汶川震區(qū)山洪泥石流引發(fā)橋梁災(zāi)害成因分析

鄒　磊，趙燦輝，苗　宇

(1.四川都汶公路有限責(zé)任公司， 成都　610041； 2.西南交通大學(xué)， 成都　610031；

3.四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 成都　610041)

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汶川震區(qū)山洪泥石流引發(fā)橋梁災(zāi)害成因分析

鄒磊1，趙燦輝2，苗宇3

(1.四川都汶公路有限責(zé)任公司， 成都610041； 2.西南交通大學(xué)， 成都610031；

3.四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 成都610041)

摘要：對2010年8月、2011年7月和2013年7月汶川地震區(qū)3次大型區(qū)域性山洪泥石流災(zāi)害中橋梁災(zāi)害進行歸納總結(jié)，并對典型橋梁病害成因進行分析。結(jié)合重建工程，對山區(qū)橋梁地震地質(zhì)災(zāi)害防治提出相應(yīng)對策。

關(guān)鍵詞：汶川地震區(qū)；地質(zhì)災(zāi)害；山區(qū)橋梁；典型病害；防治對策

“5·12”汶川特大地震發(fā)生后，筆者對災(zāi)區(qū)42個縣地質(zhì)災(zāi)害情況進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流隱患點約12 000余處，隱伏災(zāi)害點估計達3萬～4萬余處，分布范圍約10萬km2[1-3]。由于大量地質(zhì)災(zāi)害隱患點的存在，雖然“5·12”汶川特大地震已過去7年多，但其影響卻仍未停止，分別在2010年8月13日、2011年7月3日、2013年7月13日爆發(fā)了3次大型區(qū)域性山洪泥石流災(zāi)害(分別簡稱“813”“703”“713”泥石流災(zāi)害)，崩塌、落石等小型地質(zhì)災(zāi)害隨處可見，給地震中幸存的橋梁和重建的橋梁帶來新的損傷[4-8]。綜合來看，地震使得道路邊坡松散，松散邊坡為崩塌、滑坡及泥石流提供了豐富的物源。其中危害最大、持續(xù)時間最長、數(shù)量最多的是泥石流災(zāi)害[4-8]。

本文收集了汶川地震區(qū)在上述3次大型地質(zhì)災(zāi)害中橋梁的受損情況，對橋梁災(zāi)害的形式和特點進行了歸納，并結(jié)合重建工程，對山區(qū)橋梁地震地質(zhì)災(zāi)害的防治提出對策。

1山洪泥石流災(zāi)害中的典型橋梁病害

山洪泥石流導(dǎo)致的橋梁病害形式繁多[9]，歸納起來可分為以下幾種形式。

1.1直接沖毀

“713”泥石流災(zāi)害的病害形式是直接沖毀，其是山洪泥石流中最為嚴(yán)重的病害形式[7]。在“713”泥石流災(zāi)害中，國道213線福堂壩大橋、興文坪大橋等11座橋梁被沖毀，占被調(diào)查橋梁(共96座)的11.5%。這一調(diào)查結(jié)果糾正了橋梁為行洪結(jié)構(gòu)物，在山洪泥石流災(zāi)害中，其病害主要為橋下淤積的認識。

從“713”“813”“703”3次泥石流災(zāi)害橋梁病害調(diào)查結(jié)果可知，就直接沖毀病害而言，既有興文坪大橋、福堂壩大橋因橋墩被沖毀而導(dǎo)致的橋梁垮塌，也有毛家灣中橋主梁被直接沖毀的情況。

“713”泥石流災(zāi)害中大量橋梁被沖毀的事實，對山區(qū)橋梁的防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計敲響了警鐘。

其中，興文坪大橋被沖毀現(xiàn)象如圖1所示。

圖1　興文坪大橋被沖毀垮塌

1.2橋下凈空淤塞或橋梁被掩埋

橋下凈空淤塞或橋梁被掩埋是泥石流災(zāi)害中最為常見的橋梁病害形式。在“813”“703”“713”泥石流災(zāi)害中，共有27座橋梁出現(xiàn)該類型病害，輕微者橋下凈空被淤塞，嚴(yán)重者整橋被掩埋。草坪2號大橋橋下淤積情況如圖2所示。

圖2　草坪2號大橋橋下淤積情況

1.3橋梁被洪水淹沒

橋梁被洪水淹沒多數(shù)是由于泥石流進入河道，其壓縮河床斷面或形成堰塞湖，導(dǎo)致水位上升所致。在“813”“703”“713”3次泥石流災(zāi)害中，共有11座橋梁被洪水淹沒。

在“703”泥石流災(zāi)害中，連山村特大橋受銀杏幸福溝泥石流的影響，溝谷堆積物形成了順溝谷長約150 m、平均厚度約15 m的扇形堰塞體，堵塞岷江，致使該處岷江水位抬高約15 m。上游岷江江面變寬后，造成岷江上游連山村特大橋的樁基施工場地及設(shè)備被淹沒，如圖3所示。此外，映秀岷江橋、銀杏坪中橋、羊店1號橋等橋梁也出現(xiàn)了被洪水淹沒的病害。

圖3　連山村特大橋被洪水淹沒

1.4基礎(chǔ)沖刷或橋墩磨蝕

基礎(chǔ)沖刷或橋墩磨蝕也是山洪泥石流災(zāi)害中常見病害形式之一，其主要發(fā)生在沖溝型泥石流流通區(qū)，在“813”“703”“713”泥石流災(zāi)害中，共計12座橋梁出現(xiàn)此類病害。

調(diào)查結(jié)果表明，山洪泥石流下蝕溝床可從幾m到幾十m不等，泥石流下蝕溝床會使橋梁墩臺和護岸基礎(chǔ)被掏空，致使過溝建筑物和防護工程毀壞。在“813”“713”泥石流災(zāi)害中，國道213線K38+ 020中橋基礎(chǔ)均被嚴(yán)重沖蝕，危及橋臺或橋梁安全[8]。在“713”泥石流災(zāi)害中，桃關(guān)溝中橋3號墩、4號臺基礎(chǔ)被沖刷淘空，橋墩磨蝕嚴(yán)重，第3孔幾近垮塌，嚴(yán)重威脅橋梁安全。桃關(guān)溝中橋病害如圖4所示。

圖4　桃關(guān)溝中橋病害

1.5主梁、橋墩被推擠

主梁、橋墩被推擠是“713”泥石流災(zāi)害中出現(xiàn)的新病害，且出現(xiàn)該病害橋梁數(shù)量多達8座。草坡2號大橋主梁受泥石流推擠橫向移位達80 cm，主梁從支座上掉落，擋塊破壞。興文坪大橋第4跨受前3跨主梁落梁的影響，發(fā)生位移并伴有轉(zhuǎn)動，其主梁從支座上掉落，并導(dǎo)致?lián)鯄K破壞，幾近落梁，且主梁橫向移位50 cm以上，縱向移位超過20 cm，如圖5所示。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泥石流推擠作用導(dǎo)致部分橋梁墩柱、橋臺出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，如福堂大橋墩頂因推擠出現(xiàn)6條裂縫，裂縫最寬處達1 mm，且裂縫有繼續(xù)發(fā)展的趨勢，如圖6所示。

圖5　興文坪大橋第4跨主梁移位

圖6　福堂大橋橋墩墩頂開裂

1.6主梁被砸斷

本次泥石流災(zāi)害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主梁被砸斷病害僅出現(xiàn)在5座橋梁中，但后果極其嚴(yán)重。其中，連山村特大橋左幅1號橋第39孔主梁被砸斷；2號橋右幅第15孔主梁腹板被毀，預(yù)應(yīng)力鋼束斷裂，普通鋼筋破壞，導(dǎo)致連山村特大橋僅能單幅限制通行，如圖7所示。另外，一碗水中橋也出現(xiàn)了主梁被砸斷導(dǎo)致交通中斷的現(xiàn)象[7]。

山洪泥石流往往裹挾了體積較大的漂石。砸毀連山村特大橋左幅1號橋第39孔的巨石直徑達3 m，砸毀連山村特大橋右幅2號橋的巨石直徑超過3 m。體量如此大的漂石從高位隨洪水高速下沖，其沖擊力是橋梁結(jié)構(gòu)難以承受的。

圖7　連山村特大橋2號右幅15孔邊梁被砸

1.7主梁下?lián)匣蛑髁荷瞎?/p>

主梁下?lián)匣蛑髁荷瞎艾F(xiàn)象在泥石流災(zāi)害中并不多見。簇頭溝中橋泥石流堆積體在橋面上堆積過高，在堆積物重量的作用下，主梁下?lián)希桓Ｌ么髽蜃缶€則因橋下堆積物向上推擠主梁，導(dǎo)致2號墩頂處橋面上拱，其實質(zhì)是主梁發(fā)生了向上位移。實際上，主梁下?lián)匣蛏瞎笆悄嗍魉鶐矶逊e物的壓力所致。

2山洪泥石流災(zāi)害中典型橋梁病害成因分析

山洪泥石流導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)不同病害的成因不盡相同，下面將對上述山洪泥石流災(zāi)害中典型橋梁病害成因進行分析。

2.1直接沖毀

目前，對山洪泥石流導(dǎo)致的橋梁毀壞機理尚缺乏定論。有觀點認為，攜帶巨大漂礫的泥石流高速運動時，直接沖擊線路橋梁，兩者會產(chǎn)生強烈碰撞，當(dāng)沖擊力大于橋梁承載力時，橋梁即被破壞[10]。也有觀點認為，泥石流是固-液兩相復(fù)雜介質(zhì)，泥石流的沖擊破壞來自于泥石流漿體的沖擊和泥石流固相顆粒集中荷載的耦合；泥石流運動具有脈動性，其在快速流動中與橋梁間存在復(fù)雜的相互動力作用，因此泥石流對橋墩的沖擊力可采用沖擊力時程來表達。一些研究進一步指出，隨著泥石流漿體粘度增大，泥石流沖擊力與沖擊力標(biāo)準(zhǔn)差呈非線性增大，泥石流95%以上的沖擊能量分布在低頻部分；泥石流沖擊能量百分比總體從低頻至高頻呈迅速衰減分布趨勢，泥石流粘度越高，低頻段至高頻段的沖擊能量衰減速度就越快[11]。

總體看，業(yè)界對泥石流對橋梁作用機理的研究目前遠未成熟，對于泥石流沖擊力對橋梁所產(chǎn)生效應(yīng)的計算方法尚需深入研究，這已成為目前橋梁工程中的熱點問題之一。

2.2橋下凈空淤塞或橋梁被掩埋

橋梁為跨越河流溝谷的構(gòu)造物，而對于谷底線中橋梁的設(shè)計，橋梁一般在溝口選址。溝口處地勢相對平坦，當(dāng)泥石流災(zāi)害發(fā)生時，平坦地勢可以減緩泥石流的流動速度，并使其中固體物質(zhì)沉積、堆積。當(dāng)泥石流攜帶固體物質(zhì)沉積在橋位處時，會導(dǎo)致橋下被淤積。若泥石流沖出體積較大時，固體物質(zhì)將逐漸堆積，當(dāng)堆積物超過橋面高度時，受流向壓力的作用，其將繼續(xù)流向橋面并沉積，此時會導(dǎo)致橋梁被部分掩埋或全部掩埋。

直觀看，對于被掩埋的橋梁而言，只要清除其橋面堆積物即可恢復(fù)通行，似乎較易處理。然而，泥石流在流動中必然推擠橋墩，且堆積物呈溝口低、溝內(nèi)高的形態(tài)，這也將對橋墩造成推擠。由于橋梁下部結(jié)構(gòu)被掩埋，上述推擠是否對橋墩造成病害難以知曉，且樁基等隱蔽工程實際上很難檢查。因此，此類病害的后期修復(fù)較為困難。

除推擠效應(yīng)外，另一個值得注意的問題是行洪斷面被大幅壓縮，當(dāng)下一次山洪泥石流爆發(fā)時，即有可能因橋梁阻礙行洪而被沖毀。羅圈灣中橋在“703”泥石流災(zāi)害中因堆積物清除不夠，行洪斷面不足，致使“713”泥石流災(zāi)害中洪水漫過橋面，最終被沖毀并被掩埋[6]。

2.3橋梁被淹沒

橋梁被淹沒這一病害并非泥石流直接引起的，而是泥石流堵江或淤高河床所致。其危害在于橋梁被洪水淹沒后將直接中斷交通，尤其是當(dāng)需要大型機械進入災(zāi)害點疏通河道時，這一危害更加明顯。

2.4基礎(chǔ)被沖刷，橋墩被磨蝕

山洪泥石流流動導(dǎo)致的另一種病害是橋墩被磨蝕。其典型實例是“703”泥石流災(zāi)害中的太平驛溝大橋、連山村特大橋60～70墩、七盤溝左右線大橋等[5]，嚴(yán)重者甚至保護層混凝土完全被磨蝕。這種病害是由山洪泥石流中的漂礫撞擊、磨擦橋墩所致。

無論是橋梁被磨蝕還是基礎(chǔ)被沖蝕，都可能導(dǎo)致橋梁承載能力下降。因此，災(zāi)后都必須對受損橋梁進行加固處理。

2.5主梁、橋墩被推擠

如前所述，橋梁作為行洪結(jié)構(gòu)物是山洪泥石流通過的通道，由于泥石流為固-液混合物，有一定粘度，故橋墩的存在將阻礙泥石流通過；反之，泥石流在流動中將推擠橋墩，若行洪斷面不足，則山洪泥石流會到達主梁位置，這一推力必將推擠主梁。對于板式橡膠支座簡支梁橋，梁體直接支撐于橋墩上，相互之間僅靠橡膠支座聯(lián)系，基本無水平約束，當(dāng)泥石流的水平推擠力超過摩擦力或支座抗剪能力時，梁體將與橋墩發(fā)生相對位移。主梁移位往往伴隨著支座病害，在福堂大橋、草坡2號大橋就觀察到支座掉落的情況，而在簇頭溝中橋則觀察到全橋支座橫向剪切變形的情況[6]。由于簡支梁橋1聯(lián)內(nèi)一般采用橋面連續(xù)連接，其橫橋向整體性較好，因此，即使不直接受推擠的主梁也可能發(fā)生橫向移位。

以上僅是從靜力角度對主梁、橋墩被推擠病害進行了解釋。實際上，由于泥石流流動速度較快，其不僅存在靜力作用，而且還存在復(fù)雜的動力作用。為此，在以后的研究中應(yīng)對其予以重視。

值得一提的是，受泥石流推擠作用，T梁還可能開裂。這是由于T梁腹板較薄，橫向剛度較差，較大的局部推擠即可能導(dǎo)致其開裂，福堂大橋即為一典型實例。由此可以看出，泥石流對橋墩的推擠作用較為強烈。對于橋墩被掩埋的橋梁，其墩柱和樁基存在開裂等病害是完全有可能的。

2.6主梁被砸斷

落石沖擊橋梁的現(xiàn)象并不一定在泥石流發(fā)生時才會出現(xiàn)。在巖層破碎區(qū)域，即使不發(fā)生泥石流，也有可能發(fā)生崩塌、落石，徹底關(guān)大橋2次被崩塌落石砸毀即為典型實例[9]。

3病害現(xiàn)象及分析

從上述分析可看出，泥石流導(dǎo)致的橋梁病害形式多種多樣，其種類甚至超過橋梁震害，且部分病害較為隱蔽，不便檢查。

從作用方式看，泥石流導(dǎo)致的橋梁病害大致可分為直接病害和間接病害2類，以直接病害為主。前者包括：1) 橋梁被泥石流沖毀；2) 橋下凈空被泥石流堆積物淤塞或橋梁被掩埋；3) 基礎(chǔ)被沖刷，橋墩被磨蝕；4) 主梁、橋墩被泥石流推擠；5) 主梁被泥石流裹挾的巨形漂石砸斷；6) 主梁由于堆積物過重而下?lián)匣蛑髁阂蚰嗍鞫逊e物托舉而上拱。后者主要是橋梁被淹沒，這是由堰塞湖或河床淤積導(dǎo)致的病害。

就直接作用而言，泥石流對橋梁的作用機理也較為復(fù)雜。初步分析認為，橋梁被泥石流沖毀、基礎(chǔ)被沖刷、橋墩被磨蝕大致是由泥石流在流動過程中的動力作用所致；主梁、橋墩被推擠則主要是靜力作用所致；主梁被砸毀則主要是落石的沖擊力所致，屬動力作用。

4橋梁病害對策

目前，業(yè)界對泥石流對橋梁作用機理的認識仍然不足，對泥石流效應(yīng)進行定量計算仍有一定困難。但根據(jù)前述的調(diào)查和分析，仍然可以提出一些實用對策和措施。

4.1合理選擇橋位和構(gòu)筑物形式

山洪泥石流災(zāi)害的定量評估和預(yù)測較為困難。在高山峽谷區(qū)段，選擇合適的橋位十分重要。對于潛在的大型危險體，應(yīng)盡量繞避遠離，且困難路段應(yīng)盡可能用隧道穿越。減少橋梁直接暴露在地質(zhì)災(zāi)害中的幾率，是減少橋梁病害的最好保證。

4.2合理選擇橋面標(biāo)高

在“813”“703”“713”3次泥石流災(zāi)害中出現(xiàn)了大量橋梁被淹沒的現(xiàn)象，盡管有泥石流堵江導(dǎo)致水位上升的原因，但在一定程度上也反映出橋面標(biāo)高選擇偏低的問題。目前已有學(xué)者對這一問題進行了研究，提出了泥石流渡江的判據(jù)，并提出了水位壅高值計算式，為計算淹沒范圍提供依據(jù)[12]。處于計算式分析所得淹沒范圍內(nèi)的橋梁，適當(dāng)提高橋面標(biāo)高，可大大減少橋梁被淹的概率。

同時，對于山區(qū)橋梁，應(yīng)提高橋面標(biāo)高，以便為泥石流通過提供更大空間，且其對于消除和減少泥石流災(zāi)害中的主梁推擠病害也具有很好的作用。

4.3適當(dāng)增大橋梁跨徑

山洪泥石流對橋墩的推擠，實質(zhì)上就是由橋墩壓縮了山洪泥石流流動的斷面所致。因此，在易爆發(fā)山洪泥石流的橋位適當(dāng)增大橋梁跨度，減少橋墩數(shù)量，便可以增大山洪泥石流的下泄空間，并在一定程度上減輕山洪泥石流對橋墩的推擠。

4.4泥石流災(zāi)害高發(fā)區(qū)應(yīng)慎重采用擴大基礎(chǔ)

山區(qū)橋梁由于地基承載力較高，擴大基礎(chǔ)是常采用的基礎(chǔ)形式之一。然而這一基礎(chǔ)形式直接坐落于地基之上，一旦地基被洪水泥石流沖蝕，便極易導(dǎo)致基礎(chǔ)失去可靠支撐而發(fā)生嚴(yán)重病害。

4.5加長樁基

山洪泥石流災(zāi)害中，由于河道變遷或泥石流堵江后江水流速加快，較易導(dǎo)致河床下切，樁基大量裸露。因此，在山區(qū)跨河大橋中，適當(dāng)加長樁基可緩解河床下切導(dǎo)致的病害，避免因地基沖蝕導(dǎo)致樁基承載力下降或失效。

4.6采用導(dǎo)流槽，規(guī)范泥石流的流動方向

無論橋墩受推擠還是橋梁被掩埋，均是泥石流流動沉積所致。因此，如果能夠規(guī)范泥石流的流動方向和范圍，則可以基本消除其對橋墩的推擠和掩埋。在映汶高速公路災(zāi)后恢復(fù)重建中，采用導(dǎo)流槽將泥石流的流動加以限制，避免了泥石流對橋墩的直接沖擊和擠壓，效果良好。紅椿溝中橋所采用導(dǎo)流槽如圖8所示。

圖8　紅椿溝中橋采用導(dǎo)流槽保護橋梁

4.7分級攔擋，水石分離

在泥石流溝中修筑攔擋壩是泥石流災(zāi)害治理中的常用方法。對于橋梁來說，攔擋壩可攔擋部分大型漂礫、落石，并降低泥石流流速，使固體物沉積。多級攔擋后可實現(xiàn)水石分離，極大地減少沖擊橋梁的漂礫數(shù)量，保護橋墩免受沖擊和磨蝕，如圖9所示。

圖9　修筑攔擋結(jié)構(gòu)，水石分離

5結(jié)束語

泥石流災(zāi)害對橋梁影響巨大，其所導(dǎo)致的橋梁病害形式主要有橋梁被沖毀，橋下凈空被淤塞或橋梁被掩埋，基礎(chǔ)、橋墩被沖刷、磨蝕，主梁被推擠變位，橋墩被推擠開裂，主梁被泥石流裹挾的巨形漂石砸斷，主梁下?lián)匣蛑髁荷瞎耙约皹蛄罕谎蜎]等。泥石流對橋梁的作用機理相當(dāng)復(fù)雜，大致可分為動力作用和靜作用2類，2類作用均可能導(dǎo)致橋梁損毀。本文根據(jù)災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建的經(jīng)驗提出了合理選擇橋面

標(biāo)高、跨徑、修建排導(dǎo)槽、攔擋壩等防治措施，可供同類災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建橋梁時參考。

參 考 文 獻

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Analysis for Reasons of Bridge Diseases Caused by Torrential Flood and Debris Flow in Wenchuan Earthquake Region

ZOU Lei1, ZHAO Canhui2, MIAO Yu3

Abstract:This paper summarizes bridge diseases in 3 large regional torrential flood and debris flow diseases in Wenchuan earthquake region in August 2010, July 2011 and July 2013, and analyzes reasons of typical bridge diseases. In combination with reconstruction projects, the paper proposes corresponding prevention countermeasures for seismic and geological diseases of bridges in mountainous area.

Keywords:Wenchuan earthquake region; geological disease; bridge in mountainous area; typical disease; prevention countermeasure

文章編號：1009-6477(2016)01-0085-06

中圖分類號：U445.7+1

文獻標(biāo)識碼：B

作者簡介：鄒磊(1981-)，男，四川省廣安市人，本科，工程師。

收稿日期：2015-05-28

基金項目：交通運輸部西部交通建設(shè)科技項目(2013 318 800 020)；四川省交通科技項目(2008A9-1)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.019