高速鐵路跨河橋梁基礎施工對地表水環境影響預測研究

姜建梅

【摘要】：本文通過分析跨河橋梁基礎施工中產生懸浮物的環節因素，采用河流二維穩態模型，預測圍堰施工對河流懸浮物濃度的影響，并利用Surfer 8繪制濃度增量等值線圖。結果表明：產生高濃度懸浮物的區域集中在作業區周圍，懸浮物濃度變化超過10mg/L區域可至下游110m，在此水域范圍內水體魚類生存環境受到一定影響。同時根據分析結果提出合理防治措施。

【關鍵詞】：橋梁基礎；圍堰；懸浮物濃度預測；防治措施

1、引言

我國已建及在建的高速鐵路與傳統鐵路及國外高速鐵路相比，呈現高架橋多、橋梁比例大的特點。且由于境內地形復雜、氣候多變，水系分布密集，高鐵所經區域常含河流，建設中必然要以橋梁構筑物形式進行跨越。高鐵橋梁建設對河流水環境的影響主要集中在水中橋梁基礎施工階段[1]。目前國內外大都采用機械成孔灌注樁工藝，水環境風險主要為圍堰事故造成的水環境污染，污染成分主要為鉆孔泥漿懸浮物。有關資料顯示，圍堰過程懸浮物釋放量為0.9-1.75kg/s[2]，堰內積水抽排出來的水中懸浮物發生量在0.1-0.5 kg/s。鉆孔泥渣沉淀后上清液懸浮物濃度低于60mg/L以下。泥漿懸浮物會對局部水體水質產生影響，特別是對水生生物的生存環境造成不利影響，因此進行橋梁基礎施工過程懸浮物的環境影響預測十分必要。

為有效分析橋梁基礎施工對河流水質的影響，本文以某高速鐵路特大橋為例，采用河流二維穩態水質模型，模擬預測某施工期圍堰事故下懸浮物的擴散規律，有針對性的提出防治管理措施，為跨河橋梁的水環境保護提供合理依據。

2、研究方法

①預測模型

3、案例分析

3.1工程概況

以某高速鐵路特大橋跨越某河流的影響預測為例。該河流全長206公里，流域面積3847.5平方公里，特大橋跨越該河流下游，河道位于沖洪積扇上，水流平緩。受大氣降水時空影響，河流流量季節性變化很大。本工程跨越水域的橋梁總長約140m，其中水中墩5個，本橋孔跨布置為簡支梁和連續箱梁（圖3-1）。

3.2 施工工藝

本工程橋梁水中墩施工采用鋼圍堰法，由河流左岸依次進行單墩作業。由于工程跨越該處河流常年有水，為方便橋梁基礎施工及機具、材料的運輸，首先需在河面上架設施工便橋。通過已搭建的施工便橋將鋼圍堰運抵墩位處下沉就位，抽干圍堰中的水之后拼裝鋼護筒導向架，采用起吊設備插打水中墩鋼護筒就位，安裝鉆機開始水上鉆孔樁施工，灌注水下混凝土。混凝土封底完成后，進行鉆孔樁基礎及承臺墩身施工，施工完畢后將圍堰拆除進行架梁施工。水中墩施工流程匯總如下：

搭建施工便橋→鋼圍堰加工制作→鋼圍堰組拼→鋼圍堰下沉→埋設鋼護筒→澆筑封底混凝土→搭建施工平臺→鉆孔成樁→抽水清淤→承臺施工→墩身施工→拆除圍堰→架梁施工。

由以上分析可知，施工懸浮物的產生主要集中在圍堰下沉、堰內積水抽出、機械鉆孔廢棄泥漿抽出和圍堰拆除環節[3]，一旦發生圍堰事故，泄露懸浮物將對河流水質造成不利影響。

3.3模擬參數

結合實際工況，本工程652號水中墩位于河流中心，距河流左右兩岸分別為75m、65m。該處施工對河流擾動最大，故以此墩為例，進行枯水期施工影響預測。

根據收集資料及現場調查所得數據確定河流基本參數，在此基礎上依據公式2計算橫向混合系數，最終確定模型參數如表3-1所示。

樁基施工作業產生的懸浮物源強與施工河流底質、施工時的水動力條件以及樁的直徑有關，類比相關工程施工資料，假定圍堰事故下懸浮物釋放源強約為1.2kg/s。

3.4結果分析

懸浮物濃度受流場影響，往上游擴散的距離遠小于下游的遷移距離，因此本評價僅對下游水質的影響進行預測分析。基于河流二維穩態模型，預測圍堰破裂懸浮物在河流中濃度變化。結果如下表3-2所示。

施工過程中懸浮物在河流中遷移擴散，模擬預測單樁基礎產生懸浮物的縱向遷移（沿河流方向）距離遠大于橫向遷移長度。采用surfer 8分析預測單墩作業時圍堰破裂產生的懸浮物濃度變化，二維河流水域中懸浮物濃度增量等值線圖如下所示（圖3-2）。

橫坐標x=0處為單墩位置，縱坐標表示沿河流下游的縱向距離。預測結果表明，圍堰破裂產生的懸浮物濃度增值≥50mg/L的水域集中在作業區周圍，橫縱向擴散距離均在10m以內。由于圍堰施工并沒有完全截斷流場，有利于稀釋局部高濃度的懸浮物。另一方面，由于圍堰阻擋，附近流場產生局部死角區域，容易產生水流漩渦，導致下游懸浮物濃度未能均勻減少，在河流下游50m處出現小面積集中污染區域。

懸浮物濃度變化≥10mg/L的橫向擴散距離控制在10m以內，下游影響距離達到110m。根據國家漁業水質標準要求，懸浮物人為增加量不得超過10mg/L，本工程施工使水中懸浮物濃度超過10mg/L的水域面積約為1100m2，此區域對水體魚類生存環境產生一定影響。懸浮物濃度隨河流沖刷逐漸衰減，其縱向影響距離已超出5000m，橫向影響可至下游100m外的兩岸，但濃度變化很小，影響相對較小。

3.5 防治措施

基于水域橋梁施工對河流水質的影響結果分析，提出以下防治措施：

（1）橋梁設計盡量采取大跨連續梁穿越河流水體，橋梁基礎施工應選擇在枯水期，避免雨季施工對水質的影響。

（2）橋梁涉水基礎施工中需精確控制鋼護筒下沉、底口標高及入土深度和垂直度。嚴格遵照圍堰下沉、開挖及封底混凝土澆筑順序，規范操作圍堰內抽水、鋼護筒割除及樁頭清理等環節。

（3）水中墩基礎施工建議使用天然環保泥漿，并調整優化鉆進工藝參數，控制廢棄泥漿排量。鉆孔施工產生的廢棄泥漿通過罐車運輸至岸堤外側泥漿池沉淀處理以便循環利用。

（4）水域內拆除圍堰、疏通河道時應注意及時處理廢漿、棄土和廢棄物，避免對下游造成新的泥沙污染或留下破壞天然水體的永久性建筑垃圾。

（5）做好施工期水質監測，制定應急預警機制，如發生意外事件造成水體污染，及時上報環保相關部門。施工前要對施工人員進行環保培訓，加強施工人員的環境保護意識，規范施工行為。

4 、結論

采用河流二維穩態模型模擬圍堰事故河流懸浮物濃度變化，可了解污染物擴散濃度與擴散距離的相互關系，以及對水體生態環境的影響程度。懸浮物濃度變化超過10mg/L的橫向擴散距離在10m以內，下游影響距離達到110m，在此水域范圍內水體魚類生存環境受到一定影響。

水域橋梁基礎施工應選擇在枯水期，嚴格控制施工各環節，規范操作。建議采用天然泥漿，廢棄泥漿沉淀處理后循環利用，拆堰時及時處理廢棄物，加強施工機械維護及人員培訓。同時，建議做好施工期水質監測，制定應急預警機制，一旦發生意外事件造成水體污染，及時上報環保相關部門。

【參考文獻】：

[1] 蔡琰.高速鐵路跨水源保護區橋梁基礎施工環境保護研究[D].西南交通大學，2011.

[2] 張樂嫣.青義涪江特大橋施工對濃度場影響模擬研究[D].西南交通大學，2012.

[3] 馬新強，付金，王俊嶺.圍堰漏水原因分析及處理措施[J]. 西部交通科技，2012，59（6）：74-77.endprint