跨河桥梁桥墩布置与安全分析

跨河桥梁桥墩布置与安全分析

李飞 朱兵

安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司水资源与环境分院  安徽合肥  230000

摘要：跨河桥梁桥墩布置对堤防安全产生不利影响，本文以清水河特大桥改建工程为例，通过桥墩与堤防模型概化处理，对堤防在桥墩影响下的渗透及抗滑稳定进行计算分析，得到桥址处左、右堤在设计洪水工况下最大水力坡降小于规范允许水力坡降满足规范要求，左、右堤在各种工况下抗滑、防渗稳定计算均满足规范要求。

关键词：桥墩 堤防 稳定

1概述

《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）第9.3条对跨堤建筑物、构筑物作了以下规定：

（1）桥梁、渡槽、管道等跨堤建筑物、构筑物，其支墩不应布置在堤身设计断面以内。当需要布置在堤身背水坡时，必须满足堤身设计抗滑和渗流稳定的要求。

（2）上堤交通坡道和临堤航运码头与堤防连接时，不应降低堤顶高程，不应削弱堤身设计断面。设在临水侧的坡道应与水流方向一致，顺堤轴线方向傍堤坡修筑。上堤的人行或禽、畜坡道可采用砌石阶梯式或土石混合斜坡式，坡道路面应设置排水设施。

以上规定说明为了堤防的稳定和防洪安全，并且不影响堤防的加固和扩建，跨堤建筑物的支墩应布置在堤身设计断面之外。由于堤顶、临水坡是堤防工程稳定和管理运用的主要部位，在这些部位布置支墩，支墩与堤防的连接处缩短了渗透路径，增加了堤防发生渗漏、管涌的可能性，支墩的施工直接破坏了堤防，桥梁通车运行时造成的震动对堤防结构产生不利影响，因此，不应在此部位布置支墩等建筑物，避免产生不良影响。

本文结合芜宣高速清水河特大桥桥墩布设与堤防安全验算对跨河桥梁桥墩布置与堤防安全分析进行分析总结。

2、桥型方案

①总体布置

上部结构采用两跨钢连续拱桥，结合造价及功能性因素，主桥采用错孔布置，主桥跨径组合为(178+85)m，178m的主跨跨越通航范围，利用85m边跨跨越北侧大堤，南侧大堤采用多跨钢箱组合梁跨越。此方案施工速度较快，功能性和经济性好。

引桥根据需要部分利用既有桥梁桥墩，与既有桥梁对孔布置，采用30m跨钢板组合梁，因主桥桥面标高抬高，引桥共增加240m。此方案施工速度较快。

桥梁上部结构（左幅）：左幅:(6×30)m钢板梁+(5×30+28.5)m钢板梁+(49+75+49+3x35.33)m钢箱组合梁+(178+85)m钢系杆拱+(2×35+3×30)+2×(5×30)m钢板梁；(右幅）:(6×30)m钢板梁+(4×30+25.95)m钢板梁+(49+75+49+3x41.18)m钢箱组合梁+(178+85)m钢系杆拱+(3×28.33+3×30)+2×(5×30)m钢板梁； 设计桥梁全长1360m。

②上部结构

主桥为两跨钢箱下承式连续系杆拱桥，拱圈及主纵梁均采用钢箱结构，中拱肋跨径195m，边拱肋跨径95m，拱轴线采为悬链线，矢跨比为0.25，单幅两片拱，拱肋间距22.75m，拱间设风撑，钢梁部分由主纵梁、端横梁、中横梁及小纵梁共同组成钢梁格体系，桥面为正交异性桥面板，主梁建筑高度按4.5m控制，吊杆间距为7.5m。主桥下部结构为圆柱墩接承台，群桩基础。

引桥为30m跨砼预制小箱梁，桥面宽20.25m，四主梁断面，钢筋砼预制桥面板，钢主梁间距为5.5m+5.5m+5.5m，钢主梁高度为1.5m。

③下部结构

主墩为方墩接承台，群桩基础，方墩尺寸3x4m，桩径2m，引桥桥墩为柱式墩，桩基础，设置单桩承台和桩顶系梁，横向三根柱，柱径1.3m，桩径1.5m，桥台为重力式桥台，承台接群桩基础。桩基按摩擦桩设计。

3、堤防稳定分析

（1）基础资料

由地勘资料，知各土层地质参数，各土层相关参数见表1，建议允许水力比降为0.3。计算断面选取跨越处实测河道断面，断面选取参见图1、2所示，均为堤防正切断面。

 表1 各土层相关参数

  图1 桥址处左堤地质断面图

  图2 桥址处右堤地质断面图

（2）渗流计算

运行期间，桥墩建成后，由于上部荷载的扰动作用，形成了堤防与桩体之间的空隙，易产生类似接触冲刷等渗透破坏，需进行堤防渗透计算。

渗流计算思路：清水河河侧的水体顺着桩基与桩体的空隙，进入透水层。故渗流计算考虑将桩基靠河侧的土体简化为水体。

通过程序计算，得到桥墩桩体处的承压水头，根据透水层上的覆盖层厚度，计算桩体与堤防接触面出逸点的渗流坡降，如果计算所得的渗流坡降小于该土层的允许渗流坡降，说明桩体与土体之间不会发生接触冲刷破坏，如果计算所得的渗流坡降大于该土层的允许渗流坡降，说明桩体与土体之间可能会发生接触冲刷破坏，需要防渗处理。

计算选取迎水侧为最大设计水位、背水侧无水，此种工况条件为最不利情况进行渗流稳定计算，即迎水侧水位为11.47m，背水侧无水。

计算均按照《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)附录E的规定，并选用河海大学工程力学研究所研制的《水工结构有限元分析系统（AutoBank v7.1）（SG-41）》计算程序。

图3 桥址处左堤稳定渗流等势线计算简图

图4桥址处右堤稳定渗流等势线计算简图

表2 堤防渗流计算成果表

经计算，桥址处清水河左右岸堤防渗透坡降小于规范规定的允许值，桥墩处渗流稳定。

（3）堤防稳定计算

一、根据规范并结合清水河具体运用条件，选取计算工况：

1）稳定渗流期背水侧堤岸稳定。按临水侧为设计洪水位，背水侧无水考虑；

2）设计洪水位降落期临水侧堤岸稳定。按临水侧水位在24h内从设计洪水位降落2.0m，背水侧无水考虑。

3）非常运用条件：施工时期的稳定情况。

二、计算方法和结果

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)，河道边坡稳定计算采用简化毕肖普法计算。计算公式如下：

式中：

b－条块宽度(m)；

W1－在边坡外水位以上的条块重力（kN）；

W2－在边坡外水位以下的条块重力（kN）；

β－条块重力线与通过此条块底面中点的半径间的夹角(度)；

c、φ－分别为土的抗剪强度指标（kpa、度）。

采用河海大学工程力学研究所开发的土石坝稳定分析系统HH-SLOPE r1.2进行计算。由计算结果可得，堤防加固后岸坡稳定满足规范规定要求。

 表3 堤坡稳定计算成果表

4、结论

从计算成果可知，桥址处清水河左、右堤在设计洪水工况下最大水力坡降小于规范允许水力坡降满足规范要求，清水河左堤及右堤在各种工况下抗滑、防渗稳定计算均满足规范要求。

参考文献:

[1]堤防工程设计规范（GB50286-2013）.

[2]朱迪生,张光碧.安顺场防洪堤堤坡整体稳定性计算[J].四川水利,2006(4).

[3]张凤展.吹填土堤防的稳定及渗流分析[J].水利学报,2001.

[4]刘杰.土石坝渗透破坏的原因及控制措施[J].水利水电技术, 1999(3).

[5]天津大学.水工建筑物[M].北京:水利出版社,1981.