澤口平原灌區橋型選擇探討

鄭先姣，王麗瓊，孫 玲

（1.仙桃市水利水電工程質量監督站，湖北仙桃 433000；2.福安市住建局，福建福安 355000；3.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北武漢 430074）

1 灌區特點和存在的問題

澤口灌區位于湖北省仙桃市和潛江市，屬江漢平原中部，灌區自然面積為2 437 km2，耕地面積16.688 萬hm2，灌區人口約187 萬人，為全國大型自流引水灌區之一。灌區于1958年冬動工興建，1965年1月竣工投入使用。經過40 余年的不斷配套完善，形成現有的灌溉、排澇與防洪三大工程體系，已形成分、支、干渠91 條，渠道總長976 km，主要渠系建筑物865 座，排水溝1 219 km，年引水約10.33 億m3 的規模。以下為灌區特點。

（1）中小河流密布，河寬多在50 m 以內，以10～30 m 寬為主，水深不超過5 m。

（2）地勢平坦，灌區北部為漢江，南部為洛江河。總干渠近東西向展布，南干渠近南北向展布。整個項目區地處江漢平原的中部，具有典型的沖積平原的特征。區內地勢較平坦，總體上西部高東部低，微向東南傾斜，地面高程22～34 m，為長江、漢江的一級階地。

（3）灌區內路網密布，但都為機耕路。由于路寬基本在4 m 以內且彎道多，許多道路都是直角相交，未設轉彎半徑，大型車輛轉彎困難，因此，灌區內橋梁預制吊裝施工難度大。

（4）地質條件差。根據地質勘探揭露，區內地層分布穩定，典型地層分布從上至下主要為：①人工素填土：黃褐色，稍濕，結構松散，以壤土為主，夾薄層粉砂，層厚3～5 m；②壤土：灰黃色，呈可塑和軟可塑，黏性較強，層厚4～5.5 m。其液限取33.4%～41.8%，塑限21.2%～25.3%，塑性指數12.2～16.7，壓縮系數 0 .13～0.4 MPa-1，具有中偏高壓縮性，承載力fak＝90 kPa；③黏土：灰褐色，可塑，層厚4～6 m。其液限取41.5%～45.4%，塑限23.7%～25.9%，塑性指數17.1～20.5，壓縮系數0.12～0.37 MPa-1，具有中等壓縮性，fak=110 kPa；④砂壤土：灰色，層厚大于4.80 m。其液限26.3%，塑限16.4%，塑性指數 9 .9，壓縮系數0.20 MPa-1，具有中偏低壓縮性，承載力fak=130 kPa。根據地質勘察可知，區內地層從上表往下平均8 m 均為淤泥或高壓縮性壤土。在地表往下15 m 范圍以內，難以找到能滿足橋梁結構承載要求的地層結構。

灌區自建成以來，發揮了較大的經濟效益。由于后期工程投入不足，工程配套不完善，設施不全及工程老化毀損嚴重，水資源浪費極大，加上水資源供需不平衡等諸多問題，嚴重制約了灌區的經濟發展。以下為工程存在的主要問題。

（1）渠坡穩定性差，存在崩岸和掉坎，嚴重影響工程的運行。

（2）渠道淤積嚴重，引用的漢江水流中攜帶大量的泥砂及渠坡滑崩的泥土，在渠道中沉積抬高了渠道底板，影響渠道灌溉。

（3）橋涵數量不足，繞行距離遠，影響區內交通；原有橋涵老化，荷載等級低，地質差，結構不盡合理，造成危橋越來越多。

（4）渠系建筑物老損嚴重，很多泵站、水閘均運行了40 多年，建筑物變形、裂縫、鋼筋外露等比較普遍。

為了實現農業經濟的可持續發展，保障糧食等農產品的供給，國家決定對大型灌區進行續建配套與節水技術改造，充分發揮灌區的作用。結合灌區改造，為確保區內改造和新建橋梁結構安全、經濟、耐久和便于養護，對地質條件差的平原灌區橋型選擇進行研究，為灌區橋梁建設提供參考。

2 現有橋梁型式和病害特點

澤口灌區現有橋梁約260 余座，橋梁長度大多介于5～60 m，寬度多為5 m 以下。絕大多數的橋梁是在20 世紀70年代修建的，橋型分布如圖1。

圖1 灌區橋型結構數量百分比分布

橋型分布特點有以下3 點。

（1）簡支板（梁）橋：這種結構型式是灌區內橋梁數量最多的，約占橋梁總數的75%以上，單孔跨度一般為5～6 m，以整體現澆板為主，沒有支座或部分油毛氈支座。長橋由多孔組成，橋面未設伸縮縫，跨間橋面斷開，橋頭不設搭板。下部結構主要為墻式墩，擴大基礎，基礎埋深淺。

（2）拱橋：小跨徑的桁架拱和實腹式拱橋占據灌區橋梁總數的20%左右。桁架拱拱片多為圓孔開口整體預制而成，拱片比較單薄，重量輕，主要是為了節省材料和便于施工安裝；實腹式拱橋單孔跨徑一般為5 m 左右，拱圈材料以片石和素混凝土為主，施工方式主要采用土牛法建造。下部墩臺主要為實體式橋墩和U 臺，基礎為擴大基礎。

（3）小型剛構：區內少量橋梁結合水閘或泵站修建，采用單孔或多孔門式剛構，上下部連成一體，整體現澆。

近年來，對區內運營中的橋梁進行全面調查，所有檢查成果按照現行公路橋梁養護規范進行分類總結，下面對上述各類型橋梁的典型病害特點進行歸納。

（1）簡支板橋板體下緣開裂、鋼筋銹蝕和保護層脫落（見圖2）。尤其是整體板，由于各支承不共面，導致板體在荷載作用下發生扭轉，強大的扭矩導致許多板體也出現縱向開裂，削弱了上部結構整體性。

（2）橋墩傾斜和沉降（見圖3）。部分橋梁橋墩出現不同程度的傾斜和沉降，嚴重的造成橋面無法滿足正常的交通需求，個別橋梁因此封閉交通。這種病害現象是澤口灌區橋梁較普遍存在的問題。

圖2 簡支板板體病害

圖3 橋墩臺沉降不均

（3）拱橋橋臺推移、拱圈開裂下撓（見圖4），個別拱橋還有水平位移過大，導致拱圈片石錯落和嚴重裂縫。

圖4 拱圈病害

上述病害是灌區橋梁比較明顯的特點，尤其是橋墩傾斜與沉降幾乎成了地質條件較差的平原地區早期修建橋梁的通病。

3 病害原因分析

灌區內橋梁修建年代較久，橋梁種類不多，橋梁的病害具有一致性特點，歸納分析上述病害共同點，其原因可歸結為以下兩點。

（1）地質條件差，結構設計不合理。

灌區為江漢沖積平原，全灌區地表下12～22 m范圍均為中高壓縮性淤泥或淤泥質壤土，河床下8～10 m 內地基承載力均未超過100 kPa。除非進行地基處理，否則該地層范圍內不宜作為橋梁基礎持力層。不僅因為地基承載力難以滿足要求，土層壓縮所產生的橋梁基礎沉降也非常顯著。灌區內大量橋梁均為跨度較小的板橋或拱橋，且多為水利部門修建，板橋的結構型式如圖5所示。由于灌區內路網均為滿足農業生產和老百姓出行需要的鄉村小路，路窄彎小，吊車無法靠近。考慮到橋梁施工吊裝困難，橋梁上部結構大多采用跨度小于7.0 m 的整體現澆板，不設支座；基礎多采用擴大基礎，直接置于沒有經過地基處理的土層上，一般基礎頂面埋深僅有0.5～1 m。由于地基承載力弱，且淺層為高壓縮性人工填土或壤土，在水流浸泡和偏心荷載作用下，基礎往往發生不均勻下沉，造成橋墩傾斜，橋面凹凸不平，甚至引發橋梁局部或全橋倒塌[1，2]。拱橋病害也多為地基不良，并由于采用埋設很淺的擴大基礎，導致墩臺下沉、傾斜，致使拱圈開裂、變形，橋面下沉。這些現象是灌區內橋梁普遍性病害。

圖5 灌區板橋結構布置圖（單位：cm；高程單位：m）

（2）年久失修，養護不到位。

由于灌區自身的性質決定了區內橋梁結構屬于滿足農業生產需要的附屬設施，沒有橋梁養護的專業人才，資金缺位，導致區內橋梁事實上處于沒有養護的狀態。這種現象不僅過去有，將來還可能持續相當長的一段時間。當橋梁出現病害后，得不到及時維護，病害的逐漸積累導致橋梁失去運營功能，威脅安全。

4 適用橋型選擇

由于澤口灌區的地質、路網及養護特點，結合現有橋梁的病害類型和原因分析，在即將開始的區內大量橋梁改造中，新建橋梁建設應遵循以下原則。

（1）橋型結構便于實施。由于灌區內橋梁多為中小橋，量大工期緊，因此，橋梁結構種類不宜太多、太復雜，并考慮到農田水利橋梁施工的可能技術水平，所采用的橋型結構應簡單。受施工條件和吊裝能力的限制，最好采用小跨度簡支板梁或現澆鋼筋混凝土結構。

（2）基礎應采用小型樁基礎或擴大基礎，但擴大基礎的基底務必經粉噴樁[3（]或樹根樁或其它方式）處理過后方可采納，并確保一定的埋置深度。

（3）便于日常養護，盡量少設支座和伸縮縫。

根據上述原則和現狀橋梁病害，經比較論證和實際實施證明，以下橋型結構比較適合地質條件較差的平原灌區中小跨度橋梁。

（1）無橋臺斜腿剛架橋

無橋臺斜腿剛架橋是在斜腿剛架橋基礎上增設邊斜桿并取消與路堤銜接的橋臺而形成的新橋型，應用在中小跨度的橋梁中具有許多優點[4-6]。由于灌區內部河網密布，河流和水渠寬度均不大，鋼筋混凝土無橋臺斜腿剛架橋一跨即可跨越（見圖6），河渠中間不用設置橋墩。對于只能季節性施工（灌溉需要）的區內橋梁，采用在枯水季節搭設支架現澆施工非常便利，且不用吊裝。由于無橋臺斜腿剛架橋所受到的不平衡水平推力明顯小于傳統斜腿剛架橋，具有結構合理、受力性能好等諸多優點，對于地基不良的平原灌區橋梁費用經濟。該橋型結構全橋不設支座，中小跨度結構內部無需設置伸縮縫，建成后養護工作量小，甚至長時間無需養護。

圖6 無橋臺斜腿剛架橋

這種橋型結構除了便于施工、結構受力合理外，還具有整體性強，剛度大和經濟的優點。根據已經實施的漢蔡高速公路9 座跨線天橋優化后采用無橋臺斜腿剛架橋的混凝土和鋼材對比（見圖7），材料用量明顯降低，具有顯著的經濟性。

圖7 主要材料用量對比

（2）小跨度簡支結構或箱涵

由于地質條件差，軟土層深，采用小跨度簡支結構可適應基礎在容許范圍內的沉降要求，下部基礎建議采用樁基或經過地基處理的整板基礎。為克服區內吊裝困難的現實條件，上部宜采用整體現澆板梁，受灌區橋涵實際施工技術水平限制，單孔跨度應盡量控制在13 m 以內，并采用普通鋼筋混凝土結構。對于寬度較小的河床，盡量以現澆箱涵為主。

5 結論

由于灌區橋梁大多歸水利或土地部門管理，單座橋梁規模小，但是橋涵數量多。相比公路或城市橋梁，灌區橋涵的建設質量往往沒有受到足夠的重視，現有橋梁病害眾多，建設管理比較薄弱。本文結合灌區橋梁改造，在現狀橋梁病害調查的基礎上，對適合灌區建設的橋梁選型開展研究，得出如下結論：

（1）現有橋梁墩臺沉降、傾斜乃至橋面系凹凸不平，主要是由于不良的地質條件和不太合理的基礎設計導致的，這種病害對軟土層較深的灌區橋梁具有普遍性；

（2）灌區橋梁種類不宜過多，橋梁設計時應盡量采用方便施工、后期維護工作量小的橋型結構；

（3）澤口灌區的橋梁擴大基礎不宜直接置于未經處理的軟土地層上，否則易發橋墩傾斜。應該采用粉噴樁或其它方法進行地基處理，且基礎需要具備一定的埋置深度；

（4）實踐和研究證明，無橋臺斜腿剛架橋和小跨度簡支結構是區橋梁比較合適的結構型式。

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