地理環(huán)境對高速公路特大型橋梁工程的影響

李衛(wèi)國，徐 珂，郭建光，陳洋洋

(1.河南省第二公路工程有限公司，河南 鄭州 457000；2.河南財經(jīng)政法大學(xué)，河南 鄭州 450046)

1 工程概述

陽新黃河大橋(二期工程)，起于一期工程終點(diǎn)，向南跨越北大堤，跨越省界，于菏澤市東高寨向東跨越黃河南大堤，止于黃河大橋南橋頭，到達(dá)項目終點(diǎn)，路線全長8.127 km，河南段長4.864 km，山東段長3.263 km。該工程構(gòu)成了濮陽至湖北陽新高速公路濮陽段區(qū)域高速公路網(wǎng)主骨架，高速公路特大型橋梁工程建成后，不僅完善了地方道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時實(shí)現(xiàn)魯、豫兩省高速公路網(wǎng)絡(luò)體系的融合，有利于帶動沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

采用高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計速度120 km/h，采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，路基寬34.5 m；路線起點(diǎn)位于工可起點(diǎn)南120 m、終點(diǎn)(K42+042.788)位于山東省菏澤市牡丹區(qū)李村鎮(zhèn)東高寨東南，對接濮陽至湖北陽新高速公路山東段；路線布設(shè)綜合考慮沿線地形、水文、環(huán)保等多方面因素，采用的路面結(jié)構(gòu)科學(xué)，橋梁便于施工，橋型方案合理。

2 橋梁項目工程所處地理環(huán)境因素

2.1 地形和地質(zhì)

在濮陽至湖北陽新高速公路中，由于該位置處于黃河沖積的平原地帶，使得該處地勢比較平坦，同時從西南到東北有略微的傾斜，再加上長時間被黃河沉積、淤塞等原因，造就了濮陽地區(qū)有的地方比較平坦，有的地方屬于沙丘、坑洼等地貌特征。在濮陽市的土壤底層中，大部分土質(zhì)以砂類土、粉土、黏土為主，而在濮陽市土壤全新統(tǒng)中，底層的厚度在25～40 m之間，上部為灰黃或者淺灰色的土質(zhì)，由于結(jié)構(gòu)疏松且含淤泥質(zhì)，所以具備植物根系和蟲孔，其中夾雜著砂土以及淤泥和有機(jī)質(zhì)等[1]。而在上更新統(tǒng)中，底板埋深西北淺、東南深，底層厚度在40～50 m之間，且上部為淺黃色和棕黃色，并含有少量的鈣核，輕度銹染、石英、長石等。在中更新統(tǒng)中，底層厚度在60～80 m之間，以棕黃、黃棕色黏土、細(xì)粉砂為主，其中富含有豐富的鈣核與鐵錳，礦物質(zhì)主要有石英和少量暗色礦物。下更新統(tǒng)中，底層的厚度在130～150 m之間，巖性呈現(xiàn)紅棕黏土、細(xì)中砂等等，具有較強(qiáng)的硬度，同時夾雜有混粒結(jié)構(gòu)，局部可見鈣可以形成鈣結(jié)砂等。

2.2 水文地質(zhì)

在該項目濮陽段施工中，由于所經(jīng)區(qū)域?qū)儆邳S河水系，水文地質(zhì)中以河流和黃河為主，項目工程地勢相對低洼，水位一般在3～11 m之間。該區(qū)域的地下淺水大部分來自于黃河及其支流、大氣降水等作為地下水的主要來源。因黃河水位受到污染，影響到該區(qū)域淺層地下水質(zhì)。

2.3 氣候和氣象

濮陽市屬于溫帶半干旱氣候區(qū)，屬明顯的冬冷夏熱氣候環(huán)境，夏季有大量雨水，冬季干旱少雨雪，雨水分布不均，使得旱、澇災(zāi)害頻繁。氣溫上，濮陽市年平均氣溫13 ℃，最低溫度-2 ℃，最高溫度27 ℃。降雨上，平均降雨量與全省其它地區(qū)相比，屬于雨水偏少的地區(qū)。

3 自然環(huán)境對高速公路特大型橋梁工程的影響因素

3.1 氣象因素影響

濮陽市居溫帶干旱氣候區(qū)域，屬明顯的大陸性氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱期雨水量較大，秋季晴朗且日照時間長，冬季天氣干旱雨雪較少。一年中，除夏季因雨水期無法進(jìn)行工程項目建設(shè)外，其他季節(jié)都比較適合項目建設(shè)[2]。

3.2 自然生態(tài)因素影響

濮陽地處黃河沖擊平原區(qū)域，地面開闊且地勢平坦，在高速公路大型橋梁項目工程的建設(shè)中，相關(guān)路線不會受到地形的影響限制。在對項目工程沿線地震烈度的界定中，可以通過模擬公路所在的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)震區(qū)試驗，盡量避開較大的斷裂帶，有利于項目工程在施工中洽破壞程度降低到最小。

3.3 水質(zhì)因素影響

該項目工程區(qū)域的地下水主要來源于黃河水流，水源具有季節(jié)性。汛期時水量較大，枯水期因水位降低，沿線河流縱坡較緩。施工路線區(qū)域一般為黃河沖擊平原，地表沉積和地質(zhì)構(gòu)造情況比較復(fù)雜，河道中的地質(zhì)情況多變。施工中要注重橋梁的基礎(chǔ)墩臺型式，在埋置深度及附屬倒流工程處理上應(yīng)根據(jù)河流具體情況而定，可適當(dāng)提高橋面的設(shè)計標(biāo)高，以滿足高速公路大型橋梁的通航凈空要求。

3.4 對沿線土地資源的影響

在高速公路大型橋梁項目工程建設(shè)中，在選擇走廊帶時，可在工程項目規(guī)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)一步詳細(xì)研究，堅持節(jié)約用地、少占農(nóng)田和保護(hù)林業(yè)資源的原則，合理選擇高速公路大型橋梁的選線位置[3]。除此之外，還要征求當(dāng)?shù)卣块T的意見，充分結(jié)合當(dāng)?shù)卣块T的建設(shè)規(guī)劃進(jìn)行項目工程的設(shè)計與施工。

4 確保高速公路大橋梁結(jié)構(gòu)安全和耐久性的措施

4.1 針對橋梁耐久性的設(shè)計措施

橋梁耐久性的設(shè)計原則，需要確保結(jié)構(gòu)在使用壽命內(nèi)安全可靠，并滿足相關(guān)的功能要求，在對橋梁耐久性的設(shè)計中，要針對橋梁所處的環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查研究，然后選擇相應(yīng)的耐久性標(biāo)準(zhǔn)和難易程度。在對橋梁加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)中，需要對重要的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修復(fù)，確保橋梁的正常使用，在橋梁材料的選擇上，混凝土作為主要材料必須嚴(yán)格控制?；炷敛牧献畲笏z比控制在0.5，最小水泥用量控制在300 kg/m3，最低混凝土強(qiáng)度等級保持在C30，最大氯離子含量應(yīng)在0.15%，最大含堿量宜在3 kg/m3左右即可。除此之外還需要加大鋼筋混凝土的保護(hù)層厚度，以避免鋼筋表層鈍化膜被破壞，易發(fā)鋼筋被銹蝕。加大鋼筋混凝土保護(hù)層的厚度，是保護(hù)鋼筋免于銹蝕，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最重要措施。

4.2 高速公路大橋橋位的選擇要求

在選擇橋位時，(1)立足項目區(qū)生態(tài)脆弱的特點(diǎn)，將節(jié)約資源、生態(tài)保護(hù)置于優(yōu)先地位；(2)橋位的選擇不但要符合黃河水利、水文等特點(diǎn)，還有充分考慮到黃河的綜合治理以及防洪規(guī)劃，避免對其帶來的不利影響[4]。(3)符合區(qū)域高速公路網(wǎng)規(guī)劃及總體走向要求，并結(jié)合當(dāng)?shù)卣囊?guī)劃情況，橋位的規(guī)劃、設(shè)計，既有利于當(dāng)?shù)氐膶ν忾_放，還能促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。力求獲得最佳的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益。(4)橋位的選擇充分利用了有利的河勢、水文、地質(zhì)等自然環(huán)境，為橋梁工程建設(shè)提供了較好的環(huán)境。

主要控制點(diǎn)：路線起點(diǎn)，黃河北岸大堤，主河槽，黃河南岸大堤，沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)、濮陽縣和菏澤市規(guī)劃區(qū)。在終點(diǎn)選擇上，避開了穿越黃河濕地保護(hù)區(qū)，并與1 000 kV高壓走廊交叉的位置。即該項目起于濮陽至湖北陽新高速公路濮陽段一期工程終點(diǎn)，橋頭順接一期工程，南跨黃河；路線終點(diǎn)(K42+042.788)位于山東省菏澤市牡丹區(qū)李村鎮(zhèn)東高寨東南，對接濮陽至湖北陽新高速公路山東段路線全長8.127 km。橋位選擇K線橋位距上游G106東明黃河大橋14.8 km，距下游規(guī)劃S304黃河大橋12 km；AK線橋位距上游G106東明黃河大橋13 km，距下游規(guī)劃S304黃河大橋13.8 km,同時滿足兩個橋位都要求。黃河兩岸大堤間距6 520 m，現(xiàn)狀主河槽寬1 066 m，橋位和主河槽保持夾角垂直，和大堤采用立交形式跨越，於背區(qū)設(shè)置一個橋墩。同時對橋梁上游40 m、下游60 m長兩岸河道和迎水側(cè)堤坡進(jìn)行護(hù)砌，橋面排水應(yīng)排至兩岸堤防背水面。

4.3 水文計算

本項目為獨(dú)立特大型橋梁工程，全長8 127 m，大橋跨徑布置形式為(80+8×120+80)m+(80+8×120+80)m全長2 240 m，主跨120 m，最大聯(lián)長1 120 m。良好的水文計算，可以避免橋梁受到雨水的沖刷而造成的坍塌情況。鑒于黃河下游洪水主要由中游地區(qū)暴雨形成，洪水發(fā)生的時間為6月～10月。黃河下游的設(shè)計洪水多根據(jù)實(shí)測資料分析確定。

(1)設(shè)計洪水位

表1 橋位斷面水位計算結(jié)果

(2)壅水

黃河大橋修建后，橋前壅水分析見表2。

表2 橋前壅水分析計算

(3)浪高

橋位斷面波浪高度為1.19 m；灘地沖刷凈深度約10.5 m，河槽沖刷凈深度約22.8 m。

(4)沖刷

橋位斷面沖刷包括自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷，計算結(jié)果見表3。

表3 橋位斷面沖刷計算結(jié)果

根據(jù)水文計算，黃河特大橋濮陽段的梁底控制標(biāo)高數(shù)據(jù)為，通航孔跨以通航凈空控制的梁底標(biāo)高不得低于71.93 m，灘地范圍以設(shè)計水位控制的梁底標(biāo)高不得低于66.93 m，黃河左岸和右岸大堤控制的標(biāo)高中，梁底標(biāo)高不得低于72.25 m。

4.4 針對地震因素采取的減震抗震措施

該項目所在區(qū)域設(shè)計基本地震動峰值加速度為0.20 g，抗震設(shè)防烈度為8°，設(shè)計地震分組為第一組，地震動反譜特征周期值為0.40 s[5-7]，根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》，設(shè)計中須考慮地震活動對路線和構(gòu)造物的影響。根據(jù)現(xiàn)場測試波速資料結(jié)合區(qū)域資料，勘察場地場地類別為Ⅲ類，屬抗震不利地段[8]。

在該橋梁設(shè)計中，充分考慮到地震對橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響，在強(qiáng)化防護(hù)、抗震措施方面：適當(dāng)?shù)募哟笊w梁的寬度，并采取落梁措施，同時對箱型墩橋墩及柱式墩蓋梁設(shè)置橫向擋塊，并在梁體兩側(cè)設(shè)置相對應(yīng)的緩沖減震裝置。在對橋梁選用伸縮縫時，要考慮到地震作用下的梁端位移，并盡量選用減隔震支座，采用合理的限位裝置，能夠很好的防止結(jié)構(gòu)相鄰構(gòu)件產(chǎn)生過大的相對位移，對高度大于7 m的柱式橋墩和排架樁墩設(shè)置橫系梁時，要注意橋臺的整體性結(jié)構(gòu)設(shè)計。

在橋梁耐久性設(shè)計方面：嚴(yán)格控制混凝土材料；適當(dāng)加大鋼筋的混凝土凈保護(hù)層厚度；加強(qiáng)構(gòu)造配筋，防止和控制混凝土裂縫；提高后張法預(yù)應(yīng)力鋼束管道壓漿質(zhì)量；加強(qiáng)防排水設(shè)計。

5 結(jié) 論

通常在對高速公路特大型橋梁項目工程中，必須要預(yù)先考慮到地區(qū)的環(huán)境因素，對相關(guān)地區(qū)的氣候、水文、地勢等方面進(jìn)行勘察，將影響施工的因素盡量規(guī)避，從而可以確保橋梁施工得以順利進(jìn)行，使橋梁的實(shí)體質(zhì)量和外觀質(zhì)量都可以取得最好的效果，對于促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展起到了良好的推動作用。