涉河橋墩對河道的影響分析及防治措施

陳立堅,張之峰

(1.中山市水務工程建設管理中心,廣東 中山 528400;2.廣東中灝勘察設計咨詢有限公司,廣州 510000)

0 引 言

在跨河橋梁建設中,橋墩坐落在河床范圍,河床通常會面臨比較復雜的沖刷過程,除了涉及到由河床演變而來的沖刷現象,還涉及到橋墩建設完成后所引發的一般沖刷和局部沖刷現象,總之,橋墩沖刷作為一種常見的疊加現象,主要是由河床自然沖刷、一般沖刷和局部沖刷相互疊加的結果。在這樣的背景下,為了保證橋墩自身的安全性和河道的穩定性,分析和防治涉河橋墩對河道影響顯得尤為重要。

1 工程概況

1.1 工程建設項目概況

中山市沙溪鎮隆興北路延伸線工程,位于中山市沙溪鎮隆興北路,起點順接廣珠西線高速引道,自北往南延伸先與沙古公路相交,后分別跨越沙朗涌及獅滘河,終點止于岐江公路。

1.2 涉河橋墩跨河道基本情況

涉河橋墩工程在實際施工中,主要涉及到沙朗涌 、獅滘河 兩個河道。其中,沙朗涌大橋主橋孔間的一般沖刷深度為2.19m;橋墩局部沖刷深度分別為1.82m;獅滘河大橋主橋孔間的一般沖刷深度為1.91m;橋墩局部沖刷深度分別為1.48m。另外,橋墩在實際布設期間,需要嚴格按照相關標高原則,確保所設置的橋墩標高遠遠低于交通橋頂面標高,同時,還要采用樁基支撐的方式,對橋墩進行設置。

2 沖刷對河道穩定性的影響

2.1 沖刷現象

河道中建橋工程實施后,經常遇到以下3種沖刷現象:①自然沖刷現象。自然沖刷現象主要是指河床由于受到泥沙、水利等因素的影響,在自然狀態下,所形成的一種沖刷現象。②一般沖刷現象。一般沖刷現象主要是指經過橋墩壓實處理后的河道由于出現過水斷面寫明,導致橋下河床整個斷面出現明顯沖刷現象。③局部沖刷現象。局部沖刷現象主要是指由于受到橋墩阻擋、水流流速、水流方向等因素的影響,河道水流出現改變,進而產生旋渦現象,并對橋墩四周進行局部沖刷[1-3]。

2.2 沖刷對河道穩定性的具體影響

在設計涉河橋墩期間,要在綜合考慮河床自然沖刷深度、一般沖刷深度和局部沖刷深度等參數的基礎上,科學地設置河道最低沖刷線高程,這為后期精確地確定和設置橋墩基礎底部預埋高程提供重要的依據和參考。另外,當涉河橋墩距離河道位置較遠時,通過運用該設計方法,可以確保涉河橋墩沖刷的安全性和河道整體的穩定性。但是,目前,涉河橋墩沖刷對河道整體穩定性產生不良影響,并沒有受到橋墩設計單位的重視,所以,部分設計單位在進行涉河橋墩設計時,并不會做好對河道的防護處理。當涉河橋墩距離河道較遠,且河道地質條件相對良好時,盡管出現橋墩沖刷現象,會導致河道岸坡變得越來越陡,但是,整個河道仍然處于比較穩定的狀態。但是,當橋墩距離河道位置較近,且河道抗沖條件相對較差時,由于受到橋墩阻水影響,導致河流經過橋墩頭部時,會出現繞流現象,同時,其水流方向會出現彎曲,導致橋墩與河道之間的流速呈現出不斷增加的趨勢,對整個河道進行劇烈沖刷,從而引發嚴重的滑坡現象。

3 涉河橋墩跨河工程防洪評價計算

3.1 橋涵水位壅高計算

在估算淹沒范圍期間,要結合涉河橋墩工程實際情況,計算橋涵水位壅高,橋涵水位壅高計算公式如下:

(1)

式中:V3為水深為h3處的斷面平均流速;△h3為最大壅水高度。

3.2 河床沖刷計算

3.2.1一般沖刷計算公式

在一般沖刷下,結合中黏性河道沖刷問題,對河床沖刷最大水深進行計算,其計算公式如下:

(2)

式中:q0為橋下斷面最大單寬流量;LL為黏性土液性指數。

3.2.2 局部沖刷計算公式

結合河床的局部沖刷深度設置情況,嚴格按照公路橋位斟測設計相關標準和要求,對河道局部沖刷最大水深進行計算,其計算公式為;

hb=0.83KξB10.6IL1.25V

(3)

式中:Kξ為橋墩形系數;B1為橋墩寬度;IL為黏性土液性指數;V為沖向橋墩的流速。

3.3 防洪影響分析計算結果

通過運用上述所提出的計算方法,獲得如表1所示的涉河橋墩跨河道防洪影響計算結果。結合涉河橋墩水利技術相關標準和要求,發現無堤防河道的橋墩阻水面積百分比必須控制在6%以下,從表1中的數據可以看出,涉河橋墩工程施工后,河道阻水面積最小百分比為3.95%,最大百分比為5.33%,完全滿足低于規定要求6%。

表1 涉河橋墩跨河道防洪影響計算結果

4 防洪綜合評價

在進行涉河橋墩工程施工期間,水流經過樁后會出現流態明顯變化現象,同時,橋墩會對河道水體產生一定的阻礙力,導致流態直接演變為側向繞流,導致橋墩兩側出現嚴重沖刷現象,當沖刷力度不斷增加時,會破壞橋墩周圍床面結構。對于水體中的旋渦而言,當其直接作用到防洪堤底腳時,會產生嚴重的沖刷現象,導致防沖相關設施造到嚴重破壞,甚至,引發河道堤身斜坡決裂問題,進而嚴重破壞了河道防洪堤結構。另外,以上四種橋墩均設置在河道堤身范圍內,引發嚴重的沖刷現象,對河堤運行產生不良影響,所以,加強在布置涉河橋墩期間,要盡可能地將橋墩設置在遠離河道的位置[4-6]。

5 涉河橋墩對河道的影響防治措施

5.1 加固補救措施

當涉河橋墩遭遇多年的洪水沖刷后,以上四種橋墩分別為0.83m、0.75m、2.30m、0.69m,橋墩沖刷現象的出現,通常會對原有防洪堤底腳所對應的防沖結構產生一定的破壞力,嚴重影響了河堤防運行的可靠性和安全性。為了解決這一問題,在布置橋墩期間,要沿著順水流方向進行布置,并從以下幾個方面入手,采用合適的補救措施,對河道進行加固處理。①在布置沙朗涌橋墩期間,需要將大量的大塊石頭拋填到距離左岸涉河橋墩上泳、下泳各25m范圍內,以起到良好的防沖保護作用,同時,還要將拋石寬度和厚度分別設置為20m、1m。在布置右岸涉河橋墩期間,要盡可能地避開堤身布置。②在布置獅滘河橋墩期間,將橋墩基鋼筋混凝土基座的頂部覆土厚度控制在2.50m以上,另外,需要將大量的大塊石頭拋填到距離左岸涉河橋墩上泳、下泳各15m范圍內,以起到良好的防沖保護作用,同時,還要將拋石寬度和厚度分別設置為10m、1m。此外,將該橋墩設置在遠離防洪堤的位置,從而降低橋墩沖刷抗對河道的破壞力。如果將橋墩布置在堤身,需要對兩岸提防進行有效防護,使得兩岸提防可靠性和安全性得以大幅度提高。

5.2 橋墩施工期防治措施

在進行涉河橋墩工程施工期間,河道附近所堆放的施工器材、修筑施工圍堰等各種設施,會嚴重影響河道防洪能力。為了解決這一問題,施工單位要結合涉河橋墩工程實際地理位置,有針對性、有目的地制定相關施工方案。在該方案中,建筑材料堆放位置要盡可能地遠離河道。同時,還要對施工期進行科學調整和控制,避免出現汛期施工。在汛期前,要做好對橋墩阻水設施的全面化、實時化排查,確保整個河道表現出較高的過水能力。在進行汛期施工期間,施工單位要制定系統、完善的汛期施工方案,并將其上報到上級部門,由上級部門對其進行批準。另外,為了保證汛期施工質量,還要提前監測和預報雨情、水情情況,同時,還要全面化檢查工地現場情況,及時發現相關險情,并將其上報到上級部門,由上級部門采用合理的搶險措施進行處理。在這個過程中,首先,施工單位要根據涉河橋墩工程實際施工需求,成立專業的防汛組織小組,并劃分小組成員的職責。其次,在進行汛期施工期間,要嚴格按照經過批準后的汛期施工方案,進行規范化施工。再次,要及時監測和預報雨情等天氣情況。最后,禁止向河道內丟棄各種廢渣,同時,還能盡可能地保證施工上下游居民和施工人員的人身安全性和財產安全性[7-8]。

5.3 科學確定拋石范圍、厚度和粒徑

在確定拋石范圍、厚度和粒徑期間,要綜合考慮大橋建設對岸坡穩定性影響程度的基礎上 ,結合水流特性、地形地質條件,對這些參數進行科學設置。首先,結合水流流向改變需求,將橋墩上游岸坡防護長度設置為主橋墩距岸邊距離的2倍左右。其次,將拋石厚度設置為1.3～1.9m,從岸邊向江中方向,其厚度呈現出不斷上升的趨勢。最后,將拋石粒徑設置為0.10～0.41m。為了確保拋石護岸與橋墩防護能夠有效地結合,需要適當地增加橋墩周邊拋石 粒徑。

6 結 語

綜上所述,結合中山市沙溪鎮隆興北路延伸線工程實際建設情況,評價涉河橋墩對河道防洪影響程度,同時,根據涉河橋墩工程實際施工情況,提出一套切實可行的防治措施,本次研究主要獲得以下2個結論;①工程區域河道一旦遭受洪水沖刷,會導致橋墩在河道水位壅高最小值為0.04m,最大值為0.07m,新建橋前后,過水斷面面積出現大幅減小,其減小最小比例為3.96%,最大比例為5.33%,這表明河道水位變化幅度和過水斷面面積的變化幅度相對較小,完全符合相關標準和要求。②在進行涉河橋墩工程施工期間,橋墩阻水通常會對河道防洪能力產生明顯影響,如果沒有在汛前及時拆除橋墩阻水相關設施,需要相關部門落實好橋墩施工組織設計工作,并制定系統、完善的度汛方案,并將其上報到上級部門,由上級部門對其進行批準,從而確保整個河道表現出較高的防洪安全性和橋墩施工質量。