地理环境对高速公路特大型桥梁工程的影响

2022-02-20李卫国郭建光陈洋洋

黑龙江交通科技 2022年12期

李卫国，徐珂，郭建光，陈洋洋

(1.河南省第二公路工程有限公司，河南郑州 457000；2.河南财经政法大学，河南郑州 450046)

1 工程概述

阳新黄河大桥(二期工程)，起于一期工程终点，向南跨越北大堤，跨越省界，于菏泽市东高寨向东跨越黄河南大堤，止于黄河大桥南桥头，到达项目终点，路线全长8.127 km，河南段长4.864 km，山东段长3.263 km。该工程构成了濮阳至湖北阳新高速公路濮阳段区域高速公路网主骨架，高速公路特大型桥梁工程建成后，不仅完善了地方道路网络系统，同时实现鲁、豫两省高速公路网络体系的融合，有利于带动沿线地区经济的快速发展。

采用高速公路技术标准设计，设计速度120 km/h，采用双向六车道标准设计，路基宽34.5 m；路线起点位于工可起点南120 m、终点(K42+042.788)位于山东省菏泽市牡丹区李村镇东高寨东南，对接濮阳至湖北阳新高速公路山东段；路线布设综合考虑沿线地形、水文、环保等多方面因素，采用的路面结构科学，桥梁便于施工，桥型方案合理。

2 桥梁项目工程所处地理环境因素

2.1 地形和地质

在濮阳至湖北阳新高速公路中，由于该位置处于黄河冲积的平原地带，使得该处地势比较平坦，同时从西南到东北有略微的倾斜，再加上长时间被黄河沉积、淤塞等原因，造就了濮阳地区有的地方比较平坦，有的地方属于沙丘、坑洼等地貌特征。在濮阳市的土壤底层中，大部分土质以砂类土、粉土、黏土为主，而在濮阳市土壤全新统中，底层的厚度在25～40 m之间，上部为灰黄或者浅灰色的土质，由于结构疏松且含淤泥质，所以具备植物根系和虫孔，其中夹杂着砂土以及淤泥和有机质等[1]。而在上更新统中，底板埋深西北浅、东南深，底层厚度在40～50 m之间，且上部为浅黄色和棕黄色，并含有少量的钙核，轻度锈染、石英、长石等。在中更新统中，底层厚度在60～80 m之间，以棕黄、黄棕色黏土、细粉砂为主，其中富含有丰富的钙核与铁锰，矿物质主要有石英和少量暗色矿物。下更新统中，底层的厚度在130～150 m之间，岩性呈现红棕黏土、细中砂等等，具有较强的硬度，同时夹杂有混粒结构，局部可见钙可以形成钙结砂等。

2.2 水文地质

在该项目濮阳段施工中，由于所经区域属于黄河水系，水文地质中以河流和黄河为主，项目工程地势相对低洼，水位一般在3～11 m之间。该区域的地下浅水大部分来自于黄河及其支流、大气降水等作为地下水的主要来源。因黄河水位受到污染，影响到该区域浅层地下水质。

2.3 气候和气象

濮阳市属于温带半干旱气候区，属明显的冬冷夏热气候环境，夏季有大量雨水，冬季干旱少雨雪，雨水分布不均，使得旱、涝灾害频繁。气温上，濮阳市年平均气温13 ℃，最低温度-2 ℃，最高温度27 ℃。降雨上，平均降雨量与全省其它地区相比，属于雨水偏少的地区。

3 自然环境对高速公路特大型桥梁工程的影响因素

3.1 气象因素影响

濮阳市居温带干旱气候区域，属明显的大陆性气候，四季分明，春季干旱多风，夏季炎热期雨水量较大，秋季晴朗且日照时间长，冬季天气干旱雨雪较少。一年中，除夏季因雨水期无法进行工程项目建设外，其他季节都比较适合项目建设[2]。

3.2 自然生态因素影响

濮阳地处黄河冲击平原区域，地面开阔且地势平坦，在高速公路大型桥梁项目工程的建设中，相关路线不会受到地形的影响限制。在对项目工程沿线地震烈度的界定中，可以通过模拟公路所在的区域进行强震区试验，尽量避开较大的断裂带，有利于项目工程在施工中洽破坏程度降低到最小。

3.3 水质因素影响

该项目工程区域的地下水主要来源于黄河水流，水源具有季节性。汛期时水量较大，枯水期因水位降低，沿线河流纵坡较缓。施工路线区域一般为黄河冲击平原，地表沉积和地质构造情况比较复杂，河道中的地质情况多变。施工中要注重桥梁的基础墩台型式，在埋置深度及附属倒流工程处理上应根据河流具体情况而定，可适当提高桥面的设计标高，以满足高速公路大型桥梁的通航净空要求。

3.4 对沿线土地资源的影响

在高速公路大型桥梁项目工程建设中，在选择走廊带时，可在工程项目规划的基础上进一步详细研究，坚持节约用地、少占农田和保护林业资源的原则，合理选择高速公路大型桥梁的选线位置[3]。除此之外，还要征求当地政府部门的意见，充分结合当地政府部门的建设规划进行项目工程的设计与施工。

4 确保高速公路大桥梁结构安全和耐久性的措施

4.1 针对桥梁耐久性的设计措施

桥梁耐久性的设计原则，需要确保结构在使用寿命内安全可靠，并满足相关的功能要求，在对桥梁耐久性的设计中，要针对桥梁所处的环境特点进行调查研究，然后选择相应的耐久性标准和难易程度。在对桥梁加强养护中，需要对重要的结构和关键构件进行定期检查，及时发现问题并进行修复，确保桥梁的正常使用，在桥梁材料的选择上，混凝土作为主要材料必须严格控制。混凝土材料最大水胶比控制在0.5，最小水泥用量控制在300 kg/m3，最低混凝土强度等级保持在C30，最大氯离子含量应在0.15%，最大含碱量宜在3 kg/m3左右即可。除此之外还需要加大钢筋混凝土的保护层厚度，以避免钢筋表层钝化膜被破坏，易发钢筋被锈蚀。加大钢筋混凝土保护层的厚度，是保护钢筋免于锈蚀，提高混凝土结构耐久性的最重要措施。

4.2 高速公路大桥桥位的选择要求

在选择桥位时，(1)立足项目区生态脆弱的特点，将节约资源、生态保护置于优先地位；(2)桥位的选择不但要符合黄河水利、水文等特点，还有充分考虑到黄河的综合治理以及防洪规划，避免对其带来的不利影响[4]。(3)符合区域高速公路网规划及总体走向要求，并结合当地政府的规划情况，桥位的规划、设计，既有利于当地的对外开放，还能促进当地的经济发展。力求获得最佳的运输经济效益。(4)桥位的选择充分利用了有利的河势、水文、地质等自然环境，为桥梁工程建设提供了较好的环境。

主要控制点：路线起点，黄河北岸大堤，主河槽，黄河南岸大堤，沿线乡镇、濮阳县和菏泽市规划区。在终点选择上，避开了穿越黄河湿地保护区，并与1 000 kV高压走廊交叉的位置。即该项目起于濮阳至湖北阳新高速公路濮阳段一期工程终点，桥头顺接一期工程，南跨黄河；路线终点(K42+042.788)位于山东省菏泽市牡丹区李村镇东高寨东南，对接濮阳至湖北阳新高速公路山东段路线全长8.127 km。桥位选择K线桥位距上游G106东明黄河大桥14.8 km，距下游规划S304黄河大桥12 km；AK线桥位距上游G106东明黄河大桥13 km，距下游规划S304黄河大桥13.8 km,同时满足两个桥位都要求。黄河两岸大堤间距6 520 m，现状主河槽宽1 066 m，桥位和主河槽保持夹角垂直，和大堤采用立交形式跨越，於背区设置一个桥墩。同时对桥梁上游40 m、下游60 m长两岸河道和迎水侧堤坡进行护砌，桥面排水应排至两岸堤防背水面。

4.3 水文计算

本项目为独立特大型桥梁工程，全长8 127 m，大桥跨径布置形式为(80+8×120+80)m+(80+8×120+80)m全长2 240 m，主跨120 m，最大联长1 120 m。良好的水文计算，可以避免桥梁受到雨水的冲刷而造成的坍塌情况。鉴于黄河下游洪水主要由中游地区暴雨形成，洪水发生的时间为6月～10月。黄河下游的设计洪水多根据实测资料分析确定。

(1)设计洪水位

表1 桥位断面水位计算结果

(2)壅水

黄河大桥修建后，桥前壅水分析见表2。

表2 桥前壅水分析计算

(3)浪高

桥位断面波浪高度为1.19 m；滩地冲刷净深度约10.5 m，河槽冲刷净深度约22.8 m。

(4)冲刷

桥位断面冲刷包括自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷，计算结果见表3。

表3 桥位断面冲刷计算结果

根据水文计算，黄河特大桥濮阳段的梁底控制标高数据为，通航孔跨以通航净空控制的梁底标高不得低于71.93 m，滩地范围以设计水位控制的梁底标高不得低于66.93 m，黄河左岸和右岸大堤控制的标高中，梁底标高不得低于72.25 m。

4.4 针对地震因素采取的减震抗震措施

该项目所在区域设计基本地震动峰值加速度为0.20 g，抗震设防烈度为8°，设计地震分组为第一组，地震动反谱特征周期值为0.40 s[5-7]，根据《公路工程抗震规范》，设计中须考虑地震活动对路线和构造物的影响。根据现场测试波速资料结合区域资料，勘察场地场地类别为Ⅲ类，属抗震不利地段[8]。

在该桥梁设计中，充分考虑到地震对桥梁结构造成的影响，在强化防护、抗震措施方面：适当的加大盖梁的宽度，并采取落梁措施，同时对箱型墩桥墩及柱式墩盖梁设置横向挡块，并在梁体两侧设置相对应的缓冲减震装置。在对桥梁选用伸缩缝时，要考虑到地震作用下的梁端位移，并尽量选用减隔震支座，采用合理的限位装置，能够很好的防止结构相邻构件产生过大的相对位移，对高度大于7 m的柱式桥墩和排架桩墩设置横系梁时，要注意桥台的整体性结构设计。

在桥梁耐久性设计方面：严格控制混凝土材料；适当加大钢筋的混凝土净保护层厚度；加强构造配筋，防止和控制混凝土裂缝；提高后张法预应力钢束管道压浆质量；加强防排水设计。