棄渣對秦巴山區(qū)某既有鐵路橋的安全影響

王勇

中鐵第五勘察設計院集團有限公司 橋梁設計院，北京 102600

0 引言

受區(qū)域土地資源稟賦限制，山地城市建設用地有限[1]，為拓寬城市發(fā)展空間、增添發(fā)展新動力，常選擇填河筑堤增加城市建設用地，美化河道，但改變了河流原有的水文形態(tài)。山區(qū)河流坡降大，在旱季或雨季無雨期，河槽水流較小，但雨季河水陡漲陡落，勢能與動能大，破壞力強[2]。填河筑堤壓縮了河流斷面，可能改變了水流流向，對既有沿河或跨河建筑物產生不利影響。

本文以秦巴山區(qū)某城市跨河鐵路橋為例，用有限數(shù)據(jù)反推并校核了原設計參數(shù)，之后又對填河筑堤后的既有橋進行了安全影響分析，以期為類似工程制定安全措施提供參考。

1 工程概況

某既有鐵路跨河橋位于秦巴山區(qū)，與原主河道斜交25°，設計采用中—活載，洪水頻率為百年一遇。該橋孔跨樣式為(1～24+13～32) m簡支T梁，兩端采用耳墻式橋臺，橋墩均采用圓形實體墩，除兩側橋臺及1#墩采用挖井基礎外，其余橋墩均采用沉井基礎，最大墩高、平均墩高分別為21.5、17.8 m。

為滿足河右岸社區(qū)居住及左岸地方新建污水廠棄渣的需要，現(xiàn)已分別于河道兩岸修建了堤防及棄渣護堤工程，此工程壓縮了河道寬度，局部改變了主河道走向(與既有鐵路橋的斜交角度變?yōu)?0 °)，對既有橋造成安全隱患，故需對既有橋進行安全檢算。既有橋現(xiàn)狀立面如圖1所示(圖中單位為m)。

圖1 既有橋現(xiàn)狀立面圖

2 水文參數(shù)

2.1 原水文參數(shù)校核

既有橋自開通運營至今，已經歷特大、大洪水多次，其中2002-06-09、2005-10-02的洪水為百年一遇。既有橋現(xiàn)在運營狀況良好，說明橋梁原水文計算合理。

既有橋水文計算所用數(shù)據(jù)已部分缺失，原水文參數(shù)校核步驟為：1)由竣工圖中查得橋梁與河流斜交角度、河道設計流量及水文斷面；2)由地形圖查取上下游各1 km長段落的水面標高，用加權平均法計算河道水面比降，并將此作為河底坡降；3)根據(jù)收集到的既有橋資料(含竣工圖、勘測說明、地勘成果)及現(xiàn)場調查情況，確定河段平面形態(tài)、水流狀態(tài)、河床地質組成及岸壁情況[3]，由文獻[4]查取灘槽糙率系數(shù)；4)進行設計水位及流速試算，通過在一定范圍內調整灘槽糙率，直至核算數(shù)據(jù)與原設計數(shù)據(jù)相符。

經多輪試算，原橋設計時的水文參數(shù)確定為：由橋址平面圖查得橋與河道斜交角度為25 °；由一定河長范圍的水面標高換算得河床比降為1.99‰；由既有橋設計說明查得橋位處河道設計流量為6700 m3/s；由既有橋地勘報告查得河槽土平均粒徑為36.15 mm；根據(jù)既有橋竣工圖提供的水文要素(設計流量、水位、流速)，并利用前述確定的參數(shù)，試算得到河道小里程邊灘糙率系數(shù)為18，河槽糙率系數(shù)為28[5]。

水文基本要素及沖刷計算結果見表1。

表1 原橋設計水文數(shù)據(jù)核算

由表1可知：現(xiàn)水文核算數(shù)據(jù)與原設計數(shù)據(jù)基本相符，僅局部沖刷線存在一定差別，原因為局部沖刷線均已進入巖石，而巖石的沖刷線目前尚無公式可算，僅能根據(jù)經驗取值[6]。

2.2 水文參數(shù)的驗證

由文獻[7]查得橋位處原河道三十年一遇設計洪峰流量為4910 m3/s，洪峰水位為235.32 m。

利用2.1節(jié)所得參數(shù)及上述河道斷面進行核算，可得三十年一遇設計洪水位為235.36 m，與上述水位僅相差0.04 m，進一步驗證了水文參數(shù)的可靠。

因此，前述所得河床比降、灘槽糙率、河床土顆粒粒徑可直接用于對既有橋的檢算。

2.3 水文計算參數(shù)

結合2.1節(jié)分析，對既有橋現(xiàn)狀進行檢算時水文參數(shù)為：橋與河道斜交角度為40°，河床比降為1.99‰，灘糙率系數(shù)、河槽糙率系數(shù)分別為18、28，河道設計流量為6700 m3/s，河槽土平均粒徑為36.15 mm。

利用投影面積法[8-9]計算得橋位處河道設計水位為240.45 m，平均流速為5.19 m/s；河槽過水面積為1 246.83 m2，流量為6 655.39 m3/s。

3 既有橋孔徑檢算

3.1 沖刷系數(shù)

由上文所得水文要素并結合橋梁立面圖，可得橋下毛過水面積為1 717.9 m2，橋墩阻水面積[10]合計為246.17 m2，則橋下供給凈過水面積ωg=1471.73 m2。

橋下需要過水面積[11-12]

ωx=Qp/(μvPcosα)=1 755.4 m2，

式中：Qp為設計流量；μ為河道壓縮系數(shù)，取0.96；vp為水流平均流速；α為橋梁與河流的斜交角度。

則橋位處河道沖刷系數(shù)[11]

由上述計算結果可知，既有橋沖刷系數(shù)滿足文獻[11]要求。

3.2 橋梁高程

由既有橋竣工圖可得，橋墩頂高程均在248.2 m左右，比設計洪水位240.45 m高，該河不通航，綜合考慮橋前壅水[13]、浪高、河灣超高等因素，橋梁高程滿足文獻[14]。

4 沖刷檢算

既有橋位處河道兩岸均為堤防工程，河堤之間為河槽，其余為河灘。在設計洪水狀態(tài)下，左岸河堤堤頂在設計水位以上3.55 m，右岸河堤被淹沒2.45 m。但右岸的橋墩已被較厚填土覆蓋且表面設有硬化鋪砌，沖刷不會對其造成較大影響，本次沖刷檢算只考慮主河槽中的橋墩，即7#～10#墩。

4.1 一般沖刷

本橋河床自基巖以上均為卵石土，按非黏性土河槽計算，則一般沖刷后橋下河槽最大水深[11-12]

(1)

將上述各參數(shù)帶入式(1)，可得橋下河槽一般沖刷后hp=13.892 m。

4.2 局部沖刷

以7#墩為例，計算局部沖刷坑深[15]。

4.2.1 一般沖刷后墩前行進流速

，

(2)

式中：h7P為橋下一般沖刷后7#墩位處最大水深，按橋下河槽一般沖刷坑深相同考慮，根據(jù)計算水位、一般沖刷值及橋梁立面圖，h7P=10.94 m；

河床泥沙起動流速

(3)

將各參數(shù)帶入式(2)(3)，可得v=5.914 m/s，因為v0=2.28 m/s，所以v>v0。

4.2.2 局部沖刷坑深

因為v>v0，則橋墩局部沖刷坑深

(4)

計算得7#墩hb=3.675 m。

4.3 沖刷計算結果

本橋按一般橋梁考慮，基底埋在局部沖刷線下不應小于2 m與10%的總沖刷深之和[16]，受堤防工程影響的各墩沖刷計算結果見表2。

表2 河槽中橋墩沖刷計算結果 m

由表2可知：河道被壓縮后橋墩沖刷深度加大，7#、8#墩埋深已不滿足規(guī)范要求，存在安全隱患。

5 橋墩基底承載力檢算

河道整治后，既有橋址地形變化較大，1#～6#墩、11#～13#墩基頂均增加較厚人工填土，增大了基底壓應力；受一般沖刷變化影響，7#～10#墩的基底容許承載力發(fā)生變化[17]，需對既有橋進行基底承載力檢算。

計算時各參數(shù)取值為：人工填土密度為1939 kg/m3；弱風化片巖不考慮寬深修正，強風化片巖寬深修正系數(shù)[18]分別取2、4，卵石土寬深修正系數(shù)分別取3、5，基底以上、基底以下土的密度分別按透水及不透水采用浮密度、天然密度或飽和密度[18-21]。

橋墩基底承載力計算結果見表3。

表3 規(guī)劃后河中橋墩基底應力檢算

由表3可知，河道被壓縮、既有墩四周填土后，橋墩基底僅增加了因基礎平面超出墩底截面所承受的土壓力，該壓力較小，基礎承載力仍滿足文獻[16]。

6 結論

1)既有鐵路橋橋址處河道沖刷系數(shù)由1.15增至1.193，小于1.2，滿足文獻[11]要求。

2)既有鐵路橋1#～6#、11#～13#墩已被河堤及填土包護，不再考慮其受洪水沖刷影響。經沖刷計算分析，9#、10#墩基底埋深滿足文獻[16]；7#、8#墩一般沖刷線較深，基底埋深不滿足規(guī)范要求，需要對既有橋進行加固。

3)河道斷面變化后，部分橋墩基頂增加較厚土柱，增大基底壓應力，但均未超過基底土的容許承載力，滿足規(guī)范要求。