造成根石邊坡變陡，使著溜險(xiǎn)工穩(wěn)定性降低，達(dá)不到穩(wěn)定河勢(shì)、控導(dǎo)主溜的目的，給防洪安全帶來隱患。

2.大橋建設(shè)對(duì)防洪工程的影響

橋梁建成后，位于河道內(nèi)的橋墩占據(jù)了部分行洪斷面，縮窄了河道過水面積，將造成大橋上游一定范圍內(nèi)的水位壅高，壅水高度將影響兩岸防洪工程的安全。為此，在橋位斷面處按11 000 m3/s流量對(duì)因大橋建設(shè)造成的最大壅水高度和壅水長(zhǎng)度參照 《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2002）推薦的公式進(jìn)行分析計(jì)算。

通過計(jì)算分析，大橋建設(shè)在設(shè)防流量條件下，壅水高度為0.27 m，壅水范圍5 400 m，工程橋位上游水位壅高，漫灘水量增加，降低設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；工程橋位下游流速有所增加，對(duì)堤防工程的局部沖刷增大，出險(xiǎn)概率增加。

橋墩施工產(chǎn)生的震動(dòng)、擾動(dòng)會(huì)對(duì)大堤造成一定的破壞，模擬橋墩周圍1m的松動(dòng)土層采用沙壤土代替原土層，滲透系數(shù)取1.0E-03，進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析計(jì)算，確定橋墩施工對(duì)堤身的滲透破壞程度。計(jì)算采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所編制的《滲流分析軟件版》（有限單元法），典型斷面滲流參數(shù)取用地質(zhì)勘查報(bào)告中的建議值，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》允許滲透坡降安全系數(shù)取2.5，計(jì)算結(jié)果詳見表2。

通過計(jì)算分析，大橋建設(shè)后相應(yīng)出逸點(diǎn)高度、出逸比降、滲流量相應(yīng)均有所增加，驗(yàn)證了大堤臨河堤腳、背河淤區(qū)橋墩的施工，能夠破壞黃河堤防地質(zhì)結(jié)構(gòu)、縮短滲徑，降低了黃河堤防抗洪強(qiáng)度，同時(shí)，承載樁埋置深度較大，破壞地基的相對(duì)不透水層，大水時(shí)易導(dǎo)致滲水管涌等險(xiǎn)情，對(duì)大堤造成安全隱患。

表3 橋位處沖刷計(jì)算結(jié)果表

3.大橋建設(shè)對(duì)河道整治工程的影響

主槽沖刷深度的大小，取決于來水來沙條件、斷面形態(tài)及附近河段河勢(shì)變化情況，根據(jù)河道斷面統(tǒng)測(cè)資料、河道工程處的根石探摸資料和歷史大洪水資料對(duì)主槽和灘地進(jìn)行計(jì)算分析確定。建橋后的總沖刷=自然演變沖刷+一般沖刷+局部沖刷。一般沖刷和局部沖刷的計(jì)算采用 《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC30—2002）提供的相關(guān)公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表3。

根據(jù)沖刷計(jì)算，因水流受橋墩的擠壓壅堵作用，河槽單寬流量增加，局部水面比降加大，設(shè)防流量11 000 m3/s時(shí)局部流速由2.38 m/s增加到2.62 m/s，導(dǎo)致河床產(chǎn)生一定的沖刷。由于橋墩附近加大了的水面比降和流速，要經(jīng)過一段距離的重新調(diào)整才能逐步恢復(fù)過渡到下游河流的自然形態(tài)。同時(shí)橋墩縮窄河槽，同流量流速加大，導(dǎo)致橋下游的王莊險(xiǎn)工、北店子險(xiǎn)工和曹家圈險(xiǎn)工壩頭沖刷加大，根石走失加重。

4.大橋建設(shè)對(duì)防汛搶險(xiǎn)的影響

大橋建設(shè)期間，橋基礎(chǔ)為水下工程，由于橋位附近河道窄、施工圍堰等工程會(huì)縮窄行洪、過凌寬度和面積，對(duì)河道大洪水行洪、防凌帶來一定影響，河道兩岸河邊堆積的一些施工物料、施工棄渣等也會(huì)影響洪水、冰凌順利下泄。此外施工期間，過往的大型車輛會(huì)對(duì)堤頂?shù)缆吩斐梢欢ǔ潭鹊钠茐模绊懛姥磽岆U(xiǎn)車輛的通行。

三、補(bǔ)救措施分析

綜合以上河勢(shì)變化和計(jì)算成果分析，需對(duì)大堤進(jìn)行防滲加固處理，確保大堤防洪安全。主要工程內(nèi)容包括：堤防加高工程、錐探灌漿工程、黏土環(huán)工程、險(xiǎn)工加固工程。

1.黃河堤防加高加固

（1）黃河大堤加高

按照壅水高度和壅水長(zhǎng)度的計(jì)算分析結(jié)果，在大橋建設(shè)位置處上沿5.4 km的范圍對(duì)大堤進(jìn)行加高幫寬。加高高度為30 cm，保持原堤頂寬度不變，背河需幫寬180 cm，確定工程實(shí)施土方量。但考慮堤頂已修建堤防道路，加高、幫寬土方暫放至左岸大堤淤背區(qū)，備編織土工布袋，如遇流量8 000 m3/s以上洪峰，根據(jù)工情、汛情適時(shí)在堤頂填土堆疊防洪。

（2）黃河大堤防滲加固

目前，針對(duì)大橋施工產(chǎn)生的擾動(dòng)、滲漏問題，主要以截滲墻方式、錐探灌漿方式、設(shè)置黏土環(huán)方式進(jìn)行處理。

①截滲墻方案。采用截滲墻方式加固具有消除堤身、堤基滲水等優(yōu)點(diǎn)，尤其是可解決堤基強(qiáng)透水層漏水問題。在堤身和堤基設(shè)置截滲墻到相對(duì)不透水層，截?cái)酀B流途徑，達(dá)到降低滲透流速、滲透坡降和出逸比降的目的，從而防止堤防發(fā)生管涌、流土滑坡等滲透破壞。該方案造價(jià)較高，且需要專業(yè)隊(duì)伍施工。但由于工程量較小，調(diào)用專業(yè)隊(duì)伍困難。

②錐探灌漿方案。錐探灌漿是在大堤上填充部分堤身空洞、縫隙等，可有效解決由基層土受到擾動(dòng)引起的堤身裂縫。在黃河堤防加固中采用此方案較多，但只能解決堤身裂縫、孔洞問題，對(duì)于解決堤身土質(zhì)不均、堤基滲漏等問題效果相對(duì)較差。

③黏土環(huán)防滲設(shè)計(jì)方案。黏土環(huán)方案是在淤背區(qū)內(nèi)的橋墩樁基四周采用黏土進(jìn)行防滲處理，能夠有效解決因施工引起橋墩樁基四周土質(zhì)松動(dòng)造成的漏水問題，但該方案不能有效防止地基強(qiáng)透水層滲漏和因施工造成的空洞、裂隙等問題。

通過滲流穩(wěn)定計(jì)算分析，現(xiàn)狀堤身及工程實(shí)施后出逸比降均滿足要求，大橋建成后堤身存在的主要問題是施工過程中震動(dòng)、擾動(dòng)對(duì)堤身的破壞，造成堤身出現(xiàn)空洞、縫隙及橋墩樁基四周滲漏現(xiàn)象。綜合分析三種方案的特點(diǎn)，并根據(jù)工程實(shí)際情況選取錐探灌漿方案、黏土環(huán)防滲設(shè)計(jì)方案相結(jié)合的方式進(jìn)行防滲加固處理。

黃河大堤灌漿孔按梅花形布置在兩側(cè)堤肩，各布置兩排，縱向孔距為2.0 m，橫向孔距為2.0 m。灌漿孔造孔深度為臨、背河堤腳連線以下0.5 m。兩岸臨黃堤淤背區(qū)內(nèi)的橋墩樁基四周采用黏土環(huán)防滲處理，寬2 m，高2.5 m。根據(jù)工程橋墩的布設(shè)情況，左岸淤區(qū)為4處、右岸淤區(qū)為3處。

2.河道整治工程加固

綜合考慮沖刷計(jì)算結(jié)果、橋墩對(duì)河勢(shì)的影響及下游段黃河復(fù)雜性及不確定性，對(duì)橋位下游王莊險(xiǎn)工頂沖壩頭進(jìn)行加高加固；王莊險(xiǎn)工、北店子險(xiǎn)工、曹家圈險(xiǎn)工部分壩頭、壩岸進(jìn)行根石加固。

圖1 險(xiǎn)工加固標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

王莊險(xiǎn)工北店子頂沖壩頭加固采用沿黃大堤險(xiǎn)工標(biāo)準(zhǔn)斷面（圖1）實(shí)施。坦石頂高程為現(xiàn)狀高程+壅水高度，頂寬采用水平寬度1.0 m。外邊坡放緩至1∶1.5，內(nèi)坡按 1∶1.3。 壩體頂寬采用 10 m，非裹護(hù)部分邊坡采用 1∶2.0，裹護(hù)部分邊坡1∶1.5。壩體和坦石之間設(shè)水平寬1 m的黏土胎，根石臺(tái)頂寬考慮壩體穩(wěn)定及搶險(xiǎn)需要定為2.0 m，根石坡度根據(jù)穩(wěn)定分析成果結(jié)合目前實(shí)際情況定為 1∶1.5。

根據(jù)根石探測(cè)資料分析，王莊險(xiǎn)工、北店子險(xiǎn)工、曹家圈險(xiǎn)工部分壩頭、壩岸外邊坡在 1∶1.2～1:8 之間，根據(jù)“有一補(bǔ)一”的原則，綜合大橋?qū)觿?shì)的影響，確定根石加固外邊坡坡比為1∶1.5。根石臺(tái)高度為6 m，寬度為2 m。

3.搶險(xiǎn)道路修補(bǔ)

大橋施工期間，原則上不允許施工車輛通過，考慮大橋建設(shè)的必要性及工程實(shí)施的特殊性，允許施工車輛通過必要的堤頂?shù)缆?，但要求建設(shè)單位根據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)因機(jī)械車輛通行而破壞的兩岸大堤路面進(jìn)行恢復(fù)?；謴?fù)標(biāo)準(zhǔn)為清理原路面，鋪設(shè)黏層，路面面層為瀝青混凝土路面，厚5 cm。

四、結(jié) 語

齊河黃河公路大橋建設(shè)推動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也給河道行洪帶來一定安全隱患。通過對(duì)大橋跨越進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià)分析，開展工程補(bǔ)救措施是非常必要的。該截滲加固項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)滿足《黃河涉河建設(shè)項(xiàng)目防洪補(bǔ)償工程建設(shè)管理規(guī)定（試行）》要求，于 2016年5月開始施工建設(shè)，2017年9月竣工并通過驗(yàn)收。工程實(shí)施后，該段黃河大堤結(jié)構(gòu)安全可靠，外表整潔美觀，有效解決了建橋引起的水位壅高、沖刷加大等問題，為黃河防洪安全及大橋的順利建設(shè)提供了有力保障。