戈壁荒漠区桥梁水毁修复及加固方案设计

冯 超，谭 威

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 乌鲁木齐市 830006)

0 引言

近年来，随着我国不断加强沙化土地治理力度，生态环境逐步改善，荒漠化防治取得显著成绩，荒漠化和沙化面积实现“双缩减”，但我国是世界上荒漠化最严重的国家之一，荒漠化土地面积占陆地国土面积的1/4，其中以新疆分布面积最广[1-2]。

新疆虽然位于内陆干旱区，但由于其三山夹两盆地地形特点，加之境内山脉高耸，截获了较多的水汽，因而山区极易形成降水。高海拔区域在低温条件影响下，降水会形成积雪、冰川，随着气温升高融化后形成季节性冰雪融水洪水；中低山带则多暴雨，常形成暴雨洪水和泥石流，结合各种特殊自然地理条件，汇聚形成各种类型突发性洪水，造成荒漠戈壁区公路桥梁水毁现象频发，因此戈壁荒漠区桥梁水毁如何修复成为了亟需重点考虑的难题。

1 桥梁水毁形式

桥梁水毁的主要形式有[3-4]：

(1)由于桥孔跨境设计不足，导致泄洪、输砂不畅，造成桥前大量壅水，桥下冲刷严重，墩台外露；部分含沙量较大的河流则会出现桥下泥沙大量淤积，阻塞桥孔的现象。

(2)墩台扩大基础因埋深不足，其底部被冲蚀后发生沉陷或倾覆。

(3)洪水流量超过桥跨过水能力或河道迁移造成洪水迂回冲断桥后路基。

(4)洪水中夹杂浮木、块石等漂浮物，与桥墩发生碰撞，造成墩身损坏。

(5)桥前壅水过高，对桥梁产生过大的推力和浮力，造成桥梁被推倒冲毁。

2 工程概况

某戈壁荒漠区桥梁位于新疆南疆地区，地处昆仑山北麓，塔克拉玛干沙漠南缘，地表特征为荒戈壁，植被非常稀疏，地质状况以细砂为主，夹杂圆砾、卵石。本桥上跨一大型冲沟，桥跨为5-20.0m，上部结构采用装配式预应力混凝土空心板，下部采用柱式墩、肋式桥台，桩基础。设计荷载为公路-Ⅱ级，设计洪水频率为1/50。

3 戈壁荒漠区桥梁水毁成因

导致戈壁荒漠区桥梁水毁形成的原因是多方面的，是由特定的地质、地貌、水文气象等自然因素与人为因素共同作用所产生的结果。

3.1 自然原因

水毁灾害主要发生在气温较高、降水量相对多的6月份至9月份，持续的高温，造成昆仑山高山区冰川、永久性积雪及中低山区的冬季积雪大范围快速消融，加之昆仑山北麓自然坡度大，地表植被少，地面组织多为经过风化的松疏物质，砂砾石裸露，水土保持能力差，冰雪融水汇流快，水流速度大，极易于山前汇集形成融雪性洪水。

3.2 桥梁建设自身原因

由于桥梁的修建对原有河道进行了较大程度压缩，造成桥下水流速度加快，加之河道地表以下9m地质均以粉砂为主，抗冲击能力差，洪水造成河床下切近6m，从而导致桥墩桩基外露，导流坝基础冲刷掏空，对桥梁结构正常使用造成安全隐患。为避免结构物进一步损坏，洪水过后养护单位对桥墩冲刷、掏空部分进行了回填，但简单的回填处理无法解决冲刷造成的病害影响，需对桥梁构造物进行修复、加固，并采取一定措施防止水毁的再次发生。

图1 典型桥梁水毁病害

4 戈壁荒漠区桥梁修复方案分析

通过现场对该桥的平面位置、高程、结构外观、几何尺寸以及混凝土强度、保护层厚度及钢筋偏位等详细和针对性检查，该桥目前虽经洪水冲刷下切严重，但尚未发生明显的水平及竖向变位;主要承重构件的几何尺寸与设计基本相符，但外观较差，存在跑模、蜂窝麻面、色差严重等现象；结构混凝土强度等级与设计基本相符。

4.1 上部结构修复

桥梁上部结构空心板底部存在纵向开裂，部分梁板板底伴有不规则干缩裂缝，虽裂缝造成梁板刚度一定程度下降，但经检测其强度和刚度基本符合设计等级要求;另外支座存在开裂、剪切变形病害。

针对上部结构存在病害，提出处置方案如下：对梁板宽度大于0.15mm的裂缝进行压力灌胶处理，小于0.15mm的裂缝进行表面封闭处理，此外对破损的支座进行更换。

4.2 桥墩加固方案

桥梁下部结构墩柱存在较多网状开裂，其中以网状开裂中的纵向裂缝为主。桥墩表面裂缝对桥梁承载能力影响不大，但会造成桥墩混凝土、钢筋耐久性下降。此外，受河床冲刷下切影响，桩基外露近6m，虽然设计过程中考虑了桩基冲刷影响，适当加长了桩基长度，经验算现有桩基有效桩长可满足承载力需求，但对整体基础承载力及耐久性仍存在一定的安全隐患。故拟采用增大截面法对受冲刷桥墩进行加固处理，提高基础承载能力和抗弯能力。鉴于洪水中夹杂有卵砾石，为避免其对墩身造成撞击破坏，于桥墩墩柱及桩基外侧包裹钢板进行防护。具体加固方式如图2所示。

图2 桥墩加固方案示意图

如图3所示，对桥墩墩柱、桩基系梁及2m长桩基进行外包钢板防护，钢板与墩身间距10cm，采用C30小石子混凝土填充。施工前需将墩身表面进行凿毛处理，以增强粘结性。钢板内侧焊接10cm定位钢筋，以保证与墩身间距，每段钢板高1.5m，施工时先安装固定钢板，再从下向上进行逐层浇注。每块钢板为半圆两两焊接，相邻两层的竖向接缝应错开。

图3 钢板大样图

4.3 河床修复加固

受洪水冲蚀，桥位处河道下切近6m，虽然养护部门已对下切河床进行回填处理，但单纯的回填无法应对下次洪水冲刷。

拟对桥梁内上游15m至下游40m范围内回填后河床进行压实整平，结合地形满河床铺设格宾网护垫，以此加固河床，提高河床抗冲刷能力；为避免格宾网下部冲刷、掏蚀破坏，增强格宾网铺砌耐久性，于上游格宾网边缘设置2m深垂裙，并于下游设置抛石防护，具体方案如图4所示。

图4 格宾网铺砌横断面示意图

格宾网护垫一般是由耐磨强度高的镀锌钢丝、铝锌合金钢丝或者包塑钢丝编织的蜂巢式网片构成，可根据需求加工成不同尺寸的网箱，并于施工现场向网箱内填充质地坚硬无风化，块径不小于网格大小石料，石料间空隙用小块石填塞，保证填充石料饱满密实，均匀无架空。

格宾网护垫是作为一种常用的柔性防护结构体系，具有透水性好，抗冲刷、冲击能力强，建筑成本较低，施工便捷的特点，且因其具有一定弯曲变形能力，能适应砂卵石基础的不均匀沉降，已逐步成为中、小河流河道治理普遍采用的一种结构形式。

5 戈壁荒漠区桥梁设计阶段水毁防治建议

通过深入分析水毁成因，不难发现，造成公路桥梁水毁的原因虽然是多方面的，但究其主要原因，或是由于设计依据与实际情况不符，或是桥梁遭受设计时未能预料的水利条件，可见，设计阶段对桥梁水毁予以充分重视，采取必要的预防措施，可减小甚至根治水毁对桥梁构造物的危害。

桥梁设计阶段水毁防治需着重以下几个方面：

(1)桥位应尽量选择河道顺直、水流稳定，河床土质坚实的河段。

(2)加强水文地质调查，充分了解河道特性，准确把握河道历史最高洪水位、洪水比降、流域面积、糙率等水文要素，以及洪水过后河床冲淤变化情况，对未来数年桥位处河道演变进行充分考虑。对河床土质进行取样调查，分析确定土质特性及平均粒径。

(3)除以水文地质调查资料为依据，进行桥孔水利计算，确定桥跨最小净长度外，还应结合桥位地形、河床地质、河道演变、桥前壅水、冲刷深度等情况，综合分析论证后确定桥孔合理长度。

(4)墩台基础埋置深度需根据桥位河段具体情况，取河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷的最不利组合，作为确定墩台基础埋深的依据。保证最小埋置深度，确保冲刷后墩台基础的稳定性和可靠性。

(5)桥梁设计不应仅局限于桥梁主体设计，还应重视附属调治构造物的设计，如通过设置导流坝对河道进行合理分流；通过设置丁坝，加速泥沙沉积，防止水流对河岸冲刷等。此外对于戈壁荒漠区河床，由于土质易被冲刷，设计过程中可考虑对河床进行铺砌加固。

6 结语

戈壁荒漠区因其特殊的水文、地质条件，公路桥梁水毁问题较为严重。水毁作为桥梁使用过程中所产生的较大的质量问题，如处理不及时，处理方式不当，极易引起重大安全事故，必须予以充分的重视。以某戈壁区水毁桥梁修复工程为研究背景，首先总结了戈壁区桥梁水毁的主要成因，然后分别从桥梁上部结构、桥墩、河床三个方面对水毁修复加固方案进行了研究，最后提出了桥梁前期设计阶段预防水毁的几点建议，以期为同地区桥梁设计以及水毁修复加固提供参考。