金湖大桥初步设计中几个重大技术问题的研究

来源:铁路工程

  金湖大桥位于金湖县城的淮河入江水道,治理淮河时,将原三河改造南泄高邮湖,整个淮河流域16万km2的洪水经此流入长江,属季节性行洪河道。盐金国防公路穿过此处进入太行山脉,该河是我省除长江以外的第二大水系,设计流量15000m3/s,主河槽宽3100m,是典型的排洪河流。改造后的水流在桥址处,几乎与大堤成80°交角,因此水文复杂,下部结构设计难度大,初步设计必须解决水文计算、合理的基础设计以及经济桥型等重大技术问题。

  1复杂的水文计算

  我省水系有两类河流,一是渠化河流,主要是通航和灌溉,它受上下水闸的严格控制和调节,河床稳定,水流缓慢,水位变化小,特别是两岸已有永久性加固河堤,故而这类河流的桥长不直接取决于流量的大小,桥高与水位的关系也不大,满足通航净空即可,基础的深度则略去冲刷的影响,设计时一般不作水文计算;另一类是泄洪河流,特别是瞬时洪峰流量大、速度快、冲刷严重,桥梁的长度、高度、基础的深度等均由水文条件决定。金湖大桥淮河入江水道正是后者,水文计算是总体设计中的关键。

  ?由桥址处15000m3/s流量时的速度等高线分布图可以看出,入江水道东堤是洪峰的迎峰面,洪峰撞击东大堤后,折向西大堤,东堤下的东偏泓水流紊乱,流速等高线密集,水头落差大,流速变化快,涡流现象十分显著。最大流速达1.8m/s,而上下游不远处流速不足1.0m/s,显然该区域应引起足够的重视,属最危险区。桥跨必须加大,必须避免由于桥梁跨度不足而进一步增大流速的现象。由东偏泓向西,大桥与漫水路斜交35°左右,该路与东偏泓水闸都高于河底,从而提高了上游的水位,增加了水深(用于灌溉),因而洪峰经过时,提高了落差,增大了流速,故漫水公路下游的冲刷就不可忽视,该区域流速达?1.3~1.5m/s?,影响范围沿桥长约500m左右。第三个区域是西大堤段,洪峰流速已降低至1.0~1.2m/s,属正常水流区。

  由此可知:①须分三个区域分别计算流量、流速与冲刷;②主河槽桥跨的布置可设计为40+3×70+40m为连续结构,因水深超过4m,推荐采用斜拉桁架连续梁;③在不压缩过水断面的前提下,单跨以30m较好,这样主河槽的桥长约3150m。?

  第Ⅰ区域是东偏泓区,长约480m,过水面积3011m2,最大流速1.75m/s,平均流速1.54m/s,设计最高洪峰时,通过区域的流量为4643m3/s,桥长仅占全桥的15.6%,而流量却占总流量的31%。也就是说,东偏泓1/6.5的桥长,须通过近1/3的流量。最能表达这一特性的水文参数是单宽流量qc,该区域的平均单宽流量高达9.67m3/s,与其相对应的单孔桥跨应在60~100m之间,本桥设计为70m跨径,满足要求。

  根据《公路桥位勘测设计规范》在主流深泓线上不宜布设桥墩的规定,该段有两条水深超过8.5m的深泓线(设计水位时),且相距199.1m,故主河槽必须布设三跨70m主跨,方能跨越该深泓线,因此主桥中的主跨布置为40+3×70+40m斜拉桁架连续梁是适宜的(见图1)。

  第Ⅱ区域,可称为漫水公路区域(桥与漫水路交叉区),这段桥长约1200m,最大流速1.5m/s,平均流速1.35m/s,流量7035m3/s,占总流量的46.9%,平均单宽流量为5.86m3/s,与其对应的单孔跨度20~40m,本桥采用30m预应力简支T梁。?

  第Ⅲ区域为其余1420m的桥跨区,流速1.165m3/s,流量3322m3/s,占全部流量的22.1%,平均单宽流量为2.34m3/s,与其相对应的单孔跨度约20m,为不压缩水流,本桥仍用30mT梁,同Ⅱ区域。?

  这样,位于两大堤之间的主桥即为2×20+89×30+40+3×70+40+3×20+3×10m,西大堤以外的引桥为9孔20m简支预应力空心板,全桥总长3293.38m。?

  桥梁基础埋置深度的确定,须进行冲刷计算,由于三个区域的流速、跨度、下部结构均不同,故也应分别计算。冲刷计算有两部分内容,一是一般冲刷,二是局部冲刷。我国常用的是铁三院的推荐公式,地质钻探资料表明,河床是粘性土,因此按“公路桥位勘测设计规范”的规定,一般冲刷公式为:

  式中:hp—为一般冲刷后的水深(冲止时的水深);

  hmax—桥下河槽最大水深(原始断面);

  hc—桥下河槽平均水深(原始断面);

  A—单宽流量集中系数,其中:B为平摊时河槽水面宽度,H为河槽平均水深;

  Q2—河槽部分通过的设计流量m3/s,最高洪水位时Q2=OP,QP=15000m3/s;

  μ—桥墩水流侧向压缩系数,μ=0.99;

  B′C—桥下河槽部分桥孔过水净宽,m;

  IL—粘性土液性指数。?

  局部冲刷公式为:

  hb=ξB10.6IC1.25V

  式中:hb—局部冲刷深度;?

  Kξ—墩形系数;?

  B1—桥墩计算宽度;?

  IC—粘性土液性指数;?

  V—一般冲刷后墩前行近流速。

  式中:E—与汛期含沙量有关的系数;?

  d—河床泥沙平均粒径。?

  区域计算结果见表1。

  单位:m表1

  区域

  冲刷Ⅰ区

  (东偏泓)Ⅱ区

  (漫水路)Ⅲ区

  (西偏泓)Ⅲ区

  (其它)

  一般冲

  刷深度3.352.891.971.23

  局部冲

  刷深度0.670.490.530.36

  总冲刷

  深度

  4.023.382.501.59

  安全值1.501.501.501.50

  合计5.524.884.003.09

  总体设计中桩底高程的确定,实际是桩长的确定。它由两部分组成:一部分是表1中的合计长度,即总冲刷+安全值(正常情况可为零);第二部分是承载力所需的长度。?

  总体设计中桥高的确定,实际是梁底高程的确定,在排洪河流上,梁底高程=设计洪水位(300年一遇)+雍水高度+1/2浪高+安全值。由于受上游三河闸控制,漂浮物高度可以不计。