一種特殊結(jié)構(gòu)橋梁排水的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

楊 剛，林欽國(guó)

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.中交第四航條工程局有限公司，廣東 廣州 510290)

0 引 言

截至到2019年底，中國(guó)高速鐵路里程已近3.5萬km，成為當(dāng)代中國(guó)重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施之一。在設(shè)計(jì)高速公路或市政公路時(shí)，不可避免地與高速鐵路產(chǎn)生立體交叉[1-3]。為保證高速鐵路運(yùn)營(yíng)的安全，對(duì)于上跨高速鐵路，多采用轉(zhuǎn)體施工技術(shù)，但仍然可能對(duì)高速鐵路產(chǎn)生重大的運(yùn)營(yíng)安全隱患；因此鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范已基本上嚴(yán)禁高速公路上跨高速鐵路的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于下穿高速鐵路和河流時(shí)，高速公路的設(shè)計(jì)標(biāo)高又受到設(shè)計(jì)規(guī)范的制約，本文結(jié)合沉管隧道的防排水技術(shù)，創(chuàng)新提出一種橋梁結(jié)構(gòu)和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以跨越高速鐵路[4-7]；并以重慶銅合高速公路金九大橋?yàn)槔懻撛谶@種特殊環(huán)境下橋梁設(shè)計(jì)的新技術(shù)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

重慶金九大橋位于三環(huán)高速公路銅梁至合川段與遂渝鐵路(既有線)、遂渝鐵路復(fù)線(200 km·h-1)、蘭渝鐵路(250 km·h-1)等3座高速鐵路橋梁交叉處，距離嘉陵江匯合口2.3 km，距離合川草街電站9 km左右。

金九大橋在方案設(shè)計(jì)階段考慮了上跨和下穿鐵路橋2種設(shè)計(jì)方案：上跨方案施工和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)大，協(xié)調(diào)難度大；下穿方案為高架橋梁，但在100年洪水時(shí)，主梁頂標(biāo)高最低處低于洪水位4 m，設(shè)計(jì)難度大，洪水期存在一定結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)各方綜合論證、研究，決定采用下穿設(shè)計(jì)方案。項(xiàng)目地理位置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目地理位置

1.2 氣象水文

1.2.1 氣象

線路區(qū)屬丘陵河谷氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，具有冬暖、春早、秋雨、濕度大、云霧多等特點(diǎn)，年均氣溫為17.9 ℃，最高年平均溫度為29.9 ℃，最低年平均溫度為18.7 ℃，歷年極端氣溫最高為41.7 ℃，最低為-4.0 ℃，無霜期超過300 d，多年平均降雨量為1 074.7 mm，最多年降雨量為1 614.8 mm，最少年降雨量為941.4 mm。項(xiàng)目位置的氣溫、降雨量見表1。

表1 項(xiàng)目區(qū)氣溫、降雨量

1.2.2 水文

線路走廊區(qū)內(nèi)水系受地形地貌及地層巖性控制，發(fā)育的溪溝大多由西北向東南方向發(fā)育，多垂直于山體走向發(fā)育，呈梳狀水系，局部也形成樹枝狀水系。橋位區(qū)內(nèi)的地表水系主要為1條由西南向東北流經(jīng)擬建橋近合川岸的溪溝，勘察時(shí)該沖溝水位約192.50 m，水深0.5～2.5 m，水面寬3～7 m。據(jù)調(diào)查訪問可知，100年1遇洪水位為218.633 m，50年1遇洪水水位為216.25 m，常年洪水水位約205.04 m，常年水位為195.3 m。洪水具有陡漲陡落、洪峰高、變幅大的特點(diǎn)。線路走廊區(qū)內(nèi)大部分地段地形較平緩，走廊區(qū)內(nèi)發(fā)育的大部分溪溝河床一般為淺“U”型，溝底坡降相對(duì)較小，兩側(cè)岸坡地形坡度一般為15° ～35° ，水流對(duì)河床的沖刷作用相對(duì)較小。

1.3 地形地貌

橋位區(qū)屬剝蝕淺丘斜坡地貌。沿線路走向地形呈波狀起伏，總體為兩岸橋臺(tái)較高，中間橋墩區(qū)地形較低，最低點(diǎn)為橋位區(qū)近合川岸沖溝部位。橋位區(qū)地面高程約為194.5～222.2 m，相對(duì)高差為26.7 m，地勢(shì)起伏較大，銅梁岸地形坡度角為5° ～28° ；合川岸地形較陡，地形坡度一般為18° ～30° ，局部形成陡坎，線路橫向地形坡角為5° ～25° 。

2 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)為金九大橋下穿鐵路部分，含金九大橋及橋梁兩頭處于100年1遇洪水水位下的浸水路基段，左線起訖點(diǎn)樁號(hào)為FZK25+997～FZK26+680，長(zhǎng)683 m，右線起訖點(diǎn)樁號(hào)為FYK26+000～FYK26+680，長(zhǎng)680 m。

該段路線平、縱設(shè)計(jì)符合總體設(shè)計(jì)要求，采取分離式路基，路線左線平面位于R=800 m圓曲線、緩和曲線以及R=2 000 m圓曲線上，縱面位于i1=-2.293%的下坡段、R=8 000 m的凹型豎曲線、i2=4%的上坡段；右線平面位于位于R=800 m圓曲線、緩和曲線以及R=2 000 m圓曲線上，縱面位于i1=-2.186%的下坡段、R=8 000 m的凹型豎曲線、i2=4%的上坡段。

橋梁左線起訖點(diǎn)樁號(hào)為FZK26+269.96～FZK26+560.04，橋長(zhǎng)290.08 m，上部構(gòu)造采用3×20 m+3×20 m+4×21 m+4×21 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁；右線起訖點(diǎn)樁號(hào)為FYK26+277.96～FYK26+572.04，橋長(zhǎng)294.08 m, 上部構(gòu)造采用3×20.4 m+3×20.4 m+4×21.2 m+4×21.2m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁。下部構(gòu)造采用樁柱式橋臺(tái)，橋墩為薄壁墩，樁基采用挖孔樁基礎(chǔ)?？傮w立面見圖2。

圖2 總體立面

3 上部構(gòu)造及下部構(gòu)造

上部結(jié)構(gòu)采用3孔和4孔20～21.2 m跨徑一聯(lián)的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，主梁高2.0 m，采用單箱三室魚腹式截面，橫梁內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力。頂板厚0.25 m、底板厚0.28 m，腹板厚0.5 m，端橫隔板厚1.2 m，中橫隔板厚1.6 m。

下部構(gòu)造橋墩采用實(shí)體墩配樁基礎(chǔ)，壁厚130 cm，寬650 cm，為了減少對(duì)水流的阻力，橫向端部設(shè)錐形體，中墩與主梁固結(jié)，取消支座的設(shè)置，降低造價(jià)及后期養(yǎng)護(hù)工作。橋臺(tái)樁柱式臺(tái)配樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為嵌巖樁。橋梁結(jié)構(gòu)斷面如圖3所示。

4 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 最大降雨量計(jì)算

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)，橋面面積為7 513 m2，匯水路基下面積為23 310 m2，地表徑流系數(shù)選用1。路基邊溝以外的降雨由邊溝排出，不排進(jìn)路基匯水。

橋面的最大降雨量Q1=ψqF1=916.6 m3·d-1。其中：ψ為徑流系數(shù)；q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度；F1為匯水面積。

路基匯水最大降雨量為Q2=ψqF2=2 843.8 m3·d-1

4.2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

由于橋面低于100年1遇洪水水位，路基段的排水采用由路基兩側(cè)排水溝及路基中央分隔帶中的排水溝排水，路基段的排水溝處設(shè)置止回閥，使其在非洪水期可自行排水。橋面排水采用封閉集中排水系統(tǒng)。在橋面橫坡低側(cè)，防水墻和防撞墻間設(shè)凹形縱向排水明槽(60 cm×40 cm)，雨水通過縱向排水明槽匯集到集水池。當(dāng)洪水水位低于凹形縱向排水明槽最低高程時(shí)，集水池排水口活動(dòng)閘門打開，雨水自然流出，否則封閉活動(dòng)閘門，采取設(shè)置在集水池的抽水系統(tǒng)抽出集水，確保本工程在100年1遇洪水位以下，洪水期間能滿足正常使用要求。

4.3 抽水水泵布設(shè)

根據(jù)降水量，采用2臺(tái)大流量、大揚(yáng)程的單級(jí)單吸離心泵，配套電機(jī)，其中1臺(tái)安裝在集水池日常使用，1臺(tái)作為備用。另配備車載大流量移動(dòng)式水泵站(1 800 m3·h-1)輔助應(yīng)急處理。水泵配備見表2。

表2 水泵配備

5 排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)金九大橋的縱坡(圖4)縱面圖，集水池設(shè)置在路線凹豎曲線最低點(diǎn)附近、左右幅5號(hào)墩間，為圓形結(jié)構(gòu)，見圖5。

橋面面積為7 513 m2，橋面最大降雨量為916.6 m3·h-1，根據(jù)排水溝的流量，將其設(shè)計(jì)成內(nèi)徑為8 m，壁厚0.35 m，底板厚0.5 m，高13.2 m。根據(jù)地質(zhì)，集水池基礎(chǔ)采用C20片石混凝土。集水池底面高程為206.0，頂面高程為218.9 m，高于100年1遇最高洪水位。為了滿足非洪水期使用，進(jìn)水口為DN600 mm，對(duì)應(yīng)左、右線，進(jìn)水口底標(biāo)高分別為211.922 m 、214.070 m，在池壁標(biāo)高207.0 m和212.0 m處各設(shè)置1個(gè)DN900 mm的出水口活動(dòng)閘。為了水位到達(dá)100年1遇洪水位時(shí)抽水系統(tǒng)的可操作性，在擋水墻與集水池之間設(shè)置連接通道、集水池閥門開關(guān)等操作平臺(tái)。

圖4 縱面

圖5 集水池平面

6 超100年1遇以上洪水位情況

對(duì)于超過100年1遇以上的洪水水位 ，將封閉交通，做好交通疏散、引導(dǎo)提示。在橋頭路基處斷開封閉排水系統(tǒng)，開口讓洪水自然流入、流出橋面 ，待洪水過后再封閉排水系統(tǒng)，確保結(jié)構(gòu)安全。

7 排水系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)

排水系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)包括日常及洪水前后養(yǎng)護(hù)，應(yīng)制定獨(dú)立養(yǎng)護(hù)方案及應(yīng)急預(yù)案。

(1)經(jīng)常和定期檢查橋面排水是否順暢、泄水管是否完好，如有堵塞，應(yīng)及時(shí)疏通；縱向排水管柔性接頭如果不漏水應(yīng)及時(shí)修復(fù)或更換。

(2)定期檢查集水池機(jī)械排水泵站是否完好，排水系統(tǒng)是否暢通，若有堵塞應(yīng)及時(shí)疏通，若有損壞則及時(shí)更換。

(3)在金九大橋橋墩中設(shè)置洪水位報(bào)警裝置，其報(bào)警信號(hào)上傳至監(jiān)控中心，若遇特大洪水可提前報(bào)警，高速公路管理人員以便迅速采取相應(yīng)的交通組織及誘導(dǎo)等措施。

(4)洪水期間應(yīng)派專人駐防，對(duì)結(jié)構(gòu)滲水、漏水、排水、抽水系統(tǒng)定時(shí)檢查；對(duì)結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)、橫向擺動(dòng)、異常變形進(jìn)行觀察；對(duì)洪水水位、漂流物等進(jìn)行監(jiān)控，如有異常，應(yīng)及時(shí)報(bào)相關(guān)部門處理，并提前與相關(guān)部門(如防汛、航道)做好聯(lián)系。

(5)按照制定的預(yù)案，每年洪水期前需開展洪水演練，對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，確保排水系統(tǒng)正常運(yùn)作。

(6)做好超過100年1遇以上的洪水水位時(shí)橋頭路基處斷開封閉排水系統(tǒng)的方案。

8 結(jié) 語

為了保證高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，在高速公路和高速鐵路交叉時(shí)宜采用下穿高速鐵路的設(shè)計(jì)方案，然而在部分特殊的地形地貌下，高速公路的設(shè)計(jì)標(biāo)高不能滿足百年一遇洪水位的要求。因此，通過對(duì)橋梁進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并采用橋面封閉集中排水系統(tǒng)，有效地保證了洪水期間橋面的排水，解決了工程在100年1遇洪水水位以下結(jié)構(gòu)安全和車輛正常通行問題，有利于抗洪搶險(xiǎn)；同時(shí)，避免了采用上跨鐵路設(shè)計(jì)方案所帶來的施工和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，減小了項(xiàng)目協(xié)調(diào)管理難度，保證項(xiàng)目正常開展。