浅谈石头河灌区输水交通桥水毁修复设计要点

董至辰

（陕西石头河水利产业（集团）有限责任公司,陕西 咸阳 712000）

1 工程概况

石头河水库位于岐山、眉县、太白县三县交界处的斜峪关上游1.5 km 处,是具有防洪、灌溉、发电、供水和水产养殖的大（Ⅱ）型水利工程,为解决岐山和眉县两岸群众交通和水产养殖供水问题,水库建设期间在石头河大坝下游1.5 km处建设了一座长77 m、宽1.5 m 交通供水两用桥,被群众命名为“连心桥”。

2021 年9 月,石头河流域出现极端强降雨天气,降雨持续时间长,水库洪峰流量达到850 m3/s,泄洪流量700 m3/s。灌区工程出现多处险情,“连心桥”桥墩倾斜沉陷,供水管道破损漏水,丧失了基本功能,严重影响生产交通及水产养殖场安全,因此如何设计安全合理、经济美观的桥梁尤为重要。

2 输水交通桥损毁原因简析

正确分析工程水毁原因,对修复设计有一定预警作用,避免工程出现类似险情,通过实地勘察分析,输水工作桥损毁主要有以下三方面原因：

（1）桥墩基础埋深较浅,不稳固。原桥在建设时基础开挖较浅,未开挖到基岩,据现场开挖实际测量,桥墩底部距离基岩仍有近四米多的砂卵石层,桥墩基础在河床砂卵石上砌筑,基础不稳固,抗冲蚀能力差。

（2）原桥墩基础为浆砌石结构,加之多次维修加固,桥墩基础体型庞大宽7 m,长8.5 m（见图1）,使得桥墩迎水面面积较大,水流在桥墩处流态紊乱,上下翻滚形成较大旋涡,加剧桥墩基础掏蚀。

图1 原交通桥水毁图

（3）下游河道采石采砂降低了河道糙率,河道水流速度加大。加之桥墩宽度过大,桥洞过水断面减少,在行洪期间桥涵处的水深和流速加大,河道下切加剧,桥墩基础冲蚀外露悬空速度加大。

以上三个原因导致输水交通桥在行洪期间的垮塌,给供水生产和交通安全带来严重影响,恢复交通供水任务非常紧迫。

3 输水交通桥修复方案优劣性对比

工程修复总体原则：桥体结构安全,简单实用,充分利用原桥拆卸物资,降低建造价,桥墩采用钢筋混凝土结构,桥墩建设在河床基岩上。满足自留引水和交通功能。

3.1 两种修复方案

（1）原址拆除重建方案

①拆除水毁桥墩,原址开挖在到基岩重新浇筑C30 钢筋砼桥墩混凝土桥墩；②拆除维修原桥钢桁架及桥面板、D500供水管道并进行吊装。

（2）新址新建方案

在原交通桥下游约50 m 处新建,①新桥跨度分别为26.70 m、28.35 m、24.25 m 的3 跨,总长79.3 m；并现浇C40钢筋砼桥墩（宽1.2 m,长3 m）；③拆卸维修原桥钢桁架、钢管D500 供水管道及桥面板,并进行吊装；④购安D500 钢管,与原供水管道衔接。

3.2 修复方案比选

从施工条件及安全性、工程经济性、对河道行洪影响等方面综合比选建桥方案。

①施工安全性和施工条件比较：原址位置基岩埋深在4 m 左右,加之河道常年为渭河生态补水,原址修复施工,需要修建围堰进行基坑砂卵石开挖,开挖深度和面积较大,基坑边坡需要进行支护不利于桥墩施工安全。新址基岩埋深在1 m 左右,部分基岩外露且较为完整,施工不需要进行基坑大开挖和支护,施工安全性和质量较高,工程稳定性好。原址施工作业面上方有临时应急供水管道,下方基坑开挖工作面、作业面上下重叠,相互影响较大,难度系数高,安全隐患大,不利于施工作业。

②工程经济性比较：原址修复需开挖4 m 砂卵石层,开挖工程量大,且深基坑需进行支护和基坑渗水进行抽排,新址无需开挖支护和抽水,虽然新址建桥需要加长15 m 输水管道,经过造价比较,新址建桥造价比原址造价低。

③对河道行洪的影响比较：老桥址处河道净宽70 m,新桥址处河道净宽72.5 m,两方案交通桥修复后,按照天然河道比降和糙率进行验算,通过20 年一遇1500 m3/s 洪水,老桥过水断面有效宽度比新桥有效过水断面宽度小13.5 m,老桥处水深5.9 m,新桥水深5.1 m。新址桥水深降低0.8 m。加之新桥桥孔高度比老桥桥孔高度高1.4 m,新址建桥过流能力大于老址建桥,河道行洪相对安全。

经过两种方案比较,新址建桥在施工安全性、经济性、施工条件、行洪能力等方面较优。

4 输水交通桥新址重建设计应注意的重点问题

4.1 地质地貌调查

经现场地质地貌调查,新桥址岩石为绿泥石云母石英片岩,外露岩石有0.3 m～0.4 m 厚强风化层,部分基岩上部有小于0.8 m 的砂卵石覆盖层,基岩未见明显风化。新址河道横断面东高西低曲线平缓,而河堤西高东低。

4.2 高程控制

高程控制应考虑的两个因素：①由东向西自流输水；②桥面坡比平缓。现场高程测量新桥址河堤西高东低,在设计时必须调整桥墩高度,使输水管道形成东高西低的自流输水。为交通安全,人行桥面应平缓。现场高程测量见图2。

图2 桥管各点高程图

经综合考虑,以原输水管道东岸管底高程和新桥西岸管底高程为控制高程点,新敷设管道长度195 m,比降定为2.2‰,确定新桥东岸管道底高程为685.72 m,结合桥面坡降不大于2%的要求,调整新桥东、西岸,桥面高程,最终确定各点高程为：桥墩顶高程选择为684.23 m～684.83 m。适当调整钢桁架高度使新桥东桥面高程控制为686.2 m,西桥面高程控制为686.80 m。桥面与东西两岸分别设置缓坡连接,这样既满足输水管自流输水要求,又满足桥面平缓的要求。调整前后桥线与输水管道关系图见图3、图4。

图3 桥线与输水管道位置关系示意图（调整前）

图4 桥线与输水管道位置关系示意图（调整后）

4.3 桥墩尺寸及安全验算

4.3.1 选定桥墩尺寸

先由上部结构的宽度确定桥墩顶的长度,再按照固定桁架的支座尺寸与支座边缘到墩顶边缘的距离选定宽度,随后按照选定的墩身斜度向下放坡,最后验算桥墩强度和稳定。

初定采用1.8 m（长）×1.2 m（宽）的直墩,两端加半径为0.6 m 的半圆形端部。基础采用单层钢筋混凝土承台,层厚1 m 平面尺寸5 m×3.2 m。

4.3.2 安全验算

①上部荷载反力经计算为186.43 kN。

②计算墩身各分段重力（见表1）,其中Fi为墩身i截面面积。墩身每2 m～3 m 选取一个计算截面,按照2 m 为一个计算截面,共分为4 段（见图5）。

表1 墩身重力计算表

图5 墩身分段示意图

③墩身抗震验算

水平地震荷载计算：作用于桥墩质点i的水平地震荷载：

式中：γ为桥墩顺桥向或横桥向基本振型参与系数,经计算为1.274；β为桥墩顺桥或横桥基本周期的动力放大系数,经计算取2.25；Ci为重要性修正系数；Cz为综合影响系数；Kh

为水平地震系数,均可由规范查表查得。

经计算各质点水平地震荷载见表2。

表2 水平地震荷载计算表

横桥向水平地震力计算方式与顺桥向计算方式相同。偏心距计算经计算截面的偏心距均小于0.7y=1.05 故满足要求。

④强度计算

查阅材料强度Raj,荷载效应不利组合的设计值小于等于结构抗力效应的设计值,截面回转半径纵向力的偏心影响系数计入荷载安全系数等各项系数后的纵向力。

⑤基底应力验算

经计算,偏心距0.0403<2.0ρ,<[σ],水流冲击力

故此截面可作为“连心桥”桥墩截面使用。

5 结语

目前我国还存在类似的两用简易桥,大洪水极易造成桥梁损毁,在此类桥梁修复重建中应严把设计关。石头河水库“连心桥”按照设计方案建成后经过洪水检验,行洪顺畅,桥梁运行安全,取得了一定的社会效益与经济效益。本文详细介绍分析了承担供水与通行任务桥体重建、修复设计的要点及设计方法,以期为以后类似的工程提供一定的参考和借鉴经验。