橋下淨空

橋下淨空設計合理與否直接關係到橋樑的通航、泄洪、交通和橋樑自身的安全。影響橋下淨空的因素很多, 其中流量和通航淨空要求、交通建築限界(如鐵路建築限界和公路建築限界)要求是橋樑孔徑設計需要考慮的主要因素。此外, 橋前壅水及橋下壅水、波浪高度、波浪侵襲高度、局部股流壅高、河牀沖刷與淤積、流木流冰及其他漂浮物對橋下淨空的影響也不可忽視。在黃河流域, 河道沖刷和淤積更是不得不考慮的重要因素。人類活動的影響和發展預期及長期安全要求, 也對橋下淨空設計有着越來越重要的影響。

河道上修建橋樑後水流受到橋樑和河灘路堤的約束, 水流狀態發生變化, 導致河牀的變形。橋前壅水高度可按水力學能量方程近似計算:ΔZ =η(v-v)M式中:η為與河灘路堤阻水有關的係數;v₀為斷面平均流速,m/s(設計流量與全河過水斷面面積之比);v 為橋下平均流M速, m/s。在按水利條件確定橋頭路肩標高時, 其值應為橋前最大壅水高度, 即取Δh=ΔZ_M;在按構造條件確定橋頭路肩標高時,為了計算橋下淨空, 橋下壅水高度可採用橋前最大壅水高度的驟, 歷時短暫且河牀質堅實不易沖刷時, 為安全起見, 計取Δh =ΔZ 。對於平原區洪水漲落很緩慢的河流, 河牀質松橋壅 M軟、易造成一般沖刷時, 橋下壅水可不計。

大中型橋樑所處的河灘比較寬闊, 需要考慮波浪侵襲高度對路堤和橋下淨空的影響。該高度可根據調查取得, 若調查有困難, 亦可採取下式近似估算:Δh_p=KK_VRH_b1%式中:K 為邊坡粗糙係數;K_V為與風速有關的係數;H_b1%為累積頻率為1%的波浪高度, m(為連續觀測100個波高值中的最大值);R為相對波浪高度, 即當K =1.0、K_V=1.0及H_b1%= 1.0 m時的波浪高度。

我國許多河流都有着較劇烈的衝、淤現象。 坡度較陡的山區河流, 流速大、沖刷力強, 往往存在着較嚴重的沖刷下切和拓寬擺動趨勢, 若土質鬆軟, 則抗衝能力差, 衝切拓寬與擺動趨勢更顯著。 西北黃土高原地區大量沖溝的形成及河牀頻繁下切拓寬及擺動形成“九曲黃河”就是有力的佐證。在這種情況下,橋樑設計應充分考慮建橋後的河牀沖刷, 加大基礎埋深或進行河牀鋪砌, 以確保基礎安全, 對有拓寬擺動趨勢的河段必須進行河岸加固。河流進入平原地區後, 比降減緩、流速降低, 水流攜沙能力明顯減小, 加之上游來水挾沙量大, 將造成河牀的淤積。黃河上中游經過黃土高原地區, 攜帶大量泥沙, 致使下游河牀平均每年以10 cm的速度淤積抬升,已形成舉世聞名的“地上懸河”, 嚴重威脅着沿黃地區安全。1996年8月花園口發生7 860 m/s的中常洪水的水位,比1958 年發生22 300 m/s大洪水的水位還要高0.91 m。渭河是黃河第一大支流, 也是一條多沙沖積性河流。陝西華縣站以上流域面積10.65 萬km。有資料記載的1935 ～1960年華縣水文站汛前同流量(200 m/s)水位升高1.62 m,平均每年升高0.06 m。2003年8 月24 日至10月13日,受大範圍暴雨影響, 發生了自1981年以來的最大洪水, 歷時50d, 先後出現了首尾相接的6次洪峯,洪量不斷疊加,演進慢、歷時長, 形成了“小洪水、高水位、大災害”的被動局面。原因是多方面的, 根本原因是涇、洛、渭河上中游水土流失嚴重, 導致下游河牀嚴重淤積, 形成了“懸河”。該次洪水期間華縣站發生的3 570 m/s洪峯,比“54·8”洪水期間發生的7 660 m/s洪峯流量要小4 090 m/s,但水位卻比後者高出3.95 m。從以上情況看, 黃河流域河牀淤積造成洪水位升高的情況是十分嚴重的。因此, 在黃河流域及類似有嚴重淤積的河段建橋, 必須充分考慮設計使用期內河牀淤積使設計洪水位逐年提高趨勢的問題, 在橋下淨空設計時應儘量加大橋下淨空高度,以確保並適當延長橋樑的正常使用年限, 保證橋樑使用安全。

小浪底水利樞紐工程建成後, 通過調水調沙, 可以將大量河牀泥沙衝入大海, 從而形成穩定河牀, 這對延長黃河上橋樑的正常使用年限是十分有利的。然而, 對於已有橋樑的基礎可能會造成一定威脅, 這是應特別注意的問題。2002 ～2007年黃河連續調水調沙,共有4.2 億t泥沙被衝入大海, 下游主河槽得到全線沖刷, 過流能力由調水調沙前的1 800 m/s提高到了3 630 m/s。實踐證明,調水調沙已經成為處理黃河泥沙、維持黃河健康生命的有效措施之一。水庫的修建對河流的流量和河上建橋活動有着重大影響。水庫在正常情況下可調節河道流量, 降低洪水對橋樑的壓力。然而, 一旦出現垮壩或遇到險情緊急泄洪時, 可能造成橋樑損毀甚至垮塌。因此, 在橋樑設計中應充分考慮上游水利工程對橋樑的潛在影響, 使橋下淨空具有足夠的排洪能力, 以策長期安全。 ^[1] 

陽安線K 334+ 067 恆河大橋系10 孔23.8 m的預應力混凝土梁橋,全長260. 7 m。該橋於 1972年 10月竣工後 ,當地政府在橋址河段修築了沿河兩岸的長河堤 ,致使河道橫斷面受到人為的壓縮。鐵路橋的實用孔徑由 10孔減為 5孔 , 過流寬度由原有的 247. 10 減少到m120. 00 m ,造成過洪能力嚴重不足 , 從而在同一流量下橋址斷面流速增大 ,水位抬高 ,沖刷加劇 ,嚴重危害鐵路橋的安全渡汛 ,危及鐵路行車安全。

2. 1 換梁方案

將恆河大橋既有 10孔 23. 8 m 預應力混凝土梁全部更換為同跨徑的下承式鋼板梁。 既有梁高度為 2. 60 m , 下承式鋼板梁高度僅有0. 92 m (均指軌底至梁底 )。因而可使橋下淨空增高 1. 68 m ,既可保持橋上既有線路狀況不變 ,又達到了提高橋下淨空的目的。換梁方案需將全橋墩台加高加寬 ,以滿足下承式鋼板梁的支承要求。 可以把頂帽作成懸臂深梁 ,也可以從基礎頂面起整體加寬加高墩。檢算後表明,該橋基礎的承載力能滿足要求。施工時先在橋孔上下游搭設便橋,供存放新、舊梁體之用。準備工作全部就緒後,即可封鎖線路橫移換梁。 為減少封鎖線路時間需根據可能情況逐次逐孔地換梁。換梁方案可使橋上線路維持現狀。 施工多為常規方法,難度較小。不動橋頭線路,對電務、供電方面的影響也較小。缺點是投資比較大,還會增加以後對鋼樑的維修費用。

2. 2 抬梁方案

將恆河大橋既有10孔23. 8 m預應力混凝土梁分數次抬高,使梁底標高最終抬高1. 0 m , 橋上線路標高也相應抬高1. 0 m ,軌頂標高由原來的287. 00 m抬高到288. 00 m,以使橋下安全通過設計流量。

2.2. 1 工程項目

( 1)抬高梁體

①將既有10孔23. 8 m預應力混凝土梁抬高1.0 m,需對橋台進行相應改造: 或在台後分層幹砌片石; 或將原有T形台改為耳牆式橋台。

②橋墩、台頂均加高1. 0 m。

( 2)線路抬道、順坡

①橋上線路抬道1. 0 m (平坡) ,橋頭兩端均以16‰的坡度抬道順坡300 m。

②橋頭兩端路基最大加高量1. 0 m ,分別順坡300 m。

③抬道順坡區段接觸網相應最大的提高量1.0 m。另外,施工影響範圍內的通信信號電纜需要改移。

2.2. 2 施工

( 1)抬梁

利用封鎖線路時間,採用逐次逐步抬梁法: ①正式抬梁前作好準備工作; ②全橋10孔梁同時分次抬高, 每次抬高100 m m, 共分10次完成; ③在抬梁時,將梁頂高後用特製鋼墊塊支撐梁體,每頂一次換一不同高度的鋼墊塊,在頂到設計標高後,灌注把鋼墊塊包含在內的混凝土墩台帽。

(2)抬道順坡

與抬梁同步進行抬道順坡: ①首先在抬梁前將兩端路基幫寬加高, 並將既有路肩墊成“凹”字形,準備好充足的填料,作為在線路隨橋抬道時的補充道碴; ②橋上採用搭設“人”字形龍門架懸掛接觸網,隨梁同時提高。

2.2. 3 抬梁方案的優缺點

優點是工程投資較小,在增大橋下淨空的同時,卻不會增加今後的大修費用和維修工作量。 其缺點是施工難度較大。 從收集到的抬橋資料中,全路運營線上進行的多孔橋樑抬高的工程,均為鋼樑橋的抬高,混凝土梁橋的抬高還未見先例。 因而恆河大橋的抬高是一項需要慎重對待的工程。此外,抬梁工程還受到橋頭路基抬高的制約,在抬梁的同時尚需進行橋上及橋頭線路的抬道順坡。 運輸、電務、接觸網各部門的配合十分重要。

2. 3 推薦方案

換梁方案不動橋頭線路,施工相對簡單,但因購置鋼樑、加寬墩台及修建便橋而使造價過高。抬梁方案雖需要抬高橋頭線路,工序繁雜, 但其造價僅為換梁方案的一半。 在資金比較緊張的情況下,推薦抬梁方案。

要增加恆河大橋的泄洪能力,破堤已不可能,換梁又投資過大,抬梁方案比較容易實現。儘管抬梁、順道施工比較複雜,但路內、局內都有成功的經驗可供借鑑,技術上是可行的。抬梁方案的實施,涉及工務、電務等許多部門的配合,施工組織設計是關鍵,應慎重對待。 ^[2]