高等级公路大中桥空间布设与抗洪能力的探讨

龙源期刊网高等级公路大中桥空间布设与抗洪能力的探讨作者：萧峰来源：《建筑工程技术与设计》2014年第32期【摘要】随着自然灾害的日益频发，高等级公路桥梁安全正面临前所未有的威胁，针对吉林市温德河大桥在洪灾中垮塌实际，本文从四个方面提出高等级大中桥设计要求，使其更能与自然环境协调适应，满足最大抗洪要求，发挥桥梁通行、度汛方面功能，突出高等级公路桥梁空间优化设计是提升桥梁抗洪能力的关键。【关键词】桥梁自然灾害优化设计和谐统一通过几十年的高等级公路建设，我国高等级公路总里程已达十几万公里。长期建设实践中，大中桥梁设计、施工标准已大幅提高，桥梁建设总体水平取得较大提高。近年，我国多省份发生洪涝灾害，不仅给人民生命财产带来损失，更对大中桥梁带来严峻考验。更重要的是，在洪灾中高等级公路大中桥作为交通命脉，起着至关重要作用，一旦垮塌，对灾区救援造成致命影响。根据在洪灾中桥梁泄洪实际，就做好高等级公路大中桥优化设计提出几点建议，望与大家共同探讨。一.选择适合的桥梁长度及跨径是提升桥梁泄洪功能的关键高等级公路桥梁设计抗洪频率，由过去50年一遇提升到100年或300年一遇，抗洪等级大幅提高。但随着气候异常情况的发生、自然环境大幅改变，一些特殊地区，如山区、地震等区域发生洪水频率大大提高，使高等级公路桥梁实际抗洪能力大幅降低，部分大中桥梁在洪水中遭到严重损毁。因此，选择适当的桥梁长度是实现桥梁安全度汛的前提，应做好如下工作：⑴桥梁长度选择是决定桥梁泄洪能力的基础。高堤岸桥梁要适当增加桥梁长度，防止洪水下泄过程因锥坡基础深度不足引发锥坡损毁，导致导致桥台坍塌，因此迎水面锥坡要有足够的基础深度，整体坡面要满足冲刷要求，才能确保桥台整体稳定，最终确保整桥稳定；对于河漫滩两侧的低河岸，当最大洪水位高于堤岸并且河道纵向坡度较大、水流较急时，桥台位置应适当外移，避免发生洪水时河道底部水土流失造成锥坡失稳而危及桥台，特别在施工中应减少对原有地形地貌破坏，避免洪水下泄时因过水断面和水流方向改变而对下游堤岸造成破坏。⑵跨径选择是提高桥梁抗洪能力的关键。跨径对泄洪能力有很大影响，发生洪水时，洪水夹大量垃圾、树木等漂浮物，会对桥墩产生撞击，如果桥墩跨径较小，漂浮物会卡在墩柱间，形成阻水屏障，阻止洪水下泄，从而对桥梁产生巨大的横向推力，如不及时排除，将引起桥墩横向倾覆，最终导致整桥垮塌。因此，桥梁跨径要考虑河流流量大小、水流缓急程度、上游地龙源期刊网物环境、河道随时间变化情况等因素设置，尽量设置大跨径桥梁满足抗洪要求，提高桥梁整体抗洪能力。二.桥梁设计交角对河道泄洪影响极大桥梁交角是与河水流向相适应的设计，这在高等级公路多排桩大中桥中显得尤为重要，现代桥梁设计技术没使桥梁设计完全满足河水下泄要求，甚至改变了河水流向，降低河水下泄能力，有时更对河道两侧提岸产生较大冲刷破坏。⑴桥梁设计规范对桥梁交角有严格规定，但实际中，有些桥梁交角设计并不合理。原因是桥梁交角整数化设计，提升了桥梁标准化，但实际情况下河流与道路的交角存在偏差，不可能都是整数角度。一般这些偏差对正常水流方向没有明显影响，但在洪水发生中产生的影响却不容忽视，特别是高等级公路大角度斜桥，多个墩柱在同一立面布设，形成一道和水流方向呈一定角度的迎水墙，湍急洪水沿这道墩柱墙迅速下泄，导致通过该桥墩的洪水整体改变流向，洪灾过后会发现桥梁下游附近一侧河岸护堤被冲毁，而另一侧河岸却完好无损。因此在高等级公路桥梁设计中，要特别重视桥梁角度与河道水流方向的一致性，保证桥梁交角满足河道泄洪要求，保证桥梁安全度汛同时，更实现桥梁与河流整体自然和谐。⑵准确确定河流流向，为桥梁空间布设提供科学依据。桥梁设计时，通常选在枯水期进行实地勘测，此时河流流向，也仅仅是主河道水流方向，由于每条河流自然状况、河岸坡度等不同，汛期与枯水期水流方向不会完全一致，而且会有很大的偏差，这种偏差的存在有时会成为损毁桥梁的关键。因此，在高等级公路桥梁跨河设计中，要根据河流特点及相关要求，分析在不同流量下河流流向可能的变化情况，进行实地勘察，调查河流水文，根据自然环境特点，对不同季节水流变化进行观测，特别是河流主汛期，实地观测水流流向及变化，采取科学分析方法，以避免受到最大程度冲刷为前提，科学合理地确定桥梁的最终布设方案。三.桥梁基础深度是桥梁抗洪能力的基础高等级桥梁基础深度由地质条件决定外，更注重水流冲刷计算。如果地质条件满足浅基础承载能力，在设计时要考虑基础最大冲刷深度。在考虑冲刷要求同时，对于桥梁环境及地质进行现场勘查，如该段河床地势较高或地质条件存在粉质性黏土、圆砾等易于冲刷土质，应考虑上下游河床的冲刷深度，对桥梁基础深度进行适度加深，确保桥梁基础底部满足冲刷要求。不仅如此，在基础施工回填过程中以冲刷线以下的基础外围基坑部分不得采用淤泥土进行回填，而应采用碎石土、黏性土等进行封闭式回填，确保基础外围回填稳定，具有一定的抗冲刷能力，为桥梁基础稳定的提供保证。浅基础具有合适的深度及外围土体夯实稳定，是确保基础长期处于稳定状态的必要保证，是桥梁在使用年限内安全使用的前提。抗冲刷桥梁最佳基础形式是桩基础，大桥、特大桥广泛采用桩基础，在抗冲刷方面其可靠性已通过长期实践检验。但在山区洪水发生时，由于水流速度较快，水流冲刷力对桥体冲刷而产生较大横向作用力。常水位的冲刷一般是水流冲刷，水流对桥体产生有限作用力，但当发生龙源期刊网特大洪水或百年一遇洪水时，大量漂流物随水流撞击桥墩侧部，甚至发生堵塞现象而增大水流阻力时，横向水平推力一旦超过桥梁自身抗横向倾覆能力时，桥梁会因横向失稳而垮塌。因此对高等级公路部分桥梁，要根据实际对桩基增加配筋设计，对迎水面墩柱采取加强钢板措施，提升其横向抗撞击、抗倾覆能力，确保整桥横向稳定，大大提高其抗洪能力。四.调治结构物优化设计在桥梁应对洪灾中至关重要调治结构物属于桥梁附属工程，在桥梁抗冲刷中起着引导水流，避免桥梁基础及堤岸遭受水流冲刷，在调治水流、预防水毁方面起着重要作用。除锥坡具有抗洪能力外，调治结构物是保证洪水顺利下泄的基础，如堤岸设有防洪冲刷锥坡，应在桥台位置上游设置如丁坝、导流堤等调治结构，必要时可延伸至下游，防止河底水土流失。调治结构物的局部破坏，使河堤暴露在湍急水流中，破坏将势如破竹，引发调治结构物整体破坏，最终导致其失去调治水流和防护功能。这种状况一旦发生，桥台锥坡及部分墩基础土体迅速流失，导致桥体局部被毁。因此因地制宜做好调治结构物设计，是防止桥梁水毁发生的至关因素。这种要求在高堤岸调治结构物中更为重要，应根据地势情况增设冲刷挡墙，河道及河床底部设石笼等调治结构，相辅相成构成整体防洪体系，要保证在桥梁上游沿河道方向有足够的长度，水流过后及时进行检查和修补，在桥梁使用过程中，做好桥梁调治结构物的汛期检查是发挥其设计功能，提升其抗洪能力关键。高等级大中桥梁是道路通行的关键结构，对特殊地段、特殊环境下桥梁各部分结构做整体可靠性设计是提升抗洪能力的关键。计算机技术在桥梁设计中的广泛应用，已实现桥梁多样性设计，因此，在大中桥梁空间布设方面，要充分考虑自然环境因素，并与自然环境完美结合，这不仅是桥梁结构物与自然之间和谐的要求，更是所有高等级桥梁设计遵循科学、适应自然的最高境界。