涉河桥墩对河道的影响分析及防治措施

陈立坚,张之峰

(1.中山市水务工程建设管理中心,广东 中山 528400;2.广东中灏勘察设计咨询有限公司,广州 510000)

0 引 言

在跨河桥梁建设中,桥墩坐落在河床范围,河床通常会面临比较复杂的冲刷过程,除了涉及到由河床演变而来的冲刷现象,还涉及到桥墩建设完成后所引发的一般冲刷和局部冲刷现象,总之,桥墩冲刷作为一种常见的叠加现象,主要是由河床自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷相互叠加的结果。在这样的背景下,为了保证桥墩自身的安全性和河道的稳定性,分析和防治涉河桥墩对河道影响显得尤为重要。

1 工程概况

1.1 工程建设项目概况

中山市沙溪镇隆兴北路延伸线工程,位于中山市沙溪镇隆兴北路,起点顺接广珠西线高速引道,自北往南延伸先与沙古公路相交,后分别跨越沙朗涌及狮滘河,终点止于岐江公路。

1.2 涉河桥墩跨河道基本情况

涉河桥墩工程在实际施工中,主要涉及到沙朗涌 、狮滘河 两个河道。其中,沙朗涌大桥主桥孔间的一般冲刷深度为2.19m;桥墩局部冲刷深度分别为1.82m;狮滘河大桥主桥孔间的一般冲刷深度为1.91m;桥墩局部冲刷深度分别为1.48m。另外,桥墩在实际布设期间,需要严格按照相关标高原则,确保所设置的桥墩标高远远低于交通桥顶面标高,同时,还要采用桩基支撑的方式,对桥墩进行设置。

2 冲刷对河道稳定性的影响

2.1 冲刷现象

河道中建桥工程实施后,经常遇到以下3种冲刷现象:①自然冲刷现象。自然冲刷现象主要是指河床由于受到泥沙、水利等因素的影响,在自然状态下,所形成的一种冲刷现象。②一般冲刷现象。一般冲刷现象主要是指经过桥墩压实处理后的河道由于出现过水断面写明,导致桥下河床整个断面出现明显冲刷现象。③局部冲刷现象。局部冲刷现象主要是指由于受到桥墩阻挡、水流流速、水流方向等因素的影响,河道水流出现改变,进而产生旋涡现象,并对桥墩四周进行局部冲刷[1-3]。

2.2 冲刷对河道稳定性的具体影响

在设计涉河桥墩期间,要在综合考虑河床自然冲刷深度、一般冲刷深度和局部冲刷深度等参数的基础上,科学地设置河道最低冲刷线高程,这为后期精确地确定和设置桥墩基础底部预埋高程提供重要的依据和参考。另外,当涉河桥墩距离河道位置较远时,通过运用该设计方法,可以确保涉河桥墩冲刷的安全性和河道整体的稳定性。但是,目前,涉河桥墩冲刷对河道整体稳定性产生不良影响,并没有受到桥墩设计单位的重视,所以,部分设计单位在进行涉河桥墩设计时,并不会做好对河道的防护处理。当涉河桥墩距离河道较远,且河道地质条件相对良好时,尽管出现桥墩冲刷现象,会导致河道岸坡变得越来越陡,但是,整个河道仍然处于比较稳定的状态。但是,当桥墩距离河道位置较近,且河道抗冲条件相对较差时,由于受到桥墩阻水影响,导致河流经过桥墩头部时,会出现绕流现象,同时,其水流方向会出现弯曲,导致桥墩与河道之间的流速呈现出不断增加的趋势,对整个河道进行剧烈冲刷,从而引发严重的滑坡现象。

3 涉河桥墩跨河工程防洪评价计算

3.1 桥涵水位壅高计算

在估算淹没范围期间,要结合涉河桥墩工程实际情况,计算桥涵水位壅高,桥涵水位壅高计算公式如下:

(1)

式中:V3为水深为h3处的断面平均流速;△h3为最大壅水高度。

3.2 河床冲刷计算

3.2.1一般冲刷计算公式

在一般冲刷下,结合中黏性河道冲刷问题,对河床冲刷最大水深进行计算,其计算公式如下:

(2)

式中:q0为桥下断面最大单宽流量;LL为黏性土液性指数。

3.2.2 局部冲刷计算公式

结合河床的局部冲刷深度设置情况,严格按照公路桥位斟测设计相关标准和要求,对河道局部冲刷最大水深进行计算,其计算公式为;

hb=0.83KξB10.6IL1.25V

(3)

式中:Kξ为桥墩形系数;B1为桥墩宽度;IL为黏性土液性指数;V为冲向桥墩的流速。

3.3 防洪影响分析计算结果

通过运用上述所提出的计算方法,获得如表1所示的涉河桥墩跨河道防洪影响计算结果。结合涉河桥墩水利技术相关标准和要求,发现无堤防河道的桥墩阻水面积百分比必须控制在6%以下,从表1中的数据可以看出,涉河桥墩工程施工后,河道阻水面积最小百分比为3.95%,最大百分比为5.33%,完全满足低于规定要求6%。

表1 涉河桥墩跨河道防洪影响计算结果

4 防洪综合评价

在进行涉河桥墩工程施工期间,水流经过桩后会出现流态明显变化现象,同时,桥墩会对河道水体产生一定的阻碍力,导致流态直接演变为侧向绕流,导致桥墩两侧出现严重冲刷现象,当冲刷力度不断增加时,会破坏桥墩周围床面结构。对于水体中的旋涡而言,当其直接作用到防洪堤底脚时,会产生严重的冲刷现象,导致防冲相关设施造到严重破坏,甚至,引发河道堤身斜坡决裂问题,进而严重破坏了河道防洪堤结构。另外,以上四种桥墩均设置在河道堤身范围内,引发严重的冲刷现象,对河堤运行产生不良影响,所以,加强在布置涉河桥墩期间,要尽可能地将桥墩设置在远离河道的位置[4-6]。

5 涉河桥墩对河道的影响防治措施

5.1 加固补救措施

当涉河桥墩遭遇多年的洪水冲刷后,以上四种桥墩分别为0.83m、0.75m、2.30m、0.69m,桥墩冲刷现象的出现,通常会对原有防洪堤底脚所对应的防冲结构产生一定的破坏力,严重影响了河堤防运行的可靠性和安全性。为了解决这一问题,在布置桥墩期间,要沿着顺水流方向进行布置,并从以下几个方面入手,采用合适的补救措施,对河道进行加固处理。①在布置沙朗涌桥墩期间,需要将大量的大块石头抛填到距离左岸涉河桥墩上泳、下泳各25m范围内,以起到良好的防冲保护作用,同时,还要将抛石宽度和厚度分别设置为20m、1m。在布置右岸涉河桥墩期间,要尽可能地避开堤身布置。②在布置狮滘河桥墩期间,将桥墩基钢筋混凝土基座的顶部覆土厚度控制在2.50m以上,另外,需要将大量的大块石头抛填到距离左岸涉河桥墩上泳、下泳各15m范围内,以起到良好的防冲保护作用,同时,还要将抛石宽度和厚度分别设置为10m、1m。此外,将该桥墩设置在远离防洪堤的位置,从而降低桥墩冲刷抗对河道的破坏力。如果将桥墩布置在堤身,需要对两岸提防进行有效防护,使得两岸提防可靠性和安全性得以大幅度提高。

5.2 桥墩施工期防治措施

在进行涉河桥墩工程施工期间,河道附近所堆放的施工器材、修筑施工围堰等各种设施,会严重影响河道防洪能力。为了解决这一问题,施工单位要结合涉河桥墩工程实际地理位置,有针对性、有目的地制定相关施工方案。在该方案中,建筑材料堆放位置要尽可能地远离河道。同时,还要对施工期进行科学调整和控制,避免出现汛期施工。在汛期前,要做好对桥墩阻水设施的全面化、实时化排查,确保整个河道表现出较高的过水能力。在进行汛期施工期间,施工单位要制定系统、完善的汛期施工方案,并将其上报到上级部门,由上级部门对其进行批准。另外,为了保证汛期施工质量,还要提前监测和预报雨情、水情情况,同时,还要全面化检查工地现场情况,及时发现相关险情,并将其上报到上级部门,由上级部门采用合理的抢险措施进行处理。在这个过程中,首先,施工单位要根据涉河桥墩工程实际施工需求,成立专业的防汛组织小组,并划分小组成员的职责。其次,在进行汛期施工期间,要严格按照经过批准后的汛期施工方案,进行规范化施工。再次,要及时监测和预报雨情等天气情况。最后,禁止向河道内丢弃各种废渣,同时,还能尽可能地保证施工上下游居民和施工人员的人身安全性和财产安全性[7-8]。

5.3 科学确定抛石范围、厚度和粒径

在确定抛石范围、厚度和粒径期间,要综合考虑大桥建设对岸坡稳定性影响程度的基础上 ,结合水流特性、地形地质条件,对这些参数进行科学设置。首先,结合水流流向改变需求,将桥墩上游岸坡防护长度设置为主桥墩距岸边距离的2倍左右。其次,将抛石厚度设置为1.3～1.9m,从岸边向江中方向,其厚度呈现出不断上升的趋势。最后,将抛石粒径设置为0.10～0.41m。为了确保抛石护岸与桥墩防护能够有效地结合,需要适当地增加桥墩周边抛石 粒径。

6 结 语

综上所述,结合中山市沙溪镇隆兴北路延伸线工程实际建设情况,评价涉河桥墩对河道防洪影响程度,同时,根据涉河桥墩工程实际施工情况,提出一套切实可行的防治措施,本次研究主要获得以下2个结论;①工程区域河道一旦遭受洪水冲刷,会导致桥墩在河道水位壅高最小值为0.04m,最大值为0.07m,新建桥前后,过水断面面积出现大幅减小,其减小最小比例为3.96%,最大比例为5.33%,这表明河道水位变化幅度和过水断面面积的变化幅度相对较小,完全符合相关标准和要求。②在进行涉河桥墩工程施工期间,桥墩阻水通常会对河道防洪能力产生明显影响,如果没有在汛前及时拆除桥墩阻水相关设施,需要相关部门落实好桥墩施工组织设计工作,并制定系统、完善的度汛方案,并将其上报到上级部门,由上级部门对其进行批准,从而确保整个河道表现出较高的防洪安全性和桥墩施工质量。