海洋環(huán)境因素對沿海公路橋梁的影響及防治對策研究

李軍愛，何俊，劉陽

（中交二公局上海遠(yuǎn)通路橋工程有限公司，上海 201315）

1 海洋環(huán)境因素對沿海公路橋梁的影響

海洋環(huán)境因素主要包括海流、潮汐、海浪、海水、地震、海冰以及飽含氯離子的大氣等，會長時(shí)間影響沿海公路橋梁，部分會成為公路橋梁靜力或者是動(dòng)力荷載，還有部分因素會導(dǎo)致公路橋梁內(nèi)部材料加速腐蝕，從而降低沿海公路橋梁安全性以及耐久性[1]。公路橋梁分布在海岸帶范圍之內(nèi)，因?yàn)殚L期處于海洋環(huán)境當(dāng)中，會受到各項(xiàng)海洋環(huán)境因素影響，同時(shí)在海岸因素聯(lián)合作用下，一旦發(fā)生海洋災(zāi)害，勢必會使沿海公路橋梁發(fā)生災(zāi)害。同時(shí)，海洋環(huán)境會對公路橋梁施工中所用的混凝土以及鋼材等材料和結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生影響，主要會加速材料腐蝕，降低公路橋梁耐久性。

2 影響沿海公路橋梁的海洋因素

2.1 海水

沿海公路橋梁長期處于海洋大氣環(huán)境中，其中彌漫著大量的鹽離子，會使橋梁結(jié)構(gòu)受到一定影響，尤其是橋梁基礎(chǔ)以及墩臺等下部結(jié)構(gòu)會在海水中浸泡著，隨著時(shí)間的推移，以氯鹽離子為主的多種鹽類會侵蝕橋梁結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹Ｋ兴柠}分會一定程度上腐蝕橋梁工程構(gòu)件和相關(guān)材料，由此會導(dǎo)致沿海公路橋梁及結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐漸降低耐久性[2]。

2.2 波浪

波浪因素也會較為明顯地影響沿海公路橋梁。在我國渤海，波浪最高能夠達(dá)到9 m，而在南海鶯歌海，波浪最高能夠達(dá)到19.5 m。另外，由臺風(fēng)所導(dǎo)致的風(fēng)暴潮會在海岸帶區(qū)域形成巨浪和增水，具有非常強(qiáng)的破壞力。我國南部沿海地區(qū)會較大程度上受到地震海嘯的影響，巨浪會強(qiáng)烈沖擊橋梁墩臺和上部結(jié)構(gòu)。另外高程偏低的非通航孔橋面板以及引橋等橋梁上部結(jié)構(gòu)會承受極大的水流托浮力，導(dǎo)致橋面結(jié)構(gòu)受損。

2.3 臺風(fēng)

沿海地區(qū)時(shí)常發(fā)生臺風(fēng)，并且在臺風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)候會伴隨出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，如暴雨、特大暴雨等。沿海公路橋梁在惡劣的天氣環(huán)境下，橋梁上部以及下部結(jié)構(gòu)均會受到臺風(fēng)、寒流、溫帶或熱帶氣旋、海風(fēng)等的影響，大跨度的斜拉橋、懸索橋等橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大幅振動(dòng)，橋梁整體受到破壞，嚴(yán)重威脅橋梁安全。通常內(nèi)陸河流其風(fēng)壓極大值都在0.7 kPa 以下，但是海洋風(fēng)壓最高能夠達(dá)到1～3 kPa，巨大的風(fēng)壓會嚴(yán)重威脅橋梁安全[3]。

3 沿海公路橋梁受海洋環(huán)境因素影響的防治對策

三亞崖州灣科技城與保港組團(tuán)跨寧遠(yuǎn)河連通通道工程擬建項(xiàng)目場地地處海南省三亞市，位于該市的崖州區(qū)疏港大道東側(cè)，起于疏港大道后河橋東橋頭，過河堤路后向東延伸，上跨河堤路、寧遠(yuǎn)河，與8 號路平交后接入12 號路，并終于8 號路-12 號路交叉口，路線長度約1.76 km，工程北側(cè)30 m 處為現(xiàn)狀G98 環(huán)島高速。項(xiàng)目地理位置線路圖見圖1。該項(xiàng)目公路橋梁會受到海洋環(huán)境因素影響，所以特采取以下防治對策。

圖1 項(xiàng)目地理位置線路圖

3.1 邊坡防護(hù)對策

3.1.1 邊坡直接防護(hù)對策

邊坡直接防護(hù)是對路堤工程進(jìn)行加固處理，主要是通過具有消浪功能的混凝土預(yù)制塊體或者是大石塊進(jìn)行鋪砌或者堆砌，形成護(hù)坡。相關(guān)砌塊在水流作用影響下會出現(xiàn)小幅移動(dòng)，同步自行調(diào)整，此類護(hù)坡屬于柔性護(hù)坡。而利用方形或者是矩形的混凝土預(yù)制塊進(jìn)行護(hù)面鋪砌，可形成美觀、整齊、光滑的防護(hù)面，這屬于剛性防護(hù)。在該工程中，主要采取柔性防護(hù)措施，包括兩種形式，其中一種是拋填塊石，所選塊石材料是不容易風(fēng)化、耐凍性好且堅(jiān)硬的塊石，尺寸不能比設(shè)計(jì)所需偏低，拋投過程中需要摻雜其他級配塊石，確保密實(shí)度達(dá)標(biāo)。另外一種是拋填人工塊石，該工程中顯著受到波浪影響的區(qū)域主要采取此類路堤邊坡防護(hù)措施。若所拋填塊石具有較大的質(zhì)量或者尺寸過大，鋪砌以及護(hù)坡材料可選擇預(yù)制混凝土異形人工塊體，如7101 塊體、紐工字形塊體、四角空心塊體、四角錐體、柵欄板等[4]。

3.1.2 邊坡間接防護(hù)對策

邊坡間接防護(hù)主要是對水流和所攜帶泥沙實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，促使泥沙沉積在有防護(hù)需求的區(qū)間之內(nèi)，以獲得良好的防護(hù)效果。沿海公路還有橋頭建筑物相關(guān)防護(hù)工程都被納入海岸防護(hù)工程領(lǐng)域，如綠化、人工填沙、護(hù)岸、離岸堤、修筑丁壩等均屬于海岸防護(hù)措施。

其中，丁壩屬于海岸工程物，和海岸線基本上保持垂直關(guān)系。在針對該公路工程修設(shè)防護(hù)堤壩過程中，建造長度保持在約100 m。通過修建丁壩，可對局部沿岸輸沙予以攔截。由于修建單座丁壩建筑會在沿岸輸沙攔截過程中，使上游一側(cè)出現(xiàn)淤積，并于下游一側(cè)出現(xiàn)沖刷，所以該工程部分區(qū)域結(jié)合實(shí)際情況修建丁壩群，以獲得更好的海岸防護(hù)效果。

離岸堤主要指的是在海岸線外側(cè)一定距離的海域之內(nèi)建成和海岸線基本保持平行狀態(tài)的防浪堤，離岸堤主要修建在靠近海岸的淺海區(qū)域，由此有效防護(hù)海岸。在離岸堤的作用下，波浪流繞流，由此在堤壩兩側(cè)形成回流區(qū)，并保持相反方向，進(jìn)而在堤壩和海岸兩者之間回流區(qū)域之內(nèi)沉積泥沙，有效保護(hù)海灘。在本工程中，由于需要防護(hù)的海岸線長度較大，所以施工中主要進(jìn)行分段式離岸堤的修建。

人工海灘補(bǔ)沙不會較大程度影響海岸帶自然平衡，具有良好的有效性和經(jīng)濟(jì)性，尤其是以絞吸式挖泥船實(shí)現(xiàn)水力吹填這種施工方法具有更突出的經(jīng)濟(jì)性。在人工補(bǔ)沙過程中，沙粒中值粒徑d50應(yīng)為原海灘中值粒徑的1～1.5 倍，通常在海中淺灘以及沖積河道中取材。

此工程設(shè)計(jì)中，為盡量提升防護(hù)效果，并保持良好的經(jīng)濟(jì)性，選擇聯(lián)合應(yīng)用離岸堤、人工填沙、修建丁壩、拋入水下棱柱體等措施，此外還采取海灘綠化措施，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況精心選育植物物種。

3.2 橋梁防腐蝕對策

3.2.1 混凝土構(gòu)建防腐對策

該公路橋梁工程為有效抵御海洋環(huán)境的影響，著重針對混凝土結(jié)構(gòu)采取多種防腐措施：（1）對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并綜合考慮多項(xiàng)因素適度增大橋梁跨度，適度縮減橋梁下部結(jié)構(gòu)數(shù)量。對于處于浪濺區(qū)以及潮差區(qū)域的橋梁，最大限度減少橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)量。（2）橋梁結(jié)構(gòu)外形、細(xì)部構(gòu)造還有結(jié)構(gòu)橫截面需保持平順、簡單、連續(xù)、平滑的設(shè)計(jì)，防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件有開裂、應(yīng)力集中以及突變等情況，并要規(guī)避出現(xiàn)混凝土密實(shí)度偏低、保護(hù)層厚度不符合要求、構(gòu)件積水等情況，還要注意合理布設(shè)鋼筋。（3）若所用構(gòu)件容易受到腐蝕，需要有針對性地制定保護(hù)措施，或者變更構(gòu)件設(shè)計(jì)。（4）該工程還著重根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件特點(diǎn)以及海洋腐蝕條件，適度增加混凝土保護(hù)層厚度。（5）對于構(gòu)件當(dāng)中的受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋，主要設(shè)計(jì)為閉合鋼筋籠，確保結(jié)構(gòu)具有更高的耐久性和整體性。

3.2.2 配置鋼筋防腐對策

首先，此工程施工中主要選用特種鋼筋，包括耐蝕鋼筋、金屬表面涂層鋼筋以及非金屬表面涂層鋼筋。其中，耐蝕鋼筋主要有不銹鋼鋼筋、合金化耐蝕鋼筋、塑料鋼筋以及玻璃鋼筋等，金屬表面涂層鋼筋主要選擇鍍鋅鋼筋，而非金屬表面涂層鋼筋主要選擇環(huán)氧樹脂涂層鋼筋。

其次，此工程在合理選用鋼筋基礎(chǔ)上還使用鋼筋阻銹劑，具體是在混凝土拌制過程中少量添加阻銹劑，以防止鋼筋腐蝕或者減緩腐蝕速率。通過鋼筋阻銹劑的應(yīng)用，可在有害離子進(jìn)入混凝土之后失去腐蝕侵害性能，由此延緩或者是阻止鋼筋腐蝕。

最后，還采取電化學(xué)保護(hù)法，此方法主要是基于電化學(xué)原理，針對金屬設(shè)備落實(shí)有效的防護(hù)措施，使相關(guān)金屬設(shè)備在腐蝕電極當(dāng)中成為陰極，用以減輕或者是防止金屬腐蝕。陰極保護(hù)法目前在沿海公路橋梁工程中廣泛應(yīng)用，不僅有效，而且成本不高，可分為兩類，即外加電流法和犧牲陽極法。其中，外加電流法主要是通過外加直流電源的方式，為鋼筋等被保護(hù)主體供給陰極保護(hù)電流。犧牲陽極法主要是指鋼筋直接和鎂、鋅等比鐵具有更高活潑性的金屬相連接，而鎂、鋅等具有更高活潑性的金屬當(dāng)作陽極就會被腐蝕，由此減少鋼筋所受到的腐蝕。

3.2.3 混凝土防腐對策

該公路橋梁工程位于沿海地區(qū)，投用過程中容易受到多項(xiàng)海洋環(huán)境因素影響，尤其會影響橋梁混凝土結(jié)構(gòu)物其耐久性，對此，需要采取多項(xiàng)有效的防腐措施，最大限度降低混凝土結(jié)構(gòu)受到的腐蝕影響。

首先，要合理提升混凝土密實(shí)度還有抗?jié)B性。該工程進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)物施工期間，保證各項(xiàng)操作都符合相關(guān)規(guī)范與要求，由此使混凝土結(jié)構(gòu)物具有更高密實(shí)性。同時(shí)，還在綜合考慮多項(xiàng)因素下優(yōu)選具有良好級配的集料，并按要求充分振搗，做好養(yǎng)護(hù)工作，合理控制水灰比，最大限度降低水灰比對混凝土密實(shí)度所產(chǎn)生的影響。為有效抵御海洋環(huán)境的影響，該工程所用混凝土強(qiáng)度不應(yīng)小于C40，針對分布在浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)件，需保持0.4～0.5 的水灰比，水泥用量應(yīng)控制在350～400 kg/m3[5]?；炷涟韬推陂g不能使用海水，集料要有良好級配，并且清潔、堅(jiān)硬度好，首選天然河沙、卵石或者是碎石，注意細(xì)集料不可選用海沙，而粗集料當(dāng)中應(yīng)不含活性二氧化硫，防止和堿發(fā)生反應(yīng)。

其次，要選擇高性能混凝土。在高性能混凝土制作過程中，需選擇高性能水泥，因?yàn)楦咝阅芩嗑哂泄ぷ餍阅芨?、?qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，而且抗氯離子滲透性非常好，可有效提升混凝土結(jié)構(gòu)物其抗腐蝕性能。在高性能混凝土制作過程中，還要保證配合比設(shè)計(jì)合理，科學(xué)選擇原料，嚴(yán)控施工質(zhì)量，并要適量加入摻合料以及減水劑。減水劑的利用可優(yōu)化混凝土化學(xué)以及物理性能，使混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的密實(shí)度以及防腐性能。

最后，該工程施工中還在混凝土結(jié)構(gòu)件的表層涂刷防腐材料涂層，以有效降低水、二氧化碳以及氯離子的滲透速率，本工程所用防腐涂料主要是環(huán)氧樹脂涂料。

4 結(jié)語

綜上所述，海洋環(huán)境因素會對沿海公路橋梁產(chǎn)生較大危害，關(guān)鍵的海洋影響因素包括波浪、臺風(fēng)、海水、海冰等。沿海公路橋梁在施工建設(shè)中，要充分考慮所在區(qū)域會受到的海洋環(huán)境影響因素，有針對性地采取有效的防治對策，如邊坡防護(hù)、橋梁防腐蝕防護(hù)等，以盡量降低海洋環(huán)境因素對公路橋梁所產(chǎn)生的負(fù)面影響。