[专业文献]外夹河大桥水害分析及技术改造.doc

外夹河大桥水害分析及技术改造提 要 本文对蓝烟下行168+457外夹河大桥历年出现的水害并最终导致洪水冲垮大桥的原因进行了全面分析，针对水害状况以及为适应今后既有线提速形势的要求，对水害复旧改造方案进行了技术优化分析，采取了多方面有效处理措施。关键词 外夹河大桥 水害分析 技术改造 蓝烟线下行168+457外夹河大桥位于福山至珠玑站间，始建于1955年，桥跨结构为6-24.0米上承钢板梁，十字型片石砼桥台，重力式片石砼圆墩，片石砼扩大基础。该桥0至3号墩台的基础置于粗砂层上，4至6号墩台的基础置于风化层云母片岩上，设计时考虑主河槽在5、6两孔通过，0至3号墩台基础均按浅平基础设计。该桥由于先天设计不足及日后采砂等问题，而水害不断，基础下沉。针对历年水害情况及设备现状，自1965年对该桥基础、河床及护岸等进行了多次整治、防护和加固。但终因近些年的严重采砂等问题，导致该桥在2001年8月3日被洪水冲垮。现对该桥水害的形成和发展简要分析，对其改造进行技术总结，以期从中认识在设计、施工及运营管理工作中所要汲取的经验和教训。1 水害简况2001年，自7月25日，外夹河流域连降暴雨，特别是8月1日受桃芝台风影响，全流域普降暴雨和大暴雨，其中莱阳降雨量293毫米，桃村253毫米，回里234毫米，烟台160毫米。该桥7月25日17:25出现洪水，当日最大水位2.7m，流速3.5m/s。19:55， 2、3号墩下游10米处出现冲坑，抛填石笼、片石，现场监控。7月28日8:46， 2号墩上游3米处和23号墩间下游6m处出现冲坑，限速45km/h，进一步加强监控，针对水害发展情况及时采取相应措施。8月1日19:30，桥下水位快速上升，至8月2日1:30达到最高水位3.4m，流速达4.5m/s，1号桥墩两侧河床出现严重冲刷。10:15，第一孔冲刷宽10m、深2m，第二孔冲刷宽12m、深2.5m，进一步限速25km/h。18:20，1号桥墩上游冲刷严重，已接近桥墩基底标高，限速至5km/h，进一步增加抢修人员，架设照明，调配抢险物资。21:45，1号墩支承垫石与支座发生相对位移，最大达11mm。证明1号墩已向烟方发生倾斜，已严重危及行车安全，及时封锁线路，扣发2548次列车。8月3日1:48，1号墩倾斜，第一孔梁坠落。由于防护措施得当，坚守岗位，严格落实了防洪责任制，确保了行车安全。同时，因抢险组织有序，坠梁时没有造成人员伤亡。1号墩冲垮后，及时利用增二线桥拨接线路，经过六小时奋战，恢复通车。2 水害原因分析该桥从1955年建成到2001年被洪水冲垮，水害频繁发生，冲垮前的几次重要水害见表。从这些历史记载的洪水及冲刷情况可以看出：历史洪水 历 年 重 要 水 害 简 况 表 表 1发生时间洪水位水 害 情 况1965年7月10.42m蓝方导流堤下台地冲开宽30m、深1.5m河槽，2、3号墩分别冲刷至标高4.33m和3.43m，比建桥时分别下降3.0m、3.4m。1985年8月7.94m第4孔河床冲至标高为0.47m，3号墩护块坍塌，护底被掏空。1988年7月5.44m在第5孔冲开一河道嵌入岩层0.5m深，上下游冲坑很深，上游25m处河床冲至标高1.5m，下游35m处河床冲至标高-6.49m。1994年7月5.06m上游橡胶坝随洪峰突然放水，在第3孔冲开一9m宽的河道，主槽向边滩扩进20多米，桥址处河床冲至标高2.85m，下游m处冲至标高3.10m。1997年8月7.86m在45孔上下游，冲坑都很深，上游50m处河床冲至标高-0.42m，下游72m处河床冲至标高-7.96m。 墩 台 基 顶 标 高 变 化 比 较 表 表 2墩台号1955年竣工1988年10月2000年6月1988年与1955年比2000年与1988年比012.81812.73712.712-0.081-0.025112.87512.83012.821-0.045-0.009212.92412.83812.825-0.099-0.013312.97412.88812.878-0.086-0.010413.02313.02613.0280.0030.002513.08213.07713.079-0.0050.002613.12213.12213.1220.0000.000的主河槽左右摆动不定，主流紊乱，造成整个河床严重下切。2001年汛前，上游50m处河床最低点达0.42m，下游72m处河床最低点达7.96m，而基底最低的4号墩标高0.54m，显然该桥已成为一座“悬桥”。1988年洪水过后观测到03号墩台均有不同程度的下沉，现将1988年10月和2000年6月两次所测的墩台顶标高及其比较情况列于表2，从表中数据可以看出2000年03号墩台较1988年又有不同程度发展。造成这些现象的原因是多方面的。2.1 设计方面该桥初建设计时考虑不够充分，水文资料调查不够准确。设计认为主流从5、6两孔通过，不会发生较大变迁，因而将03号墩台基础按浅平基础设计。其设计流量为1827 m3/s，设计流速3.0m/s；而1989年济南铁路局桥梁鉴定队的检算资料为：百年洪水流量应达2379m3/s，平均流速3.5m/s，相应洪水位11.95m；2000年增二线桥（在该桥上游相距14m）设计水文资料为Q1/100=2778.0 m3/s，V1/100=2.94 m/s，H1/100=10.54 m。由此可见，当初水文设计之不足，这是导致这次水害的根本原因，是其内因之所在。2.2 河道采砂问题自八十年代以来，随着市场经济的蓬勃发展，基本建设规模迅速扩大，从而引起了河道严重采砂现象，导致该段河床因采砂而下降达3m之多。这也是设计时所未曾预见的，这不仅直接导致了河床的下降，也因采砂引起的河道不平顺而加剧了冲刷。2.3 河段不稳从历年发生的洪水情况看，主流左右摆动，对河床不同部位产生了不同程度的冲刷。因此，桥址处于不稳定河段。原设计按主河槽在5、6两孔考虑，而将03号墩台设计置于中砂层上，由于对上下游河道急剧反向弯曲重视不够，主河槽摆动不定，逐步超出了原设计设想，导致了按浅平基础设计的03号墩台基础强冲刷。2.4 地方河道治理因素在近期烟台市搞的外夹河综合治理工程中，在铁路桥上下游河床修建护岸、清治河道，致使桥上下游河道比桥下拓宽50余米，河道下游南岸边滩清挖深度已低于桥墩台基底标高，上游所砌护岸改变了河道的弯曲程度，造成水流交角变小和主河槽向蓝村方向摆移，桥下河道主流由5-6孔直至2001年洪水时摆移到1-2孔通过，加剧了对处于边滩上的0-3号墩台基础的冲刷，大大降低了铁路大桥的抗洪能力。2.5 河床比降大等因素根据地质勘测资料，该桥孔主要由中粗砂和角砾石组成，由于桥址处河床面与下游存在较大高差，出现了一定程度的渗流，而、号墩基底距河床面3.5米，致使堰前土体颗粒受到较强的向下作用力，堰后土体颗粒受到较强的向上作用力，造成地基承载力有所下降，基础不稳。2.6 增二线桥的影响蓝烟线增二线工程中新建二线及牵出线桥分别在既有桥上游14m、20.5m处与之并行，且为高承台桩基础。该桥2001年刚建成还没验收即遭遇洪水冲刷，1号墩基础外露达4.5m，由于河道的弯曲及不平顺，使得新桥墩台及外露基础导致水流更加紊乱，加大了流速，增大夹砂能力，从而进一步加剧了对既有桥墩台基础的冲刷。 方案的确定 解决浅基问题。由以上分析可以看出，该桥从基础设计的缺陷、基础外露的严重程度以及长远经济利益等方面分析，要彻底解决该桥的浅基问题，须对该桥基础进行改建。只有这样，才能真正将该桥基础及桥下河床面下落，使桥下与上下游河床平顺。 解决旧钢梁问题。该桥钢梁已运营46年之久，随着复线的建成及铁路规划第五通道的建设开通，蓝烟线提速问题将很快实施，而此桥上板钢梁已不适应提速要求，若改造基础，利用既有钢梁，再对其进行加固，并需进行周期性大修，则总投资费用将不低于换为圬工梁，且不易达到既有线提速所要求的效果，可谓得不偿失。故，从技术和经济两方面讲，均以更换为圬工梁为宜。因此，此次防洪复旧工程方案确定为对该桥进行基础改造，更换为圬工梁。 技术改造实施此次改造做了以下几个方面的技术改进，以提高其抗洪能力，改善既有线行车技术条件，能较好地适应复线开通后即将进行的提速技术要求。4.1 上部结构改建为圬工梁将该桥改造为6-24.0m预应力钢筋混凝土T型梁，采用最新定型图“专桥（01）2051”。该梁技术条件高，采用了一些新材料、新工艺，为局管内首次采用。 提高了设计行车速度。其设计行车速度为客车140km/h、货车80km/h，并按客车160km/h、货车90km/h的行车要求对其进行了动力检算，其自振频率和振幅均满足此行车要求。加大了主梁中心距。原跨度24m的混凝土梁主梁中心距均为1.8m，而此梁改为2.0m。这样，加大了梁体的横向刚度，能更好地适应机车车辆的改型等引起的活载变化以及复线开通后既有线提速工作的开展。改进部分横隔板。除端隔板和中隔板外，其余横隔板均为厂制时预留钢筋，现场搭接焊、现浇混凝土，加强了其整体性连接作用。增加了梁体横向加固。为加强梁体横向刚度，采用了在横隔板上部（桥面板下）和下翼缘处加横向预应力加强横隔板的方式进行加固。横向预应力钢筋采用32mm冷拉级精轧螺纹钢筋，其技术条件要求符合国标TB10002.3-99中有关规定；加固所用混凝土为C50级。端隔板的张拉力达500KN，其余隔板的张拉力达400KN。横向预应力施工完后，在横隔板表面加涂881-I型聚氨酯防水涂料加以防水处理。改梁体封端为封锚。原后张梁封端易出现通裂，造成锚具和钢绞丝的锈蚀，影响梁体的耐久性能，该梁将封端改为封锚，解决了原工艺的弊端。引进了阻锈技术。在管道压浆及封端混凝土中掺以迁移性钢筋防腐剂MCI2000，有效延缓预应力钢绞丝的锈蚀，提高了预应力梁的耐久性及安全使用性能。新型防水层。淘汰了传统型的甲种再生橡胶沥青冷作防水层以及保护层采用水泥砂浆的做法，首次采用了TQF1型防水层，其保护层采用了C40纤维混凝土保护层。TQF1型防水层采用聚氨酯防水涂料和氯化聚乙烯防水卷材，使防水性能较冷作防水层质量、耐久性有了很大提高；而纤维混凝土抗裂性能好，有效地避免了水泥砂浆保护层易干裂的问题。提高了枕底碴厚。按照新的设计行车速度等的要求，该梁提高了轨底到梁顶的高度，由原来的50cm提高到60cm。这样，枕底道碴厚度提高了10cm达到了既有线提速行车技术条件的要求。但因道碴槽宽度及边墙高度没变，故均需增设L型挡碴块。改善了泄水管。将泄水管改设在挡碴墙上为设置在桥面板上，并改水平略带斜坡为垂直，这样，较原来的方式更易于排水；用新材料PVC管材、管件代替了原来的铸铁管。增加了滴水槽。在道碴槽板外侧下面，沿纵向设通长滴水槽，以防止水下溜，污染腐蚀梁体。U型螺栓浸锌。人行道U型螺栓长期暴漏在外，极易产生锈蚀。该梁在预埋前对其进行浸锌处理，以防止锈蚀而削弱其承载力，从而有效延长其使用寿命，降低大维修投资，确保行人安全。4.2 基础改造处理 该桥桥址地貌为外夹河冲积平原，河漫滩、河床和丘陵区，两岸均为果园和耕地。左岸平坦开阔，河床顺直开阔，呈“U”字形；右岸呈圆顶山形态。根据地质调查及勘探，桥址区表覆第四系全新统冲积层，下伏元古界粉子山群片麻岩。根据勘探资料，0号台、1至4号墩的基础采用钻孔桩，5号墩和6号台采用明挖基础。要求桩基础在W3岩层内不小于1m，明挖基础在岩层内挖基部分采用M10浆砌片石回填。因地下水及地表水对混凝土具弱溶出性侵蚀，故桥墩台及基础均采用抗弱溶出性侵蚀混凝土。新桥建成后，拆除了原桥浅基加固铺砌及下游石笼防护，其残留防护结构物高程小于1.5m，然后回填恢复河床高程至2.95m，以达到主河槽回到5、6两孔的目的。现将原桥基础、新改造后的基础以及增二线桥基础的基顶和基底标高列于表3，予以比较。从表中可以看出新的基础较原桥基础均做了不同程度的下落，0至6号墩台基顶分别下落了0.45、3.56、2.81、2.00、1.53、3.52、3.66m。设计单位也接受了这次水害事故的教训，进一步提高了认识，与增二线桥相比，02号和6号墩台基顶标高也做了不同程度地下落，分别下落4.60、4.00、1.00、1.60m。这样，基底嵌入岩层，基顶下落，从根本上解决了浅基问题。 本案新老桥及增二线桥墩台基顶设计标高比较表 表 3墩 台 号0123456基顶标高本案老桥（m）5.124.814.123.372.963.017.70本案新桥（m）4.671.251.311.371.43-0.514.04增二线桥（m）9.275.252.311.371.43-0.515.64基底标高本案老桥（m）2.621.310.62-0.13-0.540.515.70本案新桥（m）-25.33-23.25-20.69-19.13-14.57-3.512.04增二线桥（m）-16.73-20.75-17.19-14.13-12.07-3.513.64注：桩基础承台均2m高。 4.3 水文设计检算外夹河为季节性河流，无水时干枯，洪水时暴涨暴落。外夹河大桥位于福山站烟台端，烟台市福山区只楚镇玉树庄南500m，其上游流域面积为1033km2。在蓝烟线改建铁路工程中，根据初测收集的外夹河上老岚水文站（在桥址上游约25km处）观测洪水资料，确定蓝烟线增二线外夹河大桥的设计流量为Q1/100=2778.0 m3/s，V1/100=2.94 m/s，H1/100=10.54 m。经计算既有桥可通过此流量。外夹河为烟台市的水源地，桥位上游为待建的老岚水库，水库设计防洪标准为百年一遇，校核洪水频率为五千年一遇，蓝烟线因此而局部改线。建成后的老岚水库设计最大下泄量为788.0 m3/s，考虑坝址至桥址区间的流量，外夹河铁路桥址处的流量Q1/100=1633.0 m3/s。考虑河道治理因素，本次外夹河大桥复旧改造工程对该桥在治理后的河床断面基础上对其可通过的最大流量进行了水文检算，其成果如下：Qmax=3499.0 m3/s，Vmax=3.23 m/s，Hmax=11.64 m。本次复旧改造工程设计流量仍采用Q1/100=2778.0 m3/s，并按该桥可通过的最大流量Q=3499.0 m3/s进行了检算，检算水位11.64 m。4.4 防护处理4.4.1蓝村方桥台防护由于蓝村方桥台及护锥处在河道内，容易受洪水冲刷，危及到行车安全，故在蓝村方桥台及锥体（含二线及牵出线范围）前河道内做深垂裙挡墙进行防护加固。该挡墙底部在河床面以下4.18m，底宽4.50m，采用厚度1.0m的C20级水下砼封底。考虑距锥体较近，尤其是增二线桥是在行车条件下施工，支护困难，因而采用钢筋砼沉箱，箱内夯填砂夹卵石。4.4.2下游冲坑回填对下游深达十余米的冲坑进行回填处理，用拆除的墩台及基础圬工、浅基加固砌体以及挖基弃土填充，不足部分回填至河床要求高程，以达到河道平顺的要求。 4.4.3 河道内