拟建桥梁对河道堤防的安全影响分析

2019-02-14贺金仁

浙江水利科技 2019年1期

王龙，贺金仁

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

1 问题的提出

随着经济社会的快速发展，河道管理范围内的建设项目越来越多。根据国家计委、水利部《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》（水政〔1992〕7 号）的要求，新建桥梁应进行防洪影响评价，编制防洪影响评价报告。但防洪影响评价往往从桥墩对水流流态的影响、水位壅高等方面进行分析，对堤防的安全影响分析较少。因此，本文结合某实际工程，重点分析桥梁工程对堤防的安全影响，使桥梁建设不至对堤防产生不利影响，并为桥梁的设计工作及堤防的安全影响评价提供参考。

2 工程概况

浙江某桥梁工程拟建于飞云江干流上，在防洪堤以内的长度约600 m，加上堤防以外的引桥后桥梁总长约800 m。桥位处飞云江河道无通航要求。大桥跨越堤防处采用25 m组合箱梁，桥梁桥跨组合为4×25 m + 13×40 m + 5×25 m。河道左岸及右岸梁底最低高程分别为16.257 m（堤顶高程13.700 m）、17.125 m（堤顶高程14.570 m），堤顶净高分别为2.557，2.555 m，抢险通道由原设计的堤顶防汛道路改设于堤后，从堤后相邻桥跨下穿过。

两岸堤防工程防洪标准20 a一遇，级别4级。堤身采用砂砾石填筑，设1道复合土工膜防渗体。堤基为砂砾卵石基础，设计采用高压旋喷防渗墙处理堤基，间距0.80 m，深度8.000 m。

该方案桥墩与堤防相对位置见图1 ～图5。

图1 拟建桥梁桥位平面图

图2 河道左岸桥墩与堤防相对位置断面图单位：cm

图3 河道左岸桥墩与堤防相对位置平面图单位：cm

图4 河道右岸桥墩与堤防相对位置断面图单位：cm

图5 河道右岸桥墩与堤防相对位置平面图单位：cm

3 安全影响分析

3.1 堤顶高程复核

根据GB 50286 — 2013《堤防工程设计规范》，堤顶高程按设计洪水位加堤顶超高确定[1]。

根据防洪影响评价报告成果，寨寮溪大桥建成后桥址处水位雍高0.041 m。左岸堤防：设计水位13.540 m + 安全加高0.600 m + 壅水高度0.041 m = 14.181 m＜设计堤顶高程14.200 m。右岸堤防：设计水位13.470 m + 波浪爬高0.410 m + 风雍水面高度0.004 m + 安全加高0.600 m + 壅水高度0.041 m = 14.525 m＜设计堤顶高程14.570 m。

因此大桥建成后，原设计堤顶高程仍能够满足规范要求，不需加高堤防。

3.2 堤防渗透稳定和整体稳定影响分析

3.2.1 计算内容和计算方法

根据《堤防工程设计规范》进行渗透稳定和抗滑稳定计算。抗滑稳定计算方法为简化毕肖普法。桥梁建成后，按最不利的情况，考虑车辆动荷载引起桩周绕渗，同时不考虑桥梁桩基做抗滑桩的作用。具体计算公式比较简单，本文不做详述。计算断面按图2和图4断面分别进行计算。

3.2.2 计算工况

根据GB 50286 — 2013《堤防工程设计规范》，河流的堤防渗流计算应计算下列水位的组合：①设计洪水位下的稳定渗流期对背水坡堤坡稳定最不利的情况；②洪水降落时对临水侧堤坡稳定最不利的情况。

稳定计算包括：①设计洪水位下的稳定渗流期的背水坡堤坡；②设计洪水位骤降期的临水侧堤坡。

3.2.3 工程地质条件

桥址区地貌为山前冲洪积倾斜平原，地表冲洪积卵石出露，厚度大于25.000 m；下伏基岩为侏罗系西山头组凝灰岩，埋置较深，性质良好。各土层物理力学指标设计取用值见表1。

表1 各土层指标设计参数值表

3.2.4 计算结果及分析

堤防在各工况下的出逸比降计算结果见表2，抗滑稳定安全系数见表3。

表2 各工况下的出逸比降计算成果表

表3 堤防整体稳定计算成果表

根据计算结果，由于大桥建设后加桩基础，桩周发生绕桩渗流，导致在出逸口渗透比降略有增加，仍然在规范要求范围之内。各工况下渗透稳定和整体稳定均可满足规范要求。

3.3 堤防防渗体系安全影响分析

左岸堤防防渗采用复合土工膜+高喷防渗墙，复合土工膜位于堤顶C20混凝土挡块下方，周围用砂砾石保护，保护区宽度2.50 m，高喷防渗墙位于复合土工膜下方，深8.00 m（见图6）。

右岸堤防防渗采用复合土工膜，结构与左岸相同。背水坡坡脚设置反滤排水体（见图7）。

图6 左岸堤防堤身防渗体系设计图单位：cm

图7 右岸堤防背水坡堤脚反滤排水设计图单位：cm

桥梁的建设不得对现状防渗排水体系产生破坏等不利影响。从图3和图5可以看出，3号墩到左岸堤防土工膜保护区最小距离约3.000 m，19号墩到右岸堤防土工膜保护区最小距离1.000 m，20号墩布置在右岸堤防背水侧堤脚反滤排水体上，对反滤排水体存在破坏影响。要求19号桥墩施工过程中需做好对堤防防渗体系及保护区的保护工作，如有破损需对堤防防渗系统进行修复；要求20号桥墩施工完成后，对堤背坡破损的反滤排水体按原设计进行修复。

3.4 堤脚防冲影响分析

飞云江上游属于山溪性河道，洪水暴涨暴落，水流流速较大，下游为感潮河段。本工程范围堤脚大多为砂砾石，需要进行防冲计算。根据GB 50286 — 2013《堤防工程设计规范》附录D进行计算。具体公式不再详述。

表4 堤脚防冲计算成果表

根据计算结果，左岸和右岸堤脚冲刷深度分别为1.020 m和1.300 m。堤防原设计迎水侧生态格宾网箱大方脚基础埋深均在1.500 m以上，能够满足要求。桥梁设计单位将堤防迎水侧生态格宾网箱大方脚改为混凝土大方脚，是可行的，要求混凝土大方脚基础埋设控制在1.500 m以上。

3.5 堤防护坡安全影响分析

桥梁设计单位对两岸堤防的迎水坡及背水坡均采用50 cm厚M7.5浆砌片石护坡。浆砌石护坡可以满足堤防的抗冲刷要求，建议在堤防迎水坡浆砌石护坡中埋设排水孔，另从生态景观需要考虑，背水侧建议保持植被护坡，但桥梁雨水排放要求集中排至堤身以外，以防对堤防造成集中冲刷破坏。

3.6 防汛道路和绿道功能的影响分析

堤顶防汛道路是防汛抢险和工程管理的重要通道，根据GB 50286 — 2013《堤防工程设计规范》中规定：与堤交叉连接的各类建筑物，构筑物不得影响堤防的管理和防汛运用，不得影响防汛安全[1]。

根据《浙江省涉河桥梁水利技术规定（试行）》，桥梁、框架涵等的梁底高程要满足防洪排涝（规划洪水位＋0.500 m超高）及防汛抢险、保洁疏浚等要求。桥梁梁底高程应考虑堤防防汛抢险、管理维修、今后加高加固的需要。防汛通道与梁底的净高应满足防汛抢险车辆通行的净高要求。当桥梁梁底与堤顶的净高不能满足防汛抢险车辆通行的净高要求时，应在堤背坡设置防汛通道及上下堤的交通坡道。一般规定，桥梁梁底高程与防汛通道的净高要求不小于4.500 m。

根据桥梁设计单位提供的设计图纸分析，飞云江河道防洪标准为20 a一遇，大桥跨越处两岸堤防高程左岸为13.700 m（防浪墙顶高程14.200 m），右岸为14.570 m，相应堤顶梁底高程分别为16.257（左岸），17.125 m（右岸），堤顶净空高度为2.557，2.555 m。

大桥现有设计方案河槽梁底高程已满足防洪排涝（设计洪水位+ 0.500 m超高）要求。

两岸堤防堤顶虽不满足防汛通道4.500 m的净空要求，但均已考虑在堤后设置防汛通道及上下堤的交通坡道。防汛通道穿桥梁的净空高度满足不小于4.500 m的要求。

建议补充堤后防汛道路及上下堤的交通坡道的线路布置和相关具体设计内容。为增加左岸堤顶净空高度，设置了高0.500 m的防浪墙，建议补充防浪墙的布置和相关具体设计内容，并满足挡墙稳定的要求。

桥梁建成后，不得影响绿道的使用功能要求。原设计该段绿道布置于堤顶，根据桥梁建设部门与绿道管理部门的对接结果，绿道净高要求不小于2.500 m。桥梁建成后堤顶净空高度2.560 m左右，满足绿道净高要求。

3.7 桥梁施工期对堤防的安全影响分析

桥梁施工过程中，桩基、围堰、施工平台搭设等环节在河道内进行，施工过程中的堆放的施工器材、工具、土石方等临时设施，对汛期行洪十分不利，考虑到河道行洪安全和项目自身安全性，上述施工环节应安排在非汛期进行，并在汛期前撤出机械并平整场地[2]。

桥梁设计方案在河流两侧堤防的迎水面、背水面均设置桥墩，分别为3、4号墩及19、20号墩。施工时均需将桩基钻孔平台搭设在堤防边坡上。桥梁设计单位需提供详细的施工组织设计方案，并确保桩基施工及钻孔平台产生的荷载不会对堤防稳定安全造成影响。

根据《中华人民共和国河道管理条例》和《浙江省水利工程安全管理条例》，堤防管理范围为两岸之间的水域、滩地。在河道管理范围内的障碍物均对行洪有不利影响。桥梁施工过程中产生的弃土禁止堆放在滩地或河道内。建议施工单位编制施工组织方案时将建筑材料堆放场设置在河道以外，并尽量将施工期安排在非汛期（10月15日至次年4月15日），汛期来临前清理一切阻水建筑物，以保证河道原有的过水能力。并且要求施工单位切实做好施工度汛方案设计，并报请有关主管单位批准方能施工。

对于需跨汛期施工的大型桥梁工程，建设单位需编制施工期度汛预案，汛期不得在河道滩地内进行工程施工，确保河道行洪及工程施工的安全。

施工度汛期间应加强雨情、水情监测和洪水预报，加大现场检查力度，做好原位观测，发现险情及时上报，并立即按预案采取抢险救援措施。

3.8 与法律法规及规范规程的符合性

（1）《中华人民共和国河道管理条例》第十二条规定：“修建桥梁、码头和其他设施，必须按照国家规定的防洪标准所确定的河宽进行，不得缩窄行洪通道。桥梁和栈桥的梁底必须高于设计洪水位，并按照防洪和航运要求，留有一定的超高。设计洪水位由河道主管机关根据防洪规划确定”。大桥设计方案能满足该要求。

（2）根据《中华人民共和国防洪法》第二十七条规定，建设跨河桥梁应当符合防洪标准、岸线规划、航运要求和其他技术要求，不得危害堤防安全、影响河势稳定、妨碍行洪畅通。本工程建设单位应当经有关水行政主管部门对该工程设施建设的位置和界限审查批准后，方可依法办理开工手续。

（3）GB 50286 — 2013《堤防工程设计规范》第10章10.4.1桥梁、渡槽、管道等跨堤建筑物、构筑物，其支墩不应布置在堤身设计断面内[1]。

桥梁设计方案在河流两侧堤防的迎水面、背水面均设置有桥墩，分别为3、4号墩及19、20号墩。不满足《堤防工程设计规范》的要求。建议调整设计方案，加大桥梁跨度，避免在堤身处打桩，以满足规范的要求。

（4）浙江省涉河桥梁水利技术规定（试行）。①梁底高程：“桥梁梁底高程需考虑堤防防汛抢险、管理维修、今后加高加固的需要。桥梁施工前，对桥梁覆盖范围的堤防，应按堤防的规划标准进行建设。防汛通道与梁底的净高应满足防汛抢险车辆通行的净高要求。当桥梁梁底与堤顶的净高不能满足防汛抢险车辆通行的净高要求时，应在堤背坡设置防汛通道及上下堤的交通坡道。”本工程大桥设计方案通过堤后设防汛抢险通道和上下堤的交通坡道，两岸净高均能满足要求。②桥墩布置：“桥梁的桥跨布设应顺应河势，桥墩布设应避开主槽，在主槽摆动剧烈的河段，应根据主槽摆动范围布设桥孔，尽可能使得主槽在桥孔内。桥梁桥墩不应布置在堤身设计断面以内。当桥墩需要布置在堤身背水坡时，必须满足堤身抗滑和渗流稳定的要求”。大桥设计方案有2个桥墩座落于堤身迎水坡面上，不能满足上述规定要求。③桥梁承台：混凝土“主槽处承台顶高程宜在平均低潮（水）位以下，边墩的承台顶高程宜在滩面以下。在规划中需要疏浚的河段，承台顶高程应相应降低。”大桥设计方案可满足上述规定要求。

3.9 其它方面的影响分析

3.9.1 河床冲刷影响分析

桥址附近的河床冲刷是多种因素综合作用的结果。一般而言，河床冲刷可分为3部分：①自然冲刷：河流自然演变引起的冲刷；②一般冲刷：由于桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力随之增大，引起整个桥下断面的河床冲刷由于建桥压缩水流而在桥下全断面内发生的普遍冲刷。③局部冲刷：水流被墩身阻拦，桥墩周围的水流形态急剧变化，形成漩涡引起冲刷[3-4]。

根据《防洪影响评价报告》的成果，在20 a一遇工况下，桥位断面河床最大冲刷深度2.680 m，其中建桥引起的一般冲刷为0.270 m，桥墩局部冲刷2.410 m。本工程处于飞云江中游冲洪积平原及剥蚀低山丘陵区，具有山区河流特征，在雨季或暴雨后河水暴涨暴落，对沿河路堤及桥墩具较强的冲刷破坏作用。因此，对于跨河桥梁应相应加大桥墩嵌入持力层的深度，同时，加强上部结构刚度。本工程跨河桥梁建设引起冲刷的主要表现形式为河道行洪对河道主槽的冲刷，根据分析，对两岸堤防的冲刷破坏影响较小。

3.9.2 河势稳定的影响分析

河势对大桥产生较大影响。根据桥梁设计方案，大桥需于河道内设置桥墩16组，由于桥墩的阻水作用，河道内水流的天然状态发生改变。根据《防洪影响评价报告》成果，工程区域建桥前水流流向西南 — 东北，上游左岸及下游右侧河槽处流速较快，为3.15 ～ 3.58 m3/s，上游右岸及下游左岸流速相对较缓，为1.96 ～ 2.03 m3/s，上下游河槽为2.69 ～ 3.17 m3/s。建桥后，由于大桥桥位断面与水流主流线方向基本垂直，除局部水域受桥墩“挑流”作用流向有所变化外，水流流向受桥墩整体作用影响较小。

但大桥桥洞、桥墩及其附近区域的流速，由于桥墩的阻力作用，与建桥前相比有较大变化。洪水在桥墩迎流侧发生“壅水”导致流速下降，另外桥墩占用过水面积，相同流量条件下过水面积的减少造成桥墩之间流量增加，桥洞处流速增大，桥孔间最大流速增加0.13 ～ 0.23 m/s，但增大范围较小。大桥边墩距堤岸较近，桥墩压缩水流使得左、右岸堤岸前沿流速略有增加。大桥的建设造成河道两侧堤岸前沿区域流速增大，将加剧对两侧堤岸的冲刷，需对桥位断面左右侧堤岸前采取必要的防冲措施，对加固后的设计断面进行计算分析，其结果能满足规范抗冲刷要求[5]。

采砂对跨河桥梁产生多种不利影响：①采砂使河床局部变形，打破水砂运动的平衡，采砂坑对水流的作用类似于跌坎，水流流态变化引起冲刷；②砂坑导致了水流、泥砂以及河床相互之间沟关系失去平衡，进而导致河床全面调整，影响河床稳定。具体表现为：由于水力梯度的增大，导致砂坑上游河段的冲刷；砂坑起到蓄砂池的作用而发生淤积；砂坑下游河段由于含砂量的减少而发生冲刷。③砂坑上游段冲刷的强度随着离砂坑上缘口距离的增大而减小；砂坑随着前端的逐渐淤积会向下游迁移；当砂坑迁移到砂坑下缘口时，砂坑下游河床变形趋势由冲刷转为淤积[6 - 7]。

大桥附近采砂严重，河道内深坑很多，水流流态紊乱，冲刷严重，桥梁建成后可能会加剧河床冲刷。右岸堤防处于凹岸，受河道冲刷更为严重。建议桥梁建设后，对上下游50 m范围内的河床进行整理，填埋深坑，减小水流的局部冲刷。

3.9.3 桥梁振动的影响分析

桥梁振动过程是具有一定持续时间的动力过程，振动力对斜坡某一固定部位的作用力的大小方向甚至作用力的性质张性、压性、剪性也是动态变化的，加之岩土体材料等引起变形的非线性，振动效应对斜坡的影响是一个复杂的动力过程，振动可引起岩土体的各个方向的随机运动。一般来说，堤身的变形大部分是由从下卧层向上传递的剪切波及压缩波引起的，岩土体遭到反复多次的一系列循环应力的作用所致。

桥梁建成通车产生振动对堤防的稳定会有影响。车辆行驶过程中产生的振动能量可使附近的场地产生轻微的下沉和隆起，对周围的地基及建筑物产生振动和噪声等影响，如处理不当，可能引起场地表面和构筑物不同程度的损伤与破坏[8-9]。

本项目为减小车辆通过引起的桥墩振动，从而对堤身的整体稳定产生影响，采取了桥墩与堤身隔离的设计方案。通过在桥墩和桩柱外设Q235钢套筒，并在套筒与桩柱间填充沥青棉絮填塞，相当于一个保护层，使堤基土在车辆振动条件下，土体不会产生严重的破坏。但是该方案具体施工组织方案尚不明确，如何施工在方案设计需进一步明确。