山區(qū)農(nóng)村公路橋梁墩臺的病害分析與沖刷防護(hù)加固設(shè)計

劉 飛

(沈陽市公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110168)

1 橋梁墩臺沖刷理論概述

為對河段兩端的道路進(jìn)行連接，需要在河道中設(shè)置橋墩，不過因為橋墩的布設(shè)，會造成河流通水?dāng)嗝?、路徑的變化，最終會沖刷橋墩的局部。根據(jù)我國橋涵水文，橋梁河流沖刷問題大致可以劃分為三種類型，即：局部沖刷、自然演變沖刷、一般沖刷。其中，局部沖刷，就是指由于在對水工結(jié)構(gòu)物進(jìn)行構(gòu)建以后所造成的沖刷。在河道中放置水工結(jié)構(gòu)物，便會對水流的行進(jìn)造成影響，水工結(jié)構(gòu)物附近局部流場會發(fā)生變化，進(jìn)而加大了河床剪力，最終河床會出現(xiàn)局部沖刷現(xiàn)象。局部沖刷經(jīng)常會侵蝕破損橋臺、橋梁基礎(chǔ)，出現(xiàn)橋梁水毀破壞現(xiàn)象。橋梁墩臺局部沖刷存在很多影響因素，大致可以劃分為以下幾大方面，即：流體特征因素、河床特征因素、橋臺特征因素等。自然演變沖刷，就是因為河道輸沙不平衡或者超限開采泥沙所形成的一種現(xiàn)象。根據(jù)時間尺度，自然演變沖刷，大致可以劃分為兩種類型，即短期型演變沖刷、長期演變沖刷。所謂短期演變沖刷，就是指在較短時間區(qū)間中，洪水嚴(yán)重沖刷河床，如河道在洪水較短時間中的影響作用下遭受劇烈變化的沖刷、支流與主流相匯時的沖刷、測流向主流匯入時河道發(fā)生變動等。所謂長期演變沖刷，就是指在比較長的時間區(qū)間中，既有河床遭受水流的沖刷，主要體現(xiàn)為河道在長時間中的擺動、蜿蜒對側(cè)向河道造成慢速侵蝕，河川的自然侵燭、泥沙的堆積搬運等。一般沖刷，就是指河道收縮斷面的沖刷。橋孔上游水從橋孔快速流過導(dǎo)致橋孔下斷面出現(xiàn)束縮現(xiàn)象。如果橋孔有效過水?dāng)嗝婷娣e突然變小，便會快速提高水流的流速，在這種情況下會出現(xiàn)最為劇烈的沖刷。當(dāng)以上水流下橋孔下游繼續(xù)流以后，河道斷面便會隨之逐漸恢復(fù)至正常狀態(tài)，泥沙運動和水流運動會慢慢變緩，直至非常遠(yuǎn)距離處時會恢復(fù)自然狀態(tài)。一般沖刷深度，就是指當(dāng)河床面沖刷結(jié)束以后，一般沖刷和河流原始設(shè)計水位之間的垂直水深。

2 案例分析

2.1 橋梁墩臺擴(kuò)大基礎(chǔ)產(chǎn)生的病害及其形成原因

水流沖刷對橋梁墩臺擴(kuò)大基礎(chǔ)造成的病害。

(1)某一山區(qū)農(nóng)村公路橋梁(中橋)，下部為擴(kuò)大基礎(chǔ)、片石混凝土U型橋臺，上部為1～20 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。在遭受洪水嚴(yán)重沖刷以后，橋梁上游翼墻掏底懸空，橋臺即底部局部出現(xiàn)掉空現(xiàn)象，存在非常大的安全隱患。不過橋臺臺身和橋臺基礎(chǔ)并沒有產(chǎn)生較大位移、開裂等現(xiàn)象。

(2)某一山區(qū)農(nóng)村公路橋梁(漫水橋)，下部為擴(kuò)大基礎(chǔ)、實體墩臺，上部為5跨6 m實心板。在歷經(jīng)數(shù)多次洪水以后，該橋梁墩臺擴(kuò)大基礎(chǔ)沖刷非常嚴(yán)重，降低河床的標(biāo)高、橋梁基礎(chǔ)裸露、亂石與水流已經(jīng)磨圓一些橋梁基礎(chǔ)，橋梁基礎(chǔ)一些部位被掏底，存在非常大的安全隱患。

(3)某一山區(qū)農(nóng)村公路橋梁，在水流沖刷作用下，墩臺擴(kuò)大基礎(chǔ)出現(xiàn)破損、基底懸空、基礎(chǔ)裸露等現(xiàn)象。

2.2 病害的形成原因

(1)一般情況下，山區(qū)河流的河谷都是比較狹窄的，水位下降、上升的幅度比較大；山區(qū)河流洪水經(jīng)常暴落暴漲，尤其是在暴雨集中地區(qū)，在下過雨以后，河道便會恢復(fù)至低水細(xì)流狀態(tài)；一般情況下，山區(qū)河流的河床比降都是比較大的，只要出現(xiàn)洪水，河流在洪水期間的流速非常快，便會向下游輸送河流泥沙，河床標(biāo)高極易出現(xiàn)非常大的降低，橋梁墩臺基礎(chǔ)在河流沖刷作用下而出現(xiàn)裸露、破損、懸空等現(xiàn)象。

(2)通過對設(shè)計、施工進(jìn)行深入分析后，不難發(fā)現(xiàn)，以上橋梁墩臺病害形成的一大重要原因就是橋梁墩臺基礎(chǔ)埋深不足。在設(shè)計過程中，有可能缺乏具有代表性的現(xiàn)場調(diào)查資料、河流水文資料，實際指標(biāo)與擬定計算指標(biāo)二者之間存在較大偏差等，沒有正確計算出最大沖刷深度，造成設(shè)計橋梁墩臺擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深不足。在施工過程中，基底承載力達(dá)到設(shè)計要求，并以此為條件，因不想因?qū)娱_挖深度加深而提高措施費用、施工難度等，造成墩臺擴(kuò)大基礎(chǔ)埋置深度不足。

3 山區(qū)農(nóng)村公路橋梁墩臺的沖刷防護(hù)加固設(shè)計

3.1 墩臺沖刷計算與橋梁墩臺的基礎(chǔ)埋深

(1)根據(jù)相關(guān)實際情況，包括河床地質(zhì)、泥沙與水文特征、河段特性、地區(qū)特點等，在進(jìn)行墩臺沖刷計算時，應(yīng)通過運用調(diào)查資料、實測進(jìn)行驗證，以選取出合理的計算結(jié)果。在計算墩臺基礎(chǔ)沖刷深度時，應(yīng)考慮局部沖刷、一般沖刷、自然演變沖刷。同時在設(shè)計基礎(chǔ)埋深時，應(yīng)將墩臺基礎(chǔ)沖刷深度作為重要的設(shè)計依據(jù)。

(2)當(dāng)選用河床進(jìn)行鋪砌加固時，應(yīng)在鋪砌層頂面以下大于1 m位置處設(shè)置基礎(chǔ)底面。

3.2 沖刷防護(hù)加固設(shè)計

(1)根據(jù)以上案例中因墩臺基礎(chǔ)埋置較淺導(dǎo)致的墩臺病害，宜選用的處置對策為清理河床、回填找平以后鋪砌河床，其中河床鋪砌共劃分為3大部分，即下游過渡區(qū)、橋下通過區(qū)、上游過渡區(qū)。在下游終點和上游起點均應(yīng)分布布設(shè)栽水墻，以避免下游終點沖刷掏底、上游起點水流下切。根據(jù)河床地基土的堅實程度、河流沖刷程度等，應(yīng)選用合適的鋪砌材料。同時底面層材料宜選用片石混凝土。

(2)因漫水橋的上部連續(xù)實心板與墩臺身均為出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷病害，盡管基礎(chǔ)出現(xiàn)掏底、邊角磨圓等病害，不過地基還是較堅實的，為確保橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性，宜選用河床底加固方式。

(3)中橋上部空心板梁和臺身未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞病害，除了0#橋臺基底部分懸空以外，其他基底部分都是比較堅實的，在基巖上設(shè)有1#橋臺基礎(chǔ)，基巖呈裸露狀態(tài)，橋梁整體結(jié)構(gòu)還是安全的。因為橋位處的上游河床比降偏大，水流速度在洪水期偏快，洪水具有極強(qiáng)的破壞力，宜選用加大基底埋深和栽水墻結(jié)構(gòu)尺寸、增加上游過渡區(qū)和下游過渡區(qū)的長度等處理方法。其中，該中橋主要病害的病害處置方法，如表1所示。

(4)對于橋梁基礎(chǔ)沖刷預(yù)防性加固設(shè)計、新建山區(qū)農(nóng)村公路中小型橋梁，也可以選用河床鋪地防護(hù)措施。在對河床鋪地進(jìn)行設(shè)置之前，一定要保證墩臺基礎(chǔ)基底承載力滿足設(shè)計要求、鋪底標(biāo)高滿足設(shè)計行洪要求。在新建橋梁中選用河床鋪底方法，能夠促使橋梁整體結(jié)構(gòu)變得更為安全、耐久，能夠?qū)A(chǔ)出現(xiàn)病害時間進(jìn)行延緩，選用這種方法卻會加大工程的施工成本，不過從橋梁使用壽命角度來說，這種方法還是屬于可靠、經(jīng)濟(jì)可行的一種方法。

4 小 結(jié)

在實體工程應(yīng)用中，針對橋梁基礎(chǔ)病害的形成原因進(jìn)行正確分析與判斷，對比論證，因地制宜，采用經(jīng)濟(jì)可靠、合理的防護(hù)措施才能夠有效發(fā)揮橋梁的整體功能。