橋下凈空非流量因素

設(shè)計(jì)理念介紹

橋下凈空設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到橋梁的通航、泄洪、交通和橋梁自身的安全。影響橋下凈空的因素很多, 其中流量和通航凈空要求、交通建筑限界(如鐵路建筑限界和公路建筑限界)要求是橋梁孔徑設(shè)計(jì)需要考慮的主要因素。此外, 橋前壅水及橋下壅水、波浪高度、波浪侵襲高度、局部股流壅高、河床沖刷與淤積、流木流冰及其他漂浮物對(duì)橋下凈空的影響也不可忽視。在黃河流域, 河道沖刷和淤積更是不得不考慮的重要因素。人類活動(dòng)的影響和發(fā)展預(yù)期及長(zhǎng)期安全要求, 也對(duì)橋下凈空設(shè)計(jì)有著越來越重要的影響。

1 橋前壅水與橋下壅水

河道上修建橋梁后水流受到橋梁和河灘路堤的約束, 水流狀態(tài)發(fā)生變化, 導(dǎo)致河床的變形。橋前壅水高度可按水力學(xué)能量方程近似計(jì)算:ΔZ =η(v-v)M式中:η為與河灘路堤阻水有關(guān)的系數(shù);v₀為斷面平均流速,m/s(設(shè)計(jì)流量與全河過水?dāng)嗝婷娣e之比);v 為橋下平均流M速, m/s。在按水利條件確定橋頭路肩標(biāo)高時(shí), 其值應(yīng)為橋前最大壅水高度, 即取Δh=ΔZ_M;在按構(gòu)造條件確定橋頭路肩標(biāo)高時(shí),為了計(jì)算橋下凈空, 橋下壅水高度可采用橋前最大壅水高度的驟, 歷時(shí)短暫且河床質(zhì)堅(jiān)實(shí)不易沖刷時(shí), 為安全起見, 計(jì)取Δh =ΔZ 。對(duì)于平原區(qū)洪水漲落很緩慢的河流, 河床質(zhì)松橋壅 M軟、易造成一般沖刷時(shí), 橋下壅水可不計(jì)。

2 波浪侵襲高度

大中型橋梁所處的河灘比較寬闊, 需要考慮波浪侵襲高度對(duì)路堤和橋下凈空的影響。該高度可根據(jù)調(diào)查取得, 若調(diào)查有困難, 亦可采取下式近似估算:Δh_p=KK_VRH_b1%式中:K 為邊坡粗糙系數(shù);K_V為與風(fēng)速有關(guān)的系數(shù);H_b1%為累積頻率為1%的波浪高度, m(為連續(xù)觀測(cè)100個(gè)波高值中的最大值);R為相對(duì)波浪高度, 即當(dāng)K =1.0、K_V=1.0及H_b1%= 1.0 m時(shí)的波浪高度。

3 河床沖刷與淤積

我國(guó)許多河流都有著較劇烈的沖、淤現(xiàn)象。 坡度較陡的山區(qū)河流, 流速大、沖刷力強(qiáng), 往往存在著較嚴(yán)重的沖刷下切和拓寬擺動(dòng)趨勢(shì), 若土質(zhì)松軟, 則抗沖能力差, 沖切拓寬與擺動(dòng)趨勢(shì)更顯著。 西北黃土高原地區(qū)大量沖溝的形成及河床頻繁下切拓寬及擺動(dòng)形成“九曲黃河”就是有力的佐證。在這種情況下,橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮建橋后的河床沖刷, 加大基礎(chǔ)埋深或進(jìn)行河床鋪砌, 以確保基礎(chǔ)安全, 對(duì)有拓寬擺動(dòng)趨勢(shì)的河段必須進(jìn)行河岸加固。河流進(jìn)入平原地區(qū)后, 比降減緩、流速降低, 水流攜沙能力明顯減小, 加之上游來水挾沙量大, 將造成河床的淤積。黃河上中游經(jīng)過黃土高原地區(qū), 攜帶大量泥沙, 致使下游河床平均每年以10 cm的速度淤積抬升,已形成舉世聞名的“地上懸河”, 嚴(yán)重威脅著沿黃地區(qū)安全。1996年8月花園口發(fā)生7 860 m/s的中常洪水的水位,比1958 年發(fā)生22 300 m/s大洪水的水位還要高0.91 m。渭河是黃河第一大支流, 也是一條多沙沖積性河流。陜西華縣站以上流域面積10.65 萬km。有資料記載的1935 ～1960年華縣水文站汛前同流量(200 m/s)水位升高1.62 m,平均每年升高0.06 m。2003年8 月24 日至10月13日,受大范圍暴雨影響, 發(fā)生了自1981年以來的最大洪水, 歷時(shí)50d, 先后出現(xiàn)了首尾相接的6次洪峰,洪量不斷疊加,演進(jìn)慢、歷時(shí)長(zhǎng), 形成了“小洪水、高水位、大災(zāi)害”的被動(dòng)局面。原因是多方面的, 根本原因是涇、洛、渭河上中游水土流失嚴(yán)重, 導(dǎo)致下游河床嚴(yán)重淤積, 形成了“懸河”。該次洪水期間華縣站發(fā)生的3 570 m/s洪峰,比“54·8”洪水期間發(fā)生的7 660 m/s洪峰流量要小4 090 m/s,但水位卻比后者高出3.95 m。從以上情況看, 黃河流域河床淤積造成洪水位升高的情況是十分嚴(yán)重的。因此, 在黃河流域及類似有嚴(yán)重淤積的河段建橋, 必須充分考慮設(shè)計(jì)使用期內(nèi)河床淤積使設(shè)計(jì)洪水位逐年提高趨勢(shì)的問題, 在橋下凈空設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量加大橋下凈空高度,以確保并適當(dāng)延長(zhǎng)橋梁的正常使用年限, 保證橋梁使用安全。

4 人類活動(dòng)對(duì)橋下凈空設(shè)計(jì)的影響

小浪底水利樞紐工程建成后, 通過調(diào)水調(diào)沙, 可以將大量河床泥沙沖入大海, 從而形成穩(wěn)定河床, 這對(duì)延長(zhǎng)黃河上橋梁的正常使用年限是十分有利的。然而, 對(duì)于已有橋梁的基礎(chǔ)可能會(huì)造成一定威脅, 這是應(yīng)特別注意的問題。2002 ～2007年黃河連續(xù)調(diào)水調(diào)沙,共有4.2 億t泥沙被沖入大海, 下游主河槽得到全線沖刷, 過流能力由調(diào)水調(diào)沙前的1 800 m/s提高到了3 630 m/s。實(shí)踐證明,調(diào)水調(diào)沙已經(jīng)成為處理黃河泥沙、維持黃河健康生命的有效措施之一。水庫的修建對(duì)河流的流量和河上建橋活動(dòng)有著重大影響。水庫在正常情況下可調(diào)節(jié)河道流量, 降低洪水對(duì)橋梁的壓力。然而, 一旦出現(xiàn)垮壩或遇到險(xiǎn)情緊急泄洪時(shí), 可能造成橋梁損毀甚至垮塌。因此, 在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮上游水利工程對(duì)橋梁的潛在影響, 使橋下凈空具有足夠的排洪能力, 以策長(zhǎng)期安全。

橋下凈空問題的提出

陽安線K 334 067 恒河大橋系10 孔23.8 m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,全長(zhǎng)260. 7 m。該橋于 1972年 10月竣工后 ,當(dāng)?shù)卣跇蛑泛佣涡拗搜睾觾砂兜拈L(zhǎng)河堤 ,致使河道橫斷面受到人為的壓縮。鐵路橋的實(shí)用孔徑由 10孔減為 5孔 , 過流寬度由原有的 247. 10 減少到m120. 00 m ,造成過洪能力嚴(yán)重不足 , 從而在同一流量下橋址斷面流速增大 ,水位抬高 ,沖刷加劇 ,嚴(yán)重危害鐵路橋的安全渡汛 ,危及鐵路行車安全。

橋下凈空設(shè)計(jì)方案比選

2. 1 換梁方案

將恒河大橋既有 10孔 23. 8 m 預(yù)應(yīng)力混凝土梁全部更換為同跨徑的下承式鋼板梁。 既有梁高度為 2. 60 m , 下承式鋼板梁高度僅有0. 92 m (均指軌底至梁底 )。因而可使橋下凈空增高 1. 68 m ,既可保持橋上既有線路狀況不變 ,又達(dá)到了提高橋下凈空的目的。換梁方案需將全橋墩臺(tái)加高加寬 ,以滿足下承式鋼板梁的支承要求。 可以把頂帽作成懸臂深梁 ,也可以從基礎(chǔ)頂面起整體加寬加高墩。檢算后表明,該橋基礎(chǔ)的承載力能滿足要求。施工時(shí)先在橋孔上下游搭設(shè)便橋,供存放新、舊梁體之用。準(zhǔn)備工作全部就緒后,即可封鎖線路橫移換梁。 為減少封鎖線路時(shí)間需根據(jù)可能情況逐次逐孔地?fù)Q梁。換梁方案可使橋上線路維持現(xiàn)狀。 施工多為常規(guī)方法,難度較小。不動(dòng)橋頭線路,對(duì)電務(wù)、供電方面的影響也較小。缺點(diǎn)是投資比較大,還會(huì)增加以后對(duì)鋼梁的維修費(fèi)用。

2. 2 抬梁方案

將恒河大橋既有10孔23. 8 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁分?jǐn)?shù)次抬高,使梁底標(biāo)高最終抬高1. 0 m , 橋上線路標(biāo)高也相應(yīng)抬高1. 0 m ,軌頂標(biāo)高由原來的287. 00 m抬高到288. 00 m,以使橋下安全通過設(shè)計(jì)流量。

2.2. 1 工程項(xiàng)目

( 1)抬高梁體

①將既有10孔23. 8 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁抬高1.0 m,需對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)改造: 或在臺(tái)后分層干砌片石; 或?qū)⒃蠺形臺(tái)改為耳墻式橋臺(tái)。

②橋墩、臺(tái)頂均加高1. 0 m。

( 2)線路抬道、順坡

①橋上線路抬道1. 0 m (平坡) ,橋頭兩端均以16‰的坡度抬道順坡300 m。

②橋頭兩端路基最大加高量1. 0 m ,分別順坡300 m。

③抬道順坡區(qū)段接觸網(wǎng)相應(yīng)最大的提高量1.0 m。另外,施工影響范圍內(nèi)的通信信號(hào)電纜需要改移。

2.2. 2 施工

( 1)抬梁

利用封鎖線路時(shí)間,采用逐次逐步抬梁法: ①正式抬梁前作好準(zhǔn)備工作; ②全橋10孔梁同時(shí)分次抬高, 每次抬高100 m m, 共分10次完成; ③在抬梁時(shí),將梁頂高后用特制鋼墊塊支撐梁體,每頂一次換一不同高度的鋼墊塊,在頂?shù)皆O(shè)計(jì)標(biāo)高后,灌注把鋼墊塊包含在內(nèi)的混凝土墩臺(tái)帽。

(2)抬道順坡

與抬梁同步進(jìn)行抬道順坡: ①首先在抬梁前將兩端路基幫寬加高, 并將既有路肩墊成“凹”字形,準(zhǔn)備好充足的填料,作為在線路隨橋抬道時(shí)的補(bǔ)充道碴; ②橋上采用搭設(shè)“人”字形龍門架懸掛接觸網(wǎng),隨梁同時(shí)提高。

2.2. 3 抬梁方案的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)是工程投資較小,在增大橋下凈空的同時(shí),卻不會(huì)增加今后的大修費(fèi)用和維修工作量。 其缺點(diǎn)是施工難度較大。 從收集到的抬橋資料中,全路運(yùn)營(yíng)線上進(jìn)行的多孔橋梁抬高的工程,均為鋼梁橋的抬高,混凝土梁橋的抬高還未見先例。 因而恒河大橋的抬高是一項(xiàng)需要慎重對(duì)待的工程。此外,抬梁工程還受到橋頭路基抬高的制約,在抬梁的同時(shí)尚需進(jìn)行橋上及橋頭線路的抬道順坡。 運(yùn)輸、電務(wù)、接觸網(wǎng)各部門的配合十分重要。

2. 3 推薦方案

換梁方案不動(dòng)橋頭線路,施工相對(duì)簡(jiǎn)單,但因購置鋼梁、加寬墩臺(tái)及修建便橋而使造價(jià)過高。抬梁方案雖需要抬高橋頭線路,工序繁雜, 但其造價(jià)僅為換梁方案的一半。 在資金比較緊張的情況下,推薦抬梁方案。

橋下凈空結(jié)語

要增加恒河大橋的泄洪能力,破堤已不可能,換梁又投資過大,抬梁方案比較容易實(shí)現(xiàn)。盡管抬梁、順道施工比較復(fù)雜,但路內(nèi)、局內(nèi)都有成功的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒,技術(shù)上是可行的。抬梁方案的實(shí)施,涉及工務(wù)、電務(wù)等許多部門的配合,施工組織設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,應(yīng)慎重對(duì)待。 2100433B