弃渣对秦巴山区某既有铁路桥的安全影响

王勇

中铁第五勘察设计院集团有限公司 桥梁设计院，北京 102600

0 引言

受区域土地资源禀赋限制，山地城市建设用地有限[1]，为拓宽城市发展空间、增添发展新动力，常选择填河筑堤增加城市建设用地，美化河道，但改变了河流原有的水文形态。山区河流坡降大，在旱季或雨季无雨期，河槽水流较小，但雨季河水陡涨陡落，势能与动能大，破坏力强[2]。填河筑堤压缩了河流断面，可能改变了水流流向，对既有沿河或跨河建筑物产生不利影响。

本文以秦巴山区某城市跨河铁路桥为例，用有限数据反推并校核了原设计参数，之后又对填河筑堤后的既有桥进行了安全影响分析，以期为类似工程制定安全措施提供参考。

1 工程概况

某既有铁路跨河桥位于秦巴山区，与原主河道斜交25°，设计采用中—活载，洪水频率为百年一遇。该桥孔跨样式为(1～24+13～32) m简支T梁，两端采用耳墙式桥台，桥墩均采用圆形实体墩，除两侧桥台及1#墩采用挖井基础外，其余桥墩均采用沉井基础，最大墩高、平均墩高分别为21.5、17.8 m。

为满足河右岸社区居住及左岸地方新建污水厂弃渣的需要，现已分别于河道两岸修建了堤防及弃渣护堤工程，此工程压缩了河道宽度，局部改变了主河道走向(与既有铁路桥的斜交角度变为40 °)，对既有桥造成安全隐患，故需对既有桥进行安全检算。既有桥现状立面如图1所示(图中单位为m)。

图1 既有桥现状立面图

2 水文参数

2.1 原水文参数校核

既有桥自开通运营至今，已经历特大、大洪水多次，其中2002-06-09、2005-10-02的洪水为百年一遇。既有桥现在运营状况良好，说明桥梁原水文计算合理。

既有桥水文计算所用数据已部分缺失，原水文参数校核步骤为：1)由竣工图中查得桥梁与河流斜交角度、河道设计流量及水文断面；2)由地形图查取上下游各1 km长段落的水面标高，用加权平均法计算河道水面比降，并将此作为河底坡降；3)根据收集到的既有桥资料(含竣工图、勘测说明、地勘成果)及现场调查情况，确定河段平面形态、水流状态、河床地质组成及岸壁情况[3]，由文献[4]查取滩槽糙率系数；4)进行设计水位及流速试算，通过在一定范围内调整滩槽糙率，直至核算数据与原设计数据相符。

经多轮试算，原桥设计时的水文参数确定为：由桥址平面图查得桥与河道斜交角度为25 °；由一定河长范围的水面标高换算得河床比降为1.99‰；由既有桥设计说明查得桥位处河道设计流量为6700 m3/s；由既有桥地勘报告查得河槽土平均粒径为36.15 mm；根据既有桥竣工图提供的水文要素(设计流量、水位、流速)，并利用前述确定的参数，试算得到河道小里程边滩糙率系数为18，河槽糙率系数为28[5]。

水文基本要素及冲刷计算结果见表1。

表1 原桥设计水文数据核算

由表1可知：现水文核算数据与原设计数据基本相符，仅局部冲刷线存在一定差别，原因为局部冲刷线均已进入岩石，而岩石的冲刷线目前尚无公式可算，仅能根据经验取值[6]。

2.2 水文参数的验证

由文献[7]查得桥位处原河道三十年一遇设计洪峰流量为4910 m3/s，洪峰水位为235.32 m。

利用2.1节所得参数及上述河道断面进行核算，可得三十年一遇设计洪水位为235.36 m，与上述水位仅相差0.04 m，进一步验证了水文参数的可靠。

因此，前述所得河床比降、滩槽糙率、河床土颗粒粒径可直接用于对既有桥的检算。

2.3 水文计算参数

结合2.1节分析，对既有桥现状进行检算时水文参数为：桥与河道斜交角度为40°，河床比降为1.99‰，滩糙率系数、河槽糙率系数分别为18、28，河道设计流量为6700 m3/s，河槽土平均粒径为36.15 mm。

利用投影面积法[8-9]计算得桥位处河道设计水位为240.45 m，平均流速为5.19 m/s；河槽过水面积为1 246.83 m2，流量为6 655.39 m3/s。

3 既有桥孔径检算

3.1 冲刷系数

由上文所得水文要素并结合桥梁立面图，可得桥下毛过水面积为1 717.9 m2，桥墩阻水面积[10]合计为246.17 m2，则桥下供给净过水面积ωg=1471.73 m2。

桥下需要过水面积[11-12]

ωx=Qp/(μvPcosα)=1 755.4 m2，

式中：Qp为设计流量；μ为河道压缩系数，取0.96；vp为水流平均流速；α为桥梁与河流的斜交角度。

则桥位处河道冲刷系数[11]

由上述计算结果可知，既有桥冲刷系数满足文献[11]要求。

3.2 桥梁高程

由既有桥竣工图可得，桥墩顶高程均在248.2 m左右，比设计洪水位240.45 m高，该河不通航，综合考虑桥前壅水[13]、浪高、河湾超高等因素，桥梁高程满足文献[14]。

4 冲刷检算

既有桥位处河道两岸均为堤防工程，河堤之间为河槽，其余为河滩。在设计洪水状态下，左岸河堤堤顶在设计水位以上3.55 m，右岸河堤被淹没2.45 m。但右岸的桥墩已被较厚填土覆盖且表面设有硬化铺砌，冲刷不会对其造成较大影响，本次冲刷检算只考虑主河槽中的桥墩，即7#～10#墩。

4.1 一般冲刷

本桥河床自基岩以上均为卵石土，按非黏性土河槽计算，则一般冲刷后桥下河槽最大水深[11-12]

(1)

将上述各参数带入式(1)，可得桥下河槽一般冲刷后hp=13.892 m。

4.2 局部冲刷

以7#墩为例，计算局部冲刷坑深[15]。

4.2.1 一般冲刷后墩前行进流速

，

(2)

式中：h7P为桥下一般冲刷后7#墩位处最大水深，按桥下河槽一般冲刷坑深相同考虑，根据计算水位、一般冲刷值及桥梁立面图，h7P=10.94 m；

河床泥沙起动流速

(3)

将各参数带入式(2)(3)，可得v=5.914 m/s，因为v0=2.28 m/s，所以v>v0。

4.2.2 局部冲刷坑深

因为v>v0，则桥墩局部冲刷坑深

(4)

计算得7#墩hb=3.675 m。

4.3 冲刷计算结果

本桥按一般桥梁考虑，基底埋在局部冲刷线下不应小于2 m与10%的总冲刷深之和[16]，受堤防工程影响的各墩冲刷计算结果见表2。

表2 河槽中桥墩冲刷计算结果 m

由表2可知：河道被压缩后桥墩冲刷深度加大，7#、8#墩埋深已不满足规范要求，存在安全隐患。

5 桥墩基底承载力检算

河道整治后，既有桥址地形变化较大，1#～6#墩、11#～13#墩基顶均增加较厚人工填土，增大了基底压应力；受一般冲刷变化影响，7#～10#墩的基底容许承载力发生变化[17]，需对既有桥进行基底承载力检算。

计算时各参数取值为：人工填土密度为1939 kg/m3；弱风化片岩不考虑宽深修正，强风化片岩宽深修正系数[18]分别取2、4，卵石土宽深修正系数分别取3、5，基底以上、基底以下土的密度分别按透水及不透水采用浮密度、天然密度或饱和密度[18-21]。

桥墩基底承载力计算结果见表3。

表3 规划后河中桥墩基底应力检算

由表3可知，河道被压缩、既有墩四周填土后，桥墩基底仅增加了因基础平面超出墩底截面所承受的土压力，该压力较小，基础承载力仍满足文献[16]。

6 结论

1)既有铁路桥桥址处河道冲刷系数由1.15增至1.193，小于1.2，满足文献[11]要求。

2)既有铁路桥1#～6#、11#～13#墩已被河堤及填土包护，不再考虑其受洪水冲刷影响。经冲刷计算分析，9#、10#墩基底埋深满足文献[16]；7#、8#墩一般冲刷线较深，基底埋深不满足规范要求，需要对既有桥进行加固。

3)河道断面变化后，部分桥墩基顶增加较厚土柱，增大基底压应力，但均未超过基底土的容许承载力，满足规范要求。