山区普速铁路桥梁冲刷水害整治方案研究

饶露 朱华中 吴天群 李昶 任一开

1.中国铁路南昌局集团有限公司，南昌330000；2.南昌铁路勘测设计院有限责任公司，南昌330002

截至2020年底我国铁路运营里程已达14.63万km，其中大部分为普速铁路。我国是一个多山国家，普速铁路中有大量山区铁路。为了节约建设成本，早期的山区铁路桥梁多采用中小跨度，常常在河道中设桥墩。山区坡度陡，雨水流速快，河中水流湍急，对墩台基础、护坡等冲刷剧烈［1］。河道长期冲刷以及河道内的挖沙采石活动，造成河床下切，又会进一步加剧桥梁基础冲刷。2011 年7 月25 日集通铁路宝木吐—巴彦塔拉段一座八孔桥东侧的第一桥墩被洪水冲毁，5趟列车被迫停运，3 800余名乘客被滞留。

山区铁路跨径为16、24、32 m 的中小桥梁易发生水害［2-3］。水害以冲刷病害为主，整治措施有墩台基础加固［4-5］、新建大跨桥梁、增设导流堤和拦沙坝等。墩台基础加固虽然可以减轻水害对桥梁的影响，但不能从根本上解决铁路桥梁水害问题。修建大跨桥梁往往采用箱形截面，梁高又受到线路标高和桥下净空限制。上游修建导流堤使水流低速通过桥孔，或者在下游河床设置拦沙坝抬高桥下河床，均只适合特定的水文地质条件［6］。

本文对峰福（横峰—福州）铁路大目溪大桥历年水害进行统计，提出四种整治方案并加以对比分析，为山区普速铁路桥梁冲刷水害整治提供参考。

1 大目溪大桥水害及加固历史

大目溪大桥于1957年建成，位于峰福铁路大目埕—白沙镇区间大目溪与闽江交汇口处，见图1。

图1 大目溪大桥平面位置示意

该桥原长89.56 m，中心里程为K368+309。原设计两台三墩共四孔梁，墩身为块石砌体结构，墩台基础形式见表1。福州端原桥台1976年报废。

表1 大目溪大桥墩台基础形式

1976 年整治改设4 号墩和新建福州端桥台后，桥长增至124.5 m。第1孔为16 m钢筋混凝土T形梁，第2孔—第5孔为4×24 m上承式钢板梁。

该地区多年平均降雨量为1 673.9 mm，桥位处降雨量丰富。大目溪流量受季节影响较大，雨季水位暴涨。目前大目溪水位还受上游水库蓄放水和闽江上游水口水电站影响，每日涨落水位差约2.0 m。

该桥自建成以来，陆续出现墩台冲刷下沉、梁端顶死等病害。大目溪大桥历年病害及整治措施见表2。该桥近20年来维修养护费用合计约2 016万元。其中桥墩整治费用约988 万元，钢板梁养护人工成本约800万元，抢险加固及桥梁维修费用约228万元。

表2 大目溪大桥历年病害及整治措施

2019 年12 月12 日大目溪大桥2 号墩承台周边河床下切最深达4.87 m，3 号墩临水侧防冲刷挡墙处河床下切最深达2.83 m，可见桥址处冲刷严重。2 号、3号墩现状见图2。

图2 2号、3号墩现状

2 大目溪大桥水文检算

大目溪大桥梁底标高H1= 21.08 m，桥下百年一遇洪水位h100= 14.30 m，桥下壅水高度Δh= 0.10 m，则桥下检定水位Hj=h100+Δh= 14.40 m。根据铁运函〔2004〕120号《铁路桥梁检定规范》［7］，按不通航亦无流筏的桥梁考虑，桥下净空高度为H1-Hj=6.68 m，远大于桥下净空最小高度限值0.25 m，说明大目溪大桥桥下净空满足行洪要求。

原设计除2 号墩外，其他墩承台顶面均埋于原河床以下。其中，2 号墩承台顶面露出原河床约1.5 m，3号墩承台顶覆土厚0 ～0.5 m。目前2号、3号墩承台均有不同程度的外露，部分承台及木桩基础露出河床面，2号、3号墩木桩顶高出测试时水面1.62、0.92 m，不满足《铁路桥梁检定规范》和TD/GW 103—2018《普速铁路桥隧建筑物修理规则》［8］中木桩顶面应位于最低水位以下至少0.5 m的要求。

3 大目溪大桥水害整治方案

大桥横峰侧第一跨混凝土T形梁经长时间使用已多处裂纹，梁体表面混凝土剥落导致钢筋外露锈蚀，钢板梁也有轻微锈蚀现象，必须加以整治。

大目溪大桥下游约100 m 即为闽江，上游水口水电站泄洪常造成支流大目溪倒灌，因此不具备修建拦沙坝的条件。

3.1 四种整治方案

方案Ⅰ：桥墩置换。针对2号、3号墩冲刷严重，在原2号、3号墩处各新建1个门式框架墩对原桥墩进行置换，框架墩采用桩基础。

方案Ⅱ：墩梁置换。考虑到原有的混凝土梁使用时间接近设计年限、钢板梁涂装养护成本较高，将横福铁路最初建设的0 号台、1 号～3 号墩均采用框架墩及桩基础置换，梁体更换为预应力钢筋混凝土槽形梁。

方案Ⅲ：上游建桥。为满足主跨一跨过河、线路高程和桥下净空的要求，与既有线并行，在现桥位的上游约15 m 处新建（40 + 64 + 40）m 槽形连续梁桥跨越大目溪，全长约1.0 km。部分线路需要改线。

方案Ⅳ：下游建桥。与方案Ⅲ的区别是在现桥位的下游约15 m 处新建（40+64+40）m 槽形连续梁桥跨越大目溪，全长约0.9 km。

方案Ⅲ和方案Ⅳ拟新建桥梁与既有桥梁孔跨布置如图3 所示。其中实线为新桥，虚线为既有桥。因方案Ⅲ和方案Ⅳ的桥跨结构和布置完全一样，仅有2个桥墩，两种方案从立面看完全重叠。

3.2 四种整治方案水文检算

根据TB 10017—1999《铁路工程水文勘测设计规范》［9］，对四种整治方案的行洪能力和基础埋深进行检算。

桥梁行洪能力可通过桥下净空来检算。四种整治方案桥下净空检算结果见表3。可知，四种方案梁底标高超出检定水位的高度远大于规范限值0.25 m，桥下净空满足规范要求，均具备百年一遇洪水安全通过能力。

表3 四种整治方案桥下净空检算结果 m

由于方案Ⅰ和方案Ⅱ的桥位、孔跨布置相同，设计的2 号、3 号框架墩及墩基础的尺寸也相同，所以这两种方案中2 号墩的冲刷计算结果接近，3 号墩亦如此，故未列出方案Ⅰ桥墩冲刷检算结果。方案Ⅱ—方案Ⅳ桥墩冲刷检算结果见表4—表6。可见：各方案拟置换或新建的桥墩桩基基底在局部冲刷线以下的埋深均远大于规范中规定的基底埋深安全值，满足规范要求。

表4 方案Ⅱ桥墩冲刷检算结果 m

表5 方案Ⅲ桥墩冲刷检算结果 m

表6 方案Ⅳ桥墩冲刷检算结果 m

3.3 整治效果、施工影响和改造成本

各方案优缺点对比见表7。可知：方案Ⅰ和方案Ⅱ虽然可以提升桥墩的抗冲刷能力，但桥墩仍在主河道中，存在水害隐患。

表7 大目溪大桥水害整治方案优缺点对比

方案Ⅲ和方案Ⅳ新建（40+64+40）m 槽形连续梁跨越大目溪，利用主跨一跨过河，主河道内不设桥墩。槽形连续梁桥面至梁底的高度小，可同时满足线路高程和桥下净空的要求，从根本上解决桥梁水害问题。

与方案Ⅲ（上游新建桥梁）相比，方案Ⅳ（下游新建桥梁）不存在房屋拆迁的问题，且工程实施难度较小，还节省投资180.24万元。

综合考虑行洪能力、冲刷整治效果、施工影响和改造成本，方案Ⅳ——下游新建（40+64+40）m 槽形连续梁桥跨越大目溪方案，综合效益最好。

4 结论与建议

1）针对峰福铁路大目溪大桥水害，提出了四种整治方案。经综合比选，下游新建（40+64+40）m 槽形连续梁桥跨越大目溪方案采用主跨一跨过河可显著提升桥梁抗水害能力，同时满足线路高程和桥下净空的要求，综合效益最好。

2）建议对中国铁路南昌局集团有限公司管内水害桥梁进行全面调研和统计，并提出相应的整治措施与分阶段实施计划，以保障铁路运输安全。