2007~2015年洪水导致垮塌桥梁的统计分析

2017-02-16 08:13刘均利余文成
城市道桥与防洪 2017年1期
关键词:设计标准采砂冲刷

刘 亢,刘均利,余文成

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆市 4 00067;2.桂林理工大学,广西 桂 林 5 41004)

2007~2015年洪水导致垮塌桥梁的统计分析

刘 亢1,刘均利2,余文成2

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆市 4 00067;2.桂林理工大学,广西 桂 林 5 41004)

洪水及其引起的河床冲刷一直是影响在役桥梁安全的重要因素,是造成在役桥梁垮塌的主要原因之一。对近十年来国内因洪水而垮塌桥梁事故的案例进行了调研和统计,总结和分析了桥梁因洪水倒塌的一般规律,发现因洪水倒塌的桥梁普遍设计标准低,基础埋深浅;病害严重,危桥占比高;桥位附近挖沙严重,破坏河床,加剧冲刷。基于此提出了相关对策建议,为桥梁的设计建设以及维护工作提供参考。

在役桥梁;洪水;垮塌案例;冲刷

0 引 言

洪水冲刷掉桥墩基础周围岩土,使基础暴露于水中,减小桥梁的横向承载能力和桩基的抗屈曲承载能力,增大水流的横向冲击力[1]。洪水及其诱发的泥石流、滑坡等一直是引起桥梁垮塌的主要原因之一。Harik[2]等调查了1951~1988年美国垮塌的79座桥梁,有29座因洪水和基底冲刷等引起,占36.7%。Wardhana[3]等研究发现,1989~2000年美国运营桥梁垮塌事故中,52.88%与水力因素有关,其中洪水冲垮的比例为32.80%,水流掏空基础的比例为15.51%。Diaz[4]等对1986~2008年间哥伦比亚桥梁垮塌愿因进行分析,发现35%的混凝土桥梁垮塌是由冲刷引起的。洪水引起的桥梁垮塌往往是整体性垮塌,是一种极其严重的安全事故,具有突然性,一般难以用检测来避免[5]。加之,近年来全球变暖引起的极端天气现象频发,桥梁工程面临洪水破坏的风险也日益增加。

国内外学者对桥梁水毁进行了大量研究,侧重于水毁桥梁的破坏机理研究,而缺少对水毁桥梁的桥型、桥龄等一般规律的研究。鉴于此,本文对2007~2015年期间水毁桥梁进行统计分析,探索其中的基本规律,为桥梁的检测和维护提供参考。

本文的研究是广西科学技术开发项目——危险桥梁甄别及评估方法与应用的一部分。本次研究的资料主要来源于公开发表的论文、专著、报纸杂志和交通部门网站主页,另有部分来源于检测报告和会议资料。在我国,垮塌桥梁的资料往往涉及保密,导致垮塌桥梁事故信息极难获得,因此作者也对2013~2015年内水毁桥梁进行实地调研,采访事故桥梁附近村民。

1 因洪水破坏桥梁垮塌发生率

通过调查发现在2007~2015年期间,国内共有102座运营桥梁垮塌,其中44座桥梁因水灾导致垮塌,占总数的43.1%。

由于信息不完整,在垮塌的44座桥梁中,只有25座可以查询到实际使用寿命。这25座桥中,寿命最长的是湖南省嘉禾县珠泉镇麻地大桥,建于上世纪60年代,寿命超过50 a;寿命最短的是河南省宜阳县南车线鬼沟桥,寿命只有1 d。图1是桥梁实际使用寿命分布图,可以看出,寿命小于10 a的有3座,10~20 a的有5座,20~30a的有5座,30~40 a的有6座,40~50 a的有4座,超过50 a的只有2座。大部分事故桥梁的实际使用寿命远远低于桥梁的设计使用寿命。

表1是垮塌桥梁的年分布表,从表1可知,除2011年没有桥梁因水灾垮塌外,每年均有桥梁垮塌,一般垮塌数量在1~5座。2013年有24座桥梁垮塌,是个特例,主要发生在四川省。2013年发生了2008年汶川大地震后的第一次特大洪水,四川大地震及震后重建引起无序采砂严重破坏了河床形态,导致短期内大量桥梁垮塌。

图1 垮塌桥梁实际寿命分布

表1 倒塌桥梁年份统计

表2 是倒塌桥梁地区统计,由表2 可以看出,事故桥梁共发生在11 个省份,其中四川省25 起,占56.8%。通过谷歌数字地球,查找垮塌桥梁,发现垮塌桥梁主要位于山区和山前区。

表2 倒塌桥梁地区统计

2007~2015年,因洪水破坏的44座桥梁中,其桥型分布见表3。

表3 倒塌桥梁桥型统计

从桥型方面看,拱桥17座,占垮塌桥梁总数的38.6%,其中双曲拱桥有4座,石拱桥6座,刚架拱桥1座,桁架拱桥2座,还有4座具体结构形式不明;梁桥18座,占垮塌桥梁总数的40.9%,其中6座采用双柱墩,具体为四川汶川彻底关大桥、四川绵竹市绵远河牛鼻子大桥、绵竹市兴隆拱星大桥、四川汶川川西大桥、广东江门圣堂大桥和西藏林芝八一大桥。

表4是垮塌桥梁导致人员伤亡的统计表,由表5可以看出,9年间因超载倒塌的桥梁,共造成101人遇难,51人受伤。尤其是河南栾川县伊河汤营大桥,直接造成67人死亡,22人受伤。

表4 倒塌桥梁伤亡统计

2 桥梁水毁破坏具体原因分析

洪水属于自然灾害,是导致桥梁垮塌的外部原因。桥梁的破坏往往是多种原因共同作用的结果,如桥梁本身设计不足、病害严重等因素会导致桥梁在洪水作用下更容易破坏。下面对44座桥梁的设计、病害等内在原因进行分析。

2.1 设计标准较低,冲刷引发的破坏

因洪水而垮塌的桥梁绝大多数位于低等级的县乡道路上,部分甚至位于通村公路上。桥梁设计标准低,尤其是地基与基础方面,大多数桥梁采用扩大基础,并且基础埋深不足,河床冲刷下切很容易使基底脱空,从而导致桥梁垮塌[6]。如辽宁抚顺南杂木大桥、河南洛阳宜阳南车线鬼沟桥、铁力呼兰河大桥、浙江长风大桥、西藏林芝八一大桥等均采用扩大基础,在洪水作用下,基底被掏空而导致基础下陷,进而导致上部结构垮塌。其中浙江长风大桥按百年一遇防洪标准设计,基础设计埋深7 m,扩大基础的持力层还位于泥炭土上,仅仅使用了9 a便垮塌。高等级道路上设计标准较高的桥梁,因洪水垮塌比例较低,只有一座高速公路桥梁--都汶高速桃关隧道桥垮塌,是在洪水和泥石流共同作用下破坏。

2.2 病害严重

垮塌桥梁带病运行占比较高,经检索发现,仅有8座桥梁可以正常运行,12座桥梁病害严重,在定期检测中已经被评定为危桥,并已经限载,其余24座桥梁技术状况不明,有一部分从未进行过检测,也有的是没有调查到相关资料,见表5。

表5 倒塌桥梁服役情况统计

如黑龙江铁力呼兰河桥,建于1973年,采用整体性较差的双曲拱桥,2006年已被评为危桥,设计使用寿命30 a,限载30 t,在洪水和超载共同作用下垮塌。

2.3 桥位附近挖沙严重

过去30年,我国大规模的基础设施建设对砂石资源需求巨大,加之采砂利润丰厚,导致全国范围内对砂石资源无序开采。建桥时,为保证桥梁的安全,一般都进行水文分析,计算桥梁再设计基准期内的自然演变、一般冲刷和局部冲刷,并没有考虑挖沙对河床的影响。采砂企业采砂后,在河道中留下坑、槽。这些人为因素使水流紊乱,加剧了河水冲刷。

以四川为例,2008年后,扩大内需项目与汶川地震灾后重建项目重叠,砂石资源需求骤增,河道中的采砂大量而无序,许多采砂企业在采砂后于河道中留下坑、槽。这些人为因素使水流紊乱,加剧了河水冲刷。2012年雨季之后,105省道绵竹段石亭江一号桥、富新绵远河大桥、106省道德什段石亭江大桥、石亭江广洛大桥桥位处冲刷已达7 m,石亭江中游河段平均冲刷深度已达10 m左右,而石亭江广洛大桥的最浅埋深只有16 m。这个实际冲刷深度,已超过水文分析。无序挖沙应当是四川2013年洪水大规模垮塌的重要原因。

除四川地区的桥梁外,调查发现,兴国县焦田大桥的垮塌与周边7处采砂场也有关系。陕西蓝田县玉山镇沈家河桥垮塌前,附近的砂石厂把基础周围砂石掏空,造成地基不稳。

3 结论

对2007~2015年,国内因洪水而倒塌的桥梁进行调查与统计,共发现了44座在役桥梁因洪水而垮塌,以梁桥和拱桥为主,共造成101人遇难,51人受伤。垮塌桥梁往往存在以下三个特点:设计标准低,下部结构采用扩大基础居多;病害严重,且部分桥梁业主为乡镇或村委,从未进行定期检测;桥位附近挖沙严重,加剧了冲刷。为此,提出以下建议:

(1)对设计标准低、采用扩大基础并且基础埋深不足的桥梁,如桥下冲刷比较严重,应尽量拆除重建。

(2)规范挖沙,应禁止在桥位上下游挖沙,对于已经挖沙严重、桥梁基础暴露的桥梁,尽量建设拦砂坝等设施。

(3)对于位于低等级道路上、没有进行定期检测的桥梁,应开展基础冲刷方面的检测。

[1]Banerjee S,Prasad G.Analysis of bridge performance under the combined effect of earthquake and flood-induced scour.In:First international symposium on uncertainty modeling and analysis and management[Z].Hyattsville,United States,2011,889-896.

[2]Wardhana K,Hadipriono F C.Analysis of Recent Bridge Failures in the United States[J].Journal of Performance of Constructed Facilities, 2003,17(3):144-150.

[3]Harik IE,Shaaban A M,Gesund H,etc.United Statesbridge failures,1951-1988[J].Journal of Performance of Constructed Facilities, 1990,4(4):272-277.

[4]Diaz E E,Moreno F N,Mohammadi J.Investigation of Common Causes of Bridge Collapse in Colombia[J].Practice Periodical on Structural Design and Construction,2009,14(4):194-200.

[5]严允中,余勇继,杨虎根,等.桥梁事故实例评析[M].北京:人民交通出版社,2013.

[6]李海瑞.桥梁水毁的预防与治理[J].公路,2007(7):209-211.

U445.7+5

B

1009-7716(2017)01-0090-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.025

2016-10-26

国家自然科学基金项目(51468013);广西科学与技术开发计划项目(桂科攻 1355008-9,桂科攻 14251012)

刘亢(1978-),男,四川盐亭人,高级工程师,从事桥梁规划设计和安全评估工作。

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