桥梁基础水毁的分析及其加固防治措施

2015-02-19胡嘉平郑红雷李海涛

浙江交通职业技术学院学报 2015年1期

关键词：冲刷桥梁基础

胡嘉平,郑红雷,李海涛

(1.浙江省交通规划设计研究院,杭州　310006；2.浙江省大成建设集团有限公司，杭州　310012)

桥梁基础水毁的分析及其加固防治措施

胡嘉平1,郑红雷2,李海涛2

(1.浙江省交通规划设计研究院,杭州310006；2.浙江省大成建设集团有限公司，杭州310012)

摘要：对柬埔寨国家8号公路部分桥梁基础受2011年特大洪水冲毁造成的原因进行了分析，并根据水文条件进行了冲刷计算验证，同时结合当地已经实施的成熟方案提出了针对性的加固措施并进行了详细论述；方案实施后又经历了2012年至2014年三年洪水的考验，这些加固防治措施有效的抵御了洪水的侵袭。为东南亚类似地区的设计提供有参考价值的解决方案。

关键词:桥梁；基础；水毁；冲刷；加固防治

1工程概况

柬埔寨国家8号公路是柬埔寨国家公路网主干线公路之一，位于干丹和菠萝勉两省境内中北部，磅湛省东南部，成西东走向。起点接湄公河Prek Tamak大桥与6号公路连接，往东止于柬越边境，全长约105.6km，该项目是2007年中国政府优惠贷款援助改建的重大基础项目，于2011年7月建成通车[1]。

2011年7月～10月雨季期间东南亚中南半岛部分国家发生了特大洪水，泰国发生了三百年一遇的洪水，柬埔寨、老挝等地区发生超过五十年一遇以上的洪水，洪水历时时间长，影响范围大，柬埔寨全国共有2000多千米道路不同程度受损，多座桥梁被冲毁。8号公路按照中国交通部颁发的《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)中规定的平原微丘区三级公路标准设计，路基设计洪水位为25年一遇，桥梁为50年一遇。柬埔寨受以往战争影响，一直缺乏有效的洪水历史数据资料，设计采用的洪水资料主要依据当地政府和百姓提供的口述资料以及现状道路桥梁的洪水痕迹情况。8号公路部分路段位于湄公河洪涝区，按照柬政府提供的官方报告称2011年沿线经历了五十年一遇以上的洪水侵袭，部分河流区域更是经历了百年一遇的水位，且洪水持续时间长，部分路段的洪水水流流速甚至超过5 m/s，在如此强度大、范围广的洪水影响下，8号公路洪涝区段部分桥梁的基础受到了不同程度的冲刷和毁坏，主要表现为桥墩受冲刷掏空、桥头锥坡冲毁等现象，应采取有效措施加固。

2桥梁水毁情况分析

以8号公路14号桥为例(受损最为严重)，该桥位于湄公河洪涝区，跨径布设为3孔20 m，主要是为湄公河泛滥时泄洪的需要所设，8号公路两侧地势平坦，无洪水时均为耕地，洪水来临时形成洪涝区，无明显的河床，按照现场调查情况及掌握的历史洪水资料，对该桥的下部地面采用了满铺素混凝土的防护形式，桥梁锥坡则采用片石混凝土基础及浆砌片石护面的防护措施。洪水期间现场见图1和图2所示。

图1　桥台处急流

图2　洪水溢满河道

2011年受上游来水及强降雨影响，湄公河遭遇五十年一遇的洪水，洪水迅速漫过河堤，以超过正常年份几倍的水流速度冲刷道路且持续时间超长，对桥墩周边的土体及桥台基础造成持续冲刷，桥墩及桥台周边土体随着水流的持续作用，基础被缓慢掏空，桥下铺砌逐步瓦解，洪水过后桥墩垂直方向地面因冲刷形成了70m长左右的坑槽，深度超过10m，部分桩基冲刷深度超过11m，桥台锥坡基础被冲空垮塌。见图3和图4。

3基础水毁的原因分析

由于特大洪水使得桥梁下部水流流速极快且过水断面饱和，洪水在桥台附近产生紊流，不断冲刷桥墩及桥台锥坡防护的基础，当锥坡基础底部的地基被冲刷掏空后，基础失稳下塌，上部开裂下沉，在洪水的不断冲刷下逐汽车往上发展导致全部冲毁；水流在桥墩周围产生强烈螺旋形涡流，墩前水流流线接近桥墩头部发生急剧弯曲变化，剧烈淘刷桥墩周围基础形成深槽[2]，见图5。

图3　桥墩、桥台基础冲毁现场

图4　桥墩外侧冲刷形成的深槽

图5　桥墩局部冲刷示意图

桥梁桩基及基础受洪水冲刷严重情况与地质有极大的相关性，14号桥梁处于湄公河冲洪积区，表部为第四系地层，湄公河冲积洪积形成，浅部地层岩性为亚粘土，呈软塑～硬塑，含少量砾，粉粒含量高，桥址区厚度约4 m，其下为粉细砂，稍密～中密状，厚度超过40 m。该种地质条件下土体浸水后极易软化，洪水期间在高流速状态下表部含砾亚粘土层被迅速剥离，其下的粉细砂土在水流持续作用下被大量带走，形成坑槽。

墩台的冲刷主要为一般冲刷和局部冲刷，洪水过后根据现场实测数据对冲刷产生的深度进行了理论验证。

3.1一般冲刷计算

按照《公路工程水文勘测设计规范》(JTJ 062-2002)非粘性土河床的一般冲刷，按式64-2简化式[3]：

式中：hp为桥下一般冲刷后最大水深，m；

Qp-频率为2%的设计流量，取1350m2/s；

Q2-桥下河槽部分通过的设计流量，当河槽能扩宽至全桥时取用Qp，m3/s；

Qc-天然状态下河槽部分设计流量，取560m3/s；

Bc-河槽宽度，取40m;

Qt1-天然状态下桥下河滩部分设计流量，m3/s；

Bcg-造床流量下的河槽宽度，当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度取60m；

λ-设计水位下，Bcg在宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值，取0.058；

μ-桥墩水流侧向压缩系数，查表取0.93；

hcm-河槽最大水深，取0.5m；

Ad-单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段当>1.8时，Ad可采用1.8；

Hz-造床流量下的河槽平均水深，对复式河床可取平滩水位时河槽平均水深，取0.2m；

经计算一般冲刷后最大水深hp=1.57m。

3.2局部冲刷计算

非粘性土河床桥墩局部冲刷，按式65-2计算：

式中：hb-桥墩局部冲刷深度，m；

kζ-墩形系数，查表取1.00；

B1-桥墩计算宽度，取1.2 m；

hp-一般冲刷后的最后水深，计算得1.57 m；

kη2-河床颗粒影响系数，计算得0.317；

V-一般冲刷后墩前行进流速，计算得5.83 m/s；

V0-河床泥沙起动流速，计算得0.25 m/s；

V0′-墩前泥沙起冲流速，计算得0.09 m/s；

n2-指数，计算得0.882；

经计算局部冲刷深度hb=11.24 m。

理论计算的结果与实际冲刷深度基本一致。

4桥梁基础的水毁加固防治设计

4.1桥台锥坡加固设计

结合桥台锥坡处水流冲刷的特点以及柬埔寨当地的防冲刷加固方案，对现有冲毁部分的桥台锥坡及两侧顺接路基坡脚设置C20片石砼桩基挡墙，桩基采用C30钢筋砼预制打入桩，间距1.2 m，桩顶设置厚1 m的C25钢筋砼承台，埋置深度在冲刷线以下1.5 m左右。桥梁锥坡范围内采用C20片石砼整体浇筑基础；路基两侧挡墙顶边坡整平夯实后，采用40 cm厚M7.5浆砌片石砌筑，防护至路基顶标高。

桥下部分桩基受桥梁净空高度的限制，无法采用预制打入桩施工，改为采用直径1.2m的人工挖孔桩，纵向布置3根，长8 m；桥台锥坡外侧为防止急流冲刷土体造成桩基破坏，保证基础的稳定性，在基础外侧设置石笼进行防护，石笼采用镀锌钢丝网制成，厚度为60 cm，石笼施工前均先铺设一层反滤土工布。见图6～图8。

图6　桥台锥坡处桩基加固方案平面布置图

图7　桥台外挡墙打入桩方案处置图

图8　桥下挡墙灌注桩方案处置图

4.2桥下冲刷坑加固设计

由于桥梁下部及桩基外侧形成了巨大的冲刷坑，为防止坑槽对桩基的影响，对桥下及两侧冲刷坑进行回填加固处置。设计方案采用宕渣分层回填，考虑右侧冲坑范围较大，在横向填至一定宽度后按两级1∶2.0放坡至坑底，表部回填土压实整平后整体铺设一层反滤土工布(防止土体受水流冲刷而剥离)，其上采用50 cm厚石笼压面，四周边界嵌置石笼基础，宽50 cm，埋深1.0 m。冲刷坑放坡坡脚采用C20片石砼挡墙基础，宽60cm，基础埋置于现有冲刷底部1.0 m的位置，在基础外侧打入直径15 cm，间距1.2 m，长6 m的木桩防止基础受水流冲刷而坍塌。见图9～图11。

图9　桥下石笼满铺平面图

图10　冲刷坑横线填筑处置图

图11　冲刷坑纵向填筑处置图

针对8号公路部分桥梁、涵洞基础受损情况，根据现场水毁程度的不同，设计采用了不同的加固防治方案。①对于一般水毁程度不大的基础冲刷，主要采用了局部加铺石笼的方案；②对于冲刷较为严重的基础部位，采用宕渣回填，表部加铺反滤土工布，石笼满铺的方案；③对于冲刷非常严重的基础情况(如14号桥梁)，则采用了较为完善的加固处置方案，主要为设置预制打入桩、增设挡土墙、铺设反滤土工布、设置满铺石笼等加固措施；④对于部分涵洞进出水口的水毁则主要采用回填宕渣加铺反滤土工布及石笼的方案。

8号公路受2011年特大洪水侵袭，共计4座桥梁、11道涵洞的基础不同程度的受损，桥涵结构物水毁防护方案实施共计达132.6万美元，其中14号桥梁最为严重，防护费用为62.5万美元，超过常规的一般防护。桥梁涵洞水毁加固措施实施完成后，又经历了2012年至2014年3年的洪水侵袭，其规模虽较2011年的小，但洪水的持续时间仍超过2个月，这些水毁加固措施有效的抵御了长时间洪水冲刷的侵袭，基本避免了桥梁基础再次水毁的发生。

5结语

通过参与柬埔寨国家8号公路部分桥涵基础水毁加固防治方案的设计，对该区域内特别是湄公河泛滥区实施的道路桥梁项目防洪、防冲刷要求有了更深入的了解和认识。

在湄公河泛滥区附近的道路每年存在不同程度的水毁及冲刷现象，且范围较广泛；受地质及土体影响，一般受洪水影响较为严重的路段常规的浆砌防护措施往往难以奏效，应综合考虑土体防冲刷影响、护坡、挡墙(打入桩基础)与石笼等措施的配合设计。

在长时间受洪水侵袭路段，反滤土工布加石笼防护是较为简单有效的防护形式，能够较长时间的保护结构物基础周围的土体少受水流冲刷影响；在受洪水剧烈侵袭的路段，采用打入桩基础的挡墙结合石笼等防护形式是抵御高流速下强洪水的有效措施；受短时间一般洪水侵袭的路段则采用整体式基础加浆砌片石就能有效防护。

参考文献：

[1]浙江省交通规划设计研究院.柬埔寨国家8号公路水毁专项施工图设计[Z].杭州：浙江省交通规划设计研究院，2012.

[2]王亚玲，孙建民，周玉利.桥梁墩台的护坦防护局部冲刷深度计算[J].长安大学学报：自然科学版，2004，24(6):37-39.

[3]JTG C30-2015，公路工程水文勘测设计规范[S].交通运输部，2005.

Analysis Reason of Bridges and Culverts

Destroyed by Floods and Strengthening Prevention Measures

HU Jia-ping1,ZHENG Hong-lei2,LI Hai-tao2

(1.Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning,Design & Research,Hangzhou 310006 China;

2. Zhejiang Dacheng Construction Group co., ltd.,Hangzhou 310012,China)

Abstract:The cause of the part damage of the bridge foundation by the extremely serious flood in 2011 for No. 8 National Highway in Cambodia was analyzed; And sour calculation verification was carried out according to the hydrogeological conditions. Meanwhile, specific reinforcement measure was put forward and described in detail on the basic of a mature solution which had been already implemented. After the implementation of the solution, the bridge foundation stood the test of 3 years flood from 2012 to 2014. It indicates that this reinforcement measure defended the flood attack effectively. which provides a solution with great reference value for bridge design in Southeast Asia.

Key words:bridges; foundation; destroyed by floods; erosion; strengthening prevention