桥梁水毁的病害研究及结构修复设计

徐艳生

（忻保高速公路建设管理处，山西 忻州 034015）

桥梁设计以桥跨区域的历史水文、水位资料作为结构选型与设计的必要依据。然而，桥梁服役期所需面对的洪水等级和频率则是难以精确预测的。若桥梁遇到超出其设计洪水位时，桥梁结构的安全可靠度往往难以得到保证。大量的桥梁水毁事故分析表明：桥孔过小，排洪输沙能力不足，则极易造成桥前迎水面严重壅水，桥下覆土受到重冲刷，桥台、桥墩、桥头引道在水流的作用下被冲毁[1]。同时，汛期河内漂浮物增多，容易堵塞桥孔，由此造成桥梁上游壅水过高，对桥梁结构产生很大的推力和浮力[2]，甚至出现局部跌水、洄流、急弯，从而导致桥梁被激流的洪水推倒或冲走[3]。

1 桥梁水毁案例

根据山西省气象台报告，2014年9月中旬，山西省出现大范围阴雨天气，仅10—16日降水量为9～163.5 mm，路线穿越的山区雨量24 h内最大降雨量超过200 mm[4]。数次集中强降雨最终导致洪水等地质灾害的发生。根据调查结果，多桥梁受到不同程度的地质灾害影响，部分原有桥跨构造物甚至发生毁灭性的破坏。洪水过后桥位河床向下冲切，原有河道拓宽,本次洪灾中受损的桥梁及其病害特征于表1中列出。

表1 受洪水影响的桥梁主要特征及病害一览表

2 水毁成因分析

对本次调查的因汛期水毁而失去承载能力的桥梁进行事故分析，其水毁成因主要有设计因素、水利设施影响、河道不畅、次生灾害等方面的影响。

2.1 设计因素

由于桥位选择与桥跨型式的选择是由路线的走向所决定的，设计人员并未深入校核桥位所在区域河流性质、河谷演变及地质状况等方面的综合利害因素，以致选择了不当的桥位或桥型布置。亦或是受当时的技术和资金限制，无法做到合适桥位和完善的防护等，使得桥位未能具备较小的阻水宽度，受局部冲刷发生水毁未能得到避免。

2.2 河道不畅

部分河道由于多年盗采盗挖河道砂石料，不仅导致河道极为凌乱，洪水行进不畅，河道壅水抬高[5]；而且河床遭到大量取沙而形成的溯源冲刷，逐步发展至桥跨断面，从而影响桥渡建筑物的安全，造成重大损失。此外，事故调查中发现，沿线跨越的部分小型河道由于河道常年未经修整，河道淤塞导致泄水不畅。洪水发生时水位被迫抬高，造成的桥梁水毁也十分严重。

2.3 次生灾害

对于地形险要、地质条件较差的河谷冲沟，汛期强降雨则极易导致因水石流或泥石流而引起的次生灾害。由于水毁发生的部分地区河谷冲沟较深，地势陡而急，桥跨两岸沟床纵坡大。同时，调查发现谷内岩体风化严重，表层岩体节理发育，对泥石流、水石流的发展，提供了丰富的碎石等携裹物的来源。而当水石流经过桥跨断面时，流体中所携裹的块石与漂浮物等，高动能的块石与漂浮物不仅仅会对桥梁具有冲击效应，块石的存在还会加剧桥跨断面的泄水难度，流水阻力增大导致块石堆积，从而引发河道淤塞，对桥梁等构造物造成损毁。

此外，附近居民证实，桥梁水毁前迎水一侧沉积有较多的漂浮物导致桥孔发生堵塞，由此造成桥梁上游壅水过高，对桥梁结构产生很大的推力和浮力，从而导致桥梁被激流的洪水推倒或冲走。

3 桥梁水毁病害

根据施工图等设计相关文件，桥址处最大设计汇水面积约为3 800 km2，Q2%=3 270 m3/s。当洪水通过时，原设计桥跨结构物设置有多孔圆管并置的过水断面遇到特大洪水时，早已失去泄水作用，反而由于阻水效用明显导致壅水过高，造成了更大规模的损坏；同时，山区原有河道中盗采盗挖砂石料十分严重，河道常年未经修整，洪水通过河道时行进不畅，增大了河床冲刷。通过对泄洪后道路沿线的桥梁进行结构完整性调查和测试，对于桥梁的水毁病害可归纳为5种类型的病害。

3.1 河道块石、杂物等漂浮物堆积

由于桥梁在河道处的阻水效应，使得泥石流、水石流经过桥跨断面时，高动能的块石与漂浮物会对桥墩具有不利的横桥向冲击效应。而当流体流速降低时，水流所能携裹块石等其他物体的能力下降。块石与漂浮物等在桥梁断面处大量沉积。

块石和漂浮物的堆积导致河道过水能力进一步减弱，使得桥跨断面的泄水难度增大。当漂浮物在桥孔处堵塞时，会抬高壅水高度的同时，流水对漂浮物的压力与浮力作用直接作用在桥跨两侧，形成上部结构的不利荷载效应。故此，桥梁的抗洪能力无法满足要求而造成损毁[6]。

3.2 桥头锥形护坡水毁

设有导流堤的桥头锥坡在洪水通过时有较好的导流作用，而上游未设置有导流堤的桥头锥坡出现剥离和冲毁，严重影响到桥头道路的稳定[7]。

3.3 浅基发生沉陷或倒塌

河床遭到大量取沙而形成的溯源冲刷并发展至桥跨断面，洪水通过加剧了冲刷深度，浅埋基础造成重大损失。

3.4 拱桥圬工填料被激流冲散

由于漂浮物堵塞泄水通道，激流直接作用在拱顶填料上，导致圬工填料在激流的作用下被冲散。虽然，拱轴线未被破坏，但不平衡的拱上填料难以保证受洪水影响后拱桥的安全和稳定性。

3.5 主梁移位、掉落

由于漂浮物堵塞泄水通道，流水的冲击效应和浮力直接作用在主梁上，对主梁形成上浮的作用效应。调查发现，数片主梁在洪水的作用下发生移位。位于河口冲积扇处的一联左幅3×25 m预应力混凝土连续箱梁被冲走，箱梁于下游300余米处发现。

3.6 桥梁附属构造物受影响

通过对全线受洪水影响的40余座桥梁的附属设施调查发现，当最高洪水位漫过主梁顶面时对应的桥梁支座、伸缩缝、排水管均填塞有较多的淤泥及河内漂浮物。严重影响到了附属构造物的工作性能，桥梁的正常使用受到影响。

综合沿线桥梁的病害分析，绘制桥梁水损的病害层级图，如图1中所示。

图1 桥梁水损病害层级图

4 桥梁水毁恢复设计原则

参考山区公路桥涵的泥石流、洪涝等地质灾害中若干研究，探讨在桥梁受水毁后的结构恢复设计原则，总结得出如下几条：

a）对于拆除重建、重新规划路线等的水毁结构，直接进行水毁恢复设计的桥梁，在“安全、适用、经济、美观、便于施工及后期养护”的设计原则上，需重新审核抗洪指标、抗冲刷性能与水库（坝）溃坝后引发的流量增量允许值等。对于设计洪水位，需计入当次洪涝灾害记录所得的最高洪水位，还应综合考虑服役期内洪涝灾害的预期判估。此外，结构恢复设计要依据现有的水毁病害调查报告及水毁成因进行结构抗洪能力预加固。对新规划路线和桥梁方案，继续选择原有跨线方案的，应综合考虑河道被拓宽后的桥头地基土的稳定性。新的桥梁方案力争不留疑点，不留缺陷。

b）对于可继续使用的桥梁，以检测及加固为主，对水漫桥梁所可能发生病害进行仔细的检测和加固。对附属构造物中的淤泥与河内漂浮物进行仔细清理。发生桥梁移位、落梁等病害的，纠正桥梁位置前，需检查支座、伸缩缝等能否继续工作。确认损坏的，需更换后再投入使用。同时，应重新审核抗洪指标、抗冲刷性能与水库（坝）溃坝后引发的流量增量允许值等，不达标的通过拆除重建或者抬高桥梁标高等方式，以保证桥梁服役期内不因水毁而失去承载能力。

c）桥址断面跨越泄洪槽、河道的，需对河道及槽内碎石、淤泥等进行清理，以保证具有较小的泄水阻力。在流水湍急和冲刷严重的河道或冲击扇地区，应根据水流情况设置导水构造物，如桥头处上游设置丁坝、顺坝、阻水堤等。有条件的，在桥墩及桥台处设置浆砌片石护坦，防止激流对基底和锥坡的冲刷。

d）对于洪水期间出现水漫桥梁、主梁移位、激流冲毁等病害的桥梁以及在不稳定河段，可根据河岸条件、河床地貌以及桥孔位置等，分情况采取有效措施。如清理与整修河道、增大上下游禁止挖沙、采石、取土、倾倒垃圾的范围。并设专人进行日常巡逻与执法，以保证河道平顺无杂物。

5 总结

由于桥梁墩、台是直接修建在河道或河谷滩地，对于生命线通道，一旦发生水毁等灾害，不仅仅修复困难，带来的后果也比较严重。因此，桥梁水毁的防治仍应着手于预防，对于一级公路的桥梁设计这是可以做到的。这就要求在桥梁方案选择与项目初步设计阶段，全面搜集河流、河道水文、附近水利工程特点以及河床的变化资料，综合确定合理的桥位、桥孔布设、墩台型式选择以及河道调治导流构造物的设置等。正确的桥位设计和合理的防洪设计是避免桥梁水毁最主要和最直接的措施[8]。

文中通过对山西省某一级公路桥梁的水毁案例，结合水毁桥梁的实地调查结果，对山区桥梁的水毁成因、水毁病害均作了深入的调查分析。总结了水毁桥梁的结构恢复设计的若干原则和建议，并以此为原则指导水毁后桥梁结构承载能力恢复设计与结构抗洪能力检核。文章根据实际案例分析所得出的原则和建议，不仅为今后水毁桥梁结构恢复设计提供理论依据，也为新建公路、市政项目的桥涵规划和设计提供新的借鉴和参考。