黄河大桥防凌设计关键技术探讨

杨 纪，崔振华，冯仲林

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003）

1 研究背景

1.1 黄河凌情及其对黄河大桥的危害

1.1.1 黄河凌情概况

黄河干流自上而下均存在不同程度的凌情，上游宁蒙河段由低纬度流向高纬度，冬季气温上暖下寒，封河自下而上，开河自上而下。在封河期，由于下游先封河，上游流凌易在封河处堵塞，造成冰塞壅水漫滩；开河期，上游先开河，大量的冰、水拥向还处于封冻状态的下游河段，极易在弯曲、狭窄河段卡冰结坝，壅高水位，造成凌汛灾害。中游河段凌情自上而下逐渐减轻，凌情较严重的河段主要为河曲河段和小北干流（禹门口至潼关）河段。下游河道上宽下窄，排洪能力上大下小，且黄河在兰考折向东北，造成山东窄河段凌汛期先封河后开河，加之窄河段排凌能力较宽河段小，历史上在封开河期常形成冰塞冰坝，壅高水位威胁两岸防洪安全。1999年小浪底水库运用以来，因小浪底水库防凌作用和科学的防凌调度，下游河段凌情有所缓解。

1.1.2 冰凌对黄河大桥的危害

冰凌之所以对大桥安全威胁较大，其原因是桥墩结构以传递竖向荷载为主，其受力特性为竖向承载力较强、水平承载力较弱，当发生凌汛时，冰块从桥墩侧面撞击或挤压墩身，墩身侧面承受冰压力荷载，从轴压受力状态转变为偏压受力状态，容易使墩身开裂或坍塌（见图 1）。

历史上因冰凌造成的桥梁安全事故屡见不鲜，如建于1955年的京包线妨水河铁路大桥，冰凌期长达4个月，流冰期半个多月，先后在1956年和1967年两次发生冰凌破坏，共11个桥墩被剪断；1962年黄河冰凌形势严峻，河内巨大的冰排顺流而下，流经包头至兰州某铁路大桥时撞击桥墩，使桥身产生很大的震动，有关部门釆用爆破方式将上游的成堆冰排炸开，碎冰顺流而下，才使得大桥脱离险情[1]。

图1 桥墩破坏情况

1.2 防凌设计存在的问题及应对措施

1.2.1 防凌设计存在的问题

（1）对凌汛危害认识不统一。黄河大桥遍布整个黄河流域，参建的业主、设计、施工等单位众多，对凌汛危害重视程度和认识不统一。部分设计师认为随着大气持续变暖，冰凌的不利影响不断消弱。且小浪底、刘家峡、三门峡等大型水库使凌汛得到了较好的控制，工程上不必做额外的防凌措施。也有设计师虽然认为有必要设置防凌措施，但对于流冰水位的认识不足，没有一套行之有效的实地调查、理论计算的规范、流程，仅靠个人经验及当地习惯随机调查、取值。同一地区不同单位设计的黄河大桥，经常出现防凌措施不统一的情况，甚至相距不远的两座桥，一座设置了防凌设施，另一座却没设。

（2）各行业规范中防凌标准不统一。流冰水位和冰压力是控制防凌设计的两个关键参数，对桥梁的安全性、造价起着至关重要的作用。防凌设计的关键就是这两个参数的选取。

目前铁路、公路、水工规范关于墩柱的冰压力计算的规定不一。铁路规范虽然列出了5种冰压力的类别，但未详细规范其计算方法；公路规范仅对冰堆静压力做出了具体的规定；水工规范中仅规定了动冰压力及温升导致的静冰压力。

三类规范中对流冰水位的规定都较为笼统，没有较为系统的设计方法和设计流程指导大桥的防凌设计。一方面，设计单位往往根据查阅资料、现场调研及个人经验等确定流冰水位，导致不同单位、不同设计人员确定的流冰水位相差较大，进而导致冰压力计算结果相差甚远。因此，在缺乏权威部门确认流冰水位的背景下，冰压力的取值往往难以令人信服。另一方面，不同行业对凌情侧重点不同，规范中建议的计算方法也不尽相同，因而冰压力取值也就不尽相同，这样设计时可能会遗漏某些工况，增加桥梁结构度凌时的安全风险。

1.2.2 对策与措施

鉴于冰凌危害以及设计现状，笔者认为应尽早采取规范防凌设计流程、规定流冰水位的取值方法、统一冰压力计算方法等措施，对黄河大桥的防凌设计进行规范。特别是流冰水位作为关键性参数，往往控制黄河大桥的下部结构防凌设计，如能随黄河大桥防洪影响评价报告一起报送河务部门审批，则可为黄河大桥的建设提供关键的数据支撑，保证大桥的防凌安全。

2 黄河大桥防凌设计流程

目前防凌设计没有规范的设计流程，笔者根据自己十余年黄河大桥设计经验，整理了黄河大桥防凌设计的流程，见图2。

图2 黄河大桥防凌设计流程

2.1 确定流冰水位

流冰水位对冰压力的取值至关重要，设计时应以现场调研、实测资料分析与理论计算并举的方式合理确定，不能过度依赖调研数据，也不能仅仅依靠理论计算结果。调研的数据往往时间跨度大，结果比较离散，采集方式通常是人工询问、现场测量等，其误差很难控制；而理论计算中很难精确确定其边界条件，也可能有一定误差。

在防凌设计时，应调查历年封冻及开河时间、开河形势、最高和最低流冰水位，还需要调查冰塞和冰坝现象、历史上凌汛灾害情况以及流冰对上下游建筑物的影响等。

对于桥位附近有实测凌汛水位资料的情况，流冰水位宜采用实测最高凌汛水位。

对于桥位附近无实测凌汛水位资料，桥位上、下游有凌汛期流量资料的，采用凌汛期实测最大流量作为大桥防凌设计的流冰流量，采用曼宁公式或者伯努利方程推算出该流量对应水位，再考虑桥位附近流冰厚度，即可得到流冰水位。

2.2 选择适当的防凌措施

桥墩防冰凌措施有很多，比如锥形破冰体法、特殊部位补强法、冰盖开槽法、压力水射流法、保温板法、冰盖爆破法等[1]。黄河主槽摆动幅度较大，主桥桥墩数量较多，冰盖开槽、压力水射流法等主动防凌措施每年投入工作量大，且效果不好；冰盖爆破法等对大桥的安全也带来隐患。实施最方便、应用最多的是锥形破冰体法，也就是在桥墩的迎冰侧设置锥形破冰体，减小迎冰面的形状系数，降低冰压力。

2.3 分类计算冰压力荷载

不同专业规范根据各自领域的需求规定了不同的冰压力类型，本文主要参照铁路规范规定的冰压力类型[3]，并结合其他规范、文献提出计算方法。

（1）冰堆整体推移的静冰压力[4]。其计算公式为

式中：Fi为冰压力标准值kN；m为桩或墩迎冰面形状系数；Ct为冰温系数；b为桩或墩迎冰面投影宽度，m；T为计算冰厚，m；Rik为冰的抗压强度标准值，kN/m2。

（2）大面积冰层静压力[2]。即受水流和风的作用，推动大面积浮冰移动而对结构物产生的静压力（见图 3）。

图3 浮冰推移静压力示意

可根据水流方向和风向，考虑冰层面积按下式计算。

式中：P为作用于结构物的正压力，N；Ω为浮冰冰层面积，m2，一般采用历史最大值；P1为水流对冰层下表面摩阻力，Pa，取为，vs为 冰层下的流速，m/s；P2为水流对浮冰边缘的作用力，Pa，P2=/l，其中 h 为冰厚（m），l为冰层沿水流方向的平均长度（m），不得大于两倍河宽；P3为因水面坡降而对冰层产生的作用力，Pa，P3=920hi，其中 i为水面坡降；P4为风对冰层上表面摩阻力，Pa，P4=（0.001 ～ 0.002）VF，其中VF为风速，采用历史上有冰时期和水流方向基本一致的最大风速（m/s）；α为结构物迎冰面与冰流方向间的水平夹角；β为结构物迎冰面与风向间的水平夹角。

（3）冰覆盖层受到温度影响而膨胀时产生的静压力[2]。冰盖层温度上升产生膨胀而受到桥墩等结构物约束时，在桥墩周围出现冰压力。冰的膨胀压力与冰面温度、升温速率和冰盖厚度有关。冰与结构物接触面的静压力按下式确定。

式中：Pj为冰层升温时，冰与结构物接触面产生的静压力，kN；t0为冰层初始温度，℃，取冰层内温度的平均值，或取0.4t，其中t为升温开始时的气温；η为冰温上升速率，℃/h，采用冰层厚度内的温升平均值，即η=t1/s=0.4t2/s，其中s为气温变化的时间（h），t1为其间s内冰层平均温升值，t2为其间s内气温的上升值；h为冰盖层计算厚度，m，采用冰层实际厚度，但不大于0.5 m；b为墩台宽度，m；φ为系数，视冰盖层的长度l而定，见表1。

表1 系数φ与冰盖层长度L的关系

计算结果表明，升温时膨胀产生的冰压力沿垂直方向呈上大下小的倒三角形分布，其合力作用点在冰面以下1/3冰厚处。

（4）冰层因水位升降产生的竖向作用力。即冰盖层因水位上升，对桥墩、桩群产生的竖向上拔力，可按照桥墩四周冰层有效直径为50h的平板应力来推算：[2]

式中：V为上拔力，N；h为冰层厚度，m；d为桩柱或桩群直径，m。

（5）动冰压力[2]。动冰压力主要指河流流冰（见图4）在运动过程中产生的冲击动压力。流冰冲击力与冰块的抗压强度、冰层厚度、冰块尺寸、冰块运动速度及方向等因素有关。本文流冰撞击桥墩冰荷载的计算公式出自《水工建筑物抗冰冻设计规范》（GB/T 50662—2011）[5]，体积较大的流冰作用在前缘铅直的三角形独立墩柱上的动冰压力标准值可按照式（5）、式（6）来计算，冰荷载取二者较小值。

图4 流冰现场

式中：FP1为流冰切入三角形墩柱时动冰压力标准值，MN；FP2为流冰撞击三角形墩柱时动冰压力标准值，MN；m为墩柱前缘平面形状系数；fib为冰抗挤压强度，MPa，该值在流冰初期可取0.75 MPa，后期可取0.45 MPa；b为墩柱在冰作用高程上前沿的宽度，m；di为流冰的厚度，m；γ为三角形夹角的一半；v为冰块流速，m/s。

2.4 验算结构安全性

针对桥墩形式、尺寸及选用的防凌措施，根据各种工况下冰压力大小计算出桥墩的最不利工况内力值，并通过钢筋混凝土结构计算公式验算其结构安全性。

3 工程实例

3.1 工程概况

山东某黄河大桥桥位断面位于张肖堂与大道王两岸对峙险工卡口下游扩宽河段，两岸堤距宽度由1.0 km增加到3.4 km，河道断面的差异导致凌汛期卡冰阻水幅度比卡口以上河段要小。凌汛期一般在12月中、下旬开始流凌，平均流凌天数为26 d，封冻时间主要集中在12月下旬至次年1月下旬，平均封冻天数为31 d，封冻时间最长的1956—1957年度为76 d。

12月至次年2月最大日均流量为2 280 m3/s，河道比降为0.01%，糙率为0.013。

据统计，1950—2014年黄河泺口至利津河段封冻年份冰厚一般为0.15～0.30 cm，最大冰厚0.48 m。泺口、利津凌汛期冰块速度最大可达2.67 m/s，冰块尺寸一般为100 m×100 m，最大冰块尺寸为1 000 m×240 m。桥位附近河段（上、下游35 km范围内）清河镇最大冰块尺寸为500 m×150 m。

3.2 确定流冰水位

3.2.1 理论计算

根据曼宁公式，求得当凌汛洪水在17.6 m水位时出槽，出槽后流量迅速增大。由于12月至次年2月的最大日均流量仅2 280 m3/s，对应水位17.66 m，上滩仅6 cm，因此凌汛对滩地桥墩的影响甚微，可以不予考虑，仅需对主河槽桥墩进行破冰棱设计。

3.2.2 现场勘查情况

现场勘查结果表明：主河槽范围及断面相对稳定，近年来流凌时均未出现冰凌出槽现象，计算值偏于保守，能保证结构安全。

3.3 防凌措施

该桥设置破冰棱的桥墩如图5和图6所示，破冰棱按流冰水位富余1 m设置，棱角设为60°。

3.4 冰压力计算

由式（1）至式（6）可以求得各种冰压力值（见表2）。由表2可知，该桥冰的膨胀力及上拔力较小，对工程基本无影响。对该桥安全影响最大的为流冰撞击三角形墩柱时的动冰压力FP2，防凌时应作为控制工况荷载进行设计。

图5 桥墩立面布置（单位：cm）

图6 桥墩平面布置（单位：cm）

表2 冰压力计算结果 kN

3.5 结构验算

根据表2冰压力汇总内力值、桥梁上部荷载及桥墩自重，得出该桥梁墩底截面的内力值见表3（限于篇幅，计算过程略）。桥墩受力为小偏心受压状态，根据钢筋混凝土结构偏心受压公式计算，得出轴向承载能力为786 454 kN（计算过程略），大于墩底截面内力值，结构安全。

表3 墩底截面内力值

4 结 语

目前黄河大桥的防凌设计中，各行业标准不统一，设计人员认识也不尽相同，导致该项设计逐渐流于形式。本文通过总结多年来黄河大桥防凌设计经验，根据黄河凌汛特点，归纳出一套防凌设计流程，提出流冰水位和冰压力等关键性参数的计算方法，对规范黄河大桥防凌设计有一定的借鉴意义。