淺談石頭河灌區輸水交通橋水毀修復設計要點

董至辰

（陜西石頭河水利產業（集團）有限責任公司,陜西 咸陽 712000）

1 工程概況

石頭河水庫位于岐山、眉縣、太白縣三縣交界處的斜峪關上游1.5 km 處,是具有防洪、灌溉、發電、供水和水產養殖的大（Ⅱ）型水利工程,為解決岐山和眉縣兩岸群眾交通和水產養殖供水問題,水庫建設期間在石頭河大壩下游1.5 km處建設了一座長77 m、寬1.5 m 交通供水兩用橋,被群眾命名為“連心橋”。

2021 年9 月,石頭河流域出現極端強降雨天氣,降雨持續時間長,水庫洪峰流量達到850 m3/s,泄洪流量700 m3/s。灌區工程出現多處險情,“連心橋”橋墩傾斜沉陷,供水管道破損漏水,喪失了基本功能,嚴重影響生產交通及水產養殖場安全,因此如何設計安全合理、經濟美觀的橋梁尤為重要。

2 輸水交通橋損毀原因簡析

正確分析工程水毀原因,對修復設計有一定預警作用,避免工程出現類似險情,通過實地勘察分析,輸水工作橋損毀主要有以下三方面原因：

（1）橋墩基礎埋深較淺,不穩固。原橋在建設時基礎開挖較淺,未開挖到基巖,據現場開挖實際測量,橋墩底部距離基巖仍有近四米多的砂卵石層,橋墩基礎在河床砂卵石上砌筑,基礎不穩固,抗沖蝕能力差。

（2）原橋墩基礎為漿砌石結構,加之多次維修加固,橋墩基礎體型龐大寬7 m,長8.5 m（見圖1）,使得橋墩迎水面面積較大,水流在橋墩處流態紊亂,上下翻滾形成較大旋渦,加劇橋墩基礎掏蝕。

圖1 原交通橋水毀圖

（3）下游河道采石采砂降低了河道糙率,河道水流速度加大。加之橋墩寬度過大,橋洞過水斷面減少,在行洪期間橋涵處的水深和流速加大,河道下切加劇,橋墩基礎沖蝕外露懸空速度加大。

以上三個原因導致輸水交通橋在行洪期間的垮塌,給供水生產和交通安全帶來嚴重影響,恢復交通供水任務非常緊迫。

3 輸水交通橋修復方案優劣性對比

工程修復總體原則：橋體結構安全,簡單實用,充分利用原橋拆卸物資,降低建造價,橋墩采用鋼筋混凝土結構,橋墩建設在河床基巖上。滿足自留引水和交通功能。

3.1 兩種修復方案

（1）原址拆除重建方案

①拆除水毀橋墩,原址開挖在到基巖重新澆筑C30 鋼筋砼橋墩混凝土橋墩；②拆除維修原橋鋼桁架及橋面板、D500供水管道并進行吊裝。

（2）新址新建方案

在原交通橋下游約50 m 處新建,①新橋跨度分別為26.70 m、28.35 m、24.25 m 的3 跨,總長79.3 m；并現澆C40鋼筋砼橋墩（寬1.2 m,長3 m）；③拆卸維修原橋鋼桁架、鋼管D500 供水管道及橋面板,并進行吊裝；④購安D500 鋼管,與原供水管道銜接。

3.2 修復方案比選

從施工條件及安全性、工程經濟性、對河道行洪影響等方面綜合比選建橋方案。

①施工安全性和施工條件比較：原址位置基巖埋深在4 m 左右,加之河道常年為渭河生態補水,原址修復施工,需要修建圍堰進行基坑砂卵石開挖,開挖深度和面積較大,基坑邊坡需要進行支護不利于橋墩施工安全。新址基巖埋深在1 m 左右,部分基巖外露且較為完整,施工不需要進行基坑大開挖和支護,施工安全性和質量較高,工程穩定性好。原址施工作業面上方有臨時應急供水管道,下方基坑開挖工作面、作業面上下重疊,相互影響較大,難度系數高,安全隱患大,不利于施工作業。

②工程經濟性比較：原址修復需開挖4 m 砂卵石層,開挖工程量大,且深基坑需進行支護和基坑滲水進行抽排,新址無需開挖支護和抽水,雖然新址建橋需要加長15 m 輸水管道,經過造價比較,新址建橋造價比原址造價低。

③對河道行洪的影響比較：老橋址處河道凈寬70 m,新橋址處河道凈寬72.5 m,兩方案交通橋修復后,按照天然河道比降和糙率進行驗算,通過20 年一遇1500 m3/s 洪水,老橋過水斷面有效寬度比新橋有效過水斷面寬度小13.5 m,老橋處水深5.9 m,新橋水深5.1 m。新址橋水深降低0.8 m。加之新橋橋孔高度比老橋橋孔高度高1.4 m,新址建橋過流能力大于老址建橋,河道行洪相對安全。

經過兩種方案比較,新址建橋在施工安全性、經濟性、施工條件、行洪能力等方面較優。

4 輸水交通橋新址重建設計應注意的重點問題

4.1 地質地貌調查

經現場地質地貌調查,新橋址巖石為綠泥石云母石英片巖,外露巖石有0.3 m～0.4 m 厚強風化層,部分基巖上部有小于0.8 m 的砂卵石覆蓋層,基巖未見明顯風化。新址河道橫斷面東高西低曲線平緩,而河堤西高東低。

4.2 高程控制

高程控制應考慮的兩個因素：①由東向西自流輸水；②橋面坡比平緩。現場高程測量新橋址河堤西高東低,在設計時必須調整橋墩高度,使輸水管道形成東高西低的自流輸水。為交通安全,人行橋面應平緩。現場高程測量見圖2。

圖2 橋管各點高程圖

經綜合考慮,以原輸水管道東岸管底高程和新橋西岸管底高程為控制高程點,新敷設管道長度195 m,比降定為2.2‰,確定新橋東岸管道底高程為685.72 m,結合橋面坡降不大于2%的要求,調整新橋東、西岸,橋面高程,最終確定各點高程為：橋墩頂高程選擇為684.23 m～684.83 m。適當調整鋼桁架高度使新橋東橋面高程控制為686.2 m,西橋面高程控制為686.80 m。橋面與東西兩岸分別設置緩坡連接,這樣既滿足輸水管自流輸水要求,又滿足橋面平緩的要求。調整前后橋線與輸水管道關系圖見圖3、圖4。

圖3 橋線與輸水管道位置關系示意圖（調整前）

圖4 橋線與輸水管道位置關系示意圖（調整后）

4.3 橋墩尺寸及安全驗算

4.3.1 選定橋墩尺寸

先由上部結構的寬度確定橋墩頂的長度,再按照固定桁架的支座尺寸與支座邊緣到墩頂邊緣的距離選定寬度,隨后按照選定的墩身斜度向下放坡,最后驗算橋墩強度和穩定。

初定采用1.8 m（長）×1.2 m（寬）的直墩,兩端加半徑為0.6 m 的半圓形端部。基礎采用單層鋼筋混凝土承臺,層厚1 m 平面尺寸5 m×3.2 m。

4.3.2 安全驗算

①上部荷載反力經計算為186.43 kN。

②計算墩身各分段重力（見表1）,其中Fi為墩身i截面面積。墩身每2 m～3 m 選取一個計算截面,按照2 m 為一個計算截面,共分為4 段（見圖5）。

表1 墩身重力計算表

圖5 墩身分段示意圖

③墩身抗震驗算

水平地震荷載計算：作用于橋墩質點i的水平地震荷載：

式中：γ為橋墩順橋向或橫橋向基本振型參與系數,經計算為1.274；β為橋墩順橋或橫橋基本周期的動力放大系數,經計算取2.25；Ci為重要性修正系數；Cz為綜合影響系數；Kh

為水平地震系數,均可由規范查表查得。

經計算各質點水平地震荷載見表2。

表2 水平地震荷載計算表

橫橋向水平地震力計算方式與順橋向計算方式相同。偏心距計算經計算截面的偏心距均小于0.7y=1.05 故滿足要求。

④強度計算

查閱材料強度Raj,荷載效應不利組合的設計值小于等于結構抗力效應的設計值,截面回轉半徑縱向力的偏心影響系數計入荷載安全系數等各項系數后的縱向力。

⑤基底應力驗算

經計算,偏心距0.0403<2.0ρ,<[σ],水流沖擊力

故此截面可作為“連心橋”橋墩截面使用。

5 結語

目前我國還存在類似的兩用簡易橋,大洪水極易造成橋梁損毀,在此類橋梁修復重建中應嚴把設計關。石頭河水庫“連心橋”按照設計方案建成后經過洪水檢驗,行洪順暢,橋梁運行安全,取得了一定的社會效益與經濟效益。本文詳細介紹分析了承擔供水與通行任務橋體重建、修復設計的要點及設計方法,以期為以后類似的工程提供一定的參考和借鑒經驗。