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1、山区地质灾害对桥梁的影响分析学院：土木建筑工程学院姓名：*班级：*学号：*指导老师：*山区地质灾害对桥梁的影响分析摘要：随着我国交通的迅猛发展，以及西部大开发战略的实施，我国在山区修建的桥梁越来越多。山区桥梁，相对于平原区的桥梁，更加受到复杂的地形、地貌、地质、气象、水文等自然条件的影响，而山区作为地质灾害的高发地区，地质问题对桥梁施工、使用及后期维护都有着巨大的影响，甚至造成毁灭性的灾害，给人们的生命和财产带来不可挽回的损失。本文就在山区频发且对桥梁安全影响较大的地震及泥石流等自然地质灾害对桥梁的影响及防治措施进行浅要的分析。关键词：山区桥梁； 地质灾害； 地震； 泥石流； 影响； 防治措施
2、Abstract：With the rapid development of our country traffic，and the implementation of the western development strategy，our country built more and more bridges in the mountains. The mountain bridge, relative to the plain area of the bridge，the effects of complex topography, landforms, geology, meteoro
3、logy, hydrology and natural conditions，and as the geological disasters in the mountainous regions ，geological problems of bridge construction, use and maintenance of late have great influence，even a devastating disaster，and life and property caused irreparable damage to the people. This article in t
4、he mountains and the safety of the bridge frequently affect larger earthquake and debris flow and other natural geological disasters on the bridge and the effect of control measures were analyzed.Key word: the mountain bridge; geological disasters; earthquake; debris flow; influence; prevention meas
5、ures1 前言交通是国民经济和社会发展的先导，在繁荣济、提高人民生活质量方面起着至关重要的作用。近些年，全国交通系统抓住国家加大基础设施投入的难得机遇，桥梁建设取得了前所未有的大发展。随着我国交通的迅猛发展，以及西部大开发战略的实施，我国在山区修建的桥梁越来越多。在桥梁建设大规模向山区发展、建设难度不断增大的新形势下，其中遇到的地质灾害问题也越来越显著。山区桥梁主要特点是地形、地质、水文条件复杂。地形复杂：表现为沟壑众多、地面高差变化大、横坡陡。地质复杂：表现为滑坡、崩塌、泥石流、岩溶、陡崖、断层等不良地质不同程度存在，岩性、岩石风化程度各有不同。水文复杂：表现为水系众多水文地质、暴雨、洪水
6、、泥沙沿路线不尽相同。其中尤以在山区频发且破坏性大的地震、滑坡及泥石流对桥梁的影响尤其重大，给人们的生命财产带来了不可挽回的损失，甚至造成毁灭性的破坏。因此，为保障人们的生命财产以及延长桥梁的使用寿命，对地质灾害的预报及灾后的治理就显得极为重要。2 桥梁典型病害分析2.1 桥面系病害2.1.1 桥面系病害特征及成因桥面铺装层直接承受梁体变形、行车荷载、环境因素的作用，其应力分布和变形特征与主梁及桥面结构形式密切相关。桥面铺装一方面可扩散荷载，直接参与桥面板的受力;另一方面连同主梁共同受力，是桥梁的直接受力层和保护层，所以要求其具有良好的整体性和足够的强度，并具有足够的抗冲击、抗裂性和耐磨性能。
7、 国内在柔性路面的公路桥梁中一般采用沥青混凝土铺装，而且刚性铺装层则用在高等级公路桥梁中。我国南方由十夏季高温多雨，桥面铺装较容易出现水毁和车辙破坏；北方地区冬季多雨雪、气候寒冷，桥面铺装的病害主要是由十混凝土的收缩产生的裂缝，雪水渗入裂缝后在冻融循环作用下更加剧裂缝的开展。2.1.2 沿主梁(板)接缝纵向开裂及成因调查发现，高速公路行车道位置的桥面铺装普遍存在纵向裂缝，中小跨径的板桥桥面铺装的纵向裂缝多位十主梁腹板、顶板和板梁纵向接缝位置，见图2.1，最大裂缝宽达15mm。此种病害大大削弱了桥梁的横向刚度，使得荷载横向分布不均匀，在大量的行车荷载反复作用下，容易造成单板受力。同样的荷载等级，
8、单板承受的最大活荷载增大40% 70%，从而导致桥梁整体承载能力严重下降。桥面的开裂同时导致雨水下渗，腐蚀主梁，影响结构的耐久性。图2.1 铰缝处纵向开裂病害原因:与桥梁主体结构的设计和施工相比，桥面铺装层结构设计与施工技术的研究相当薄弱。由十目前桥面铺装层没有进行严格的计算，没有按主受力截面来配筋，其设计理论具有一定的局限性。另外，高等级公路桥梁的横向宽度越来越宽，若未充分考虑空间双向受力，横向构造措施不利也会使铺装层分担过多的次应力而且导致桥面开裂。就空心板桥而言，板间横向传力主要靠铺装层和铰缝，铰缝混凝土和空心板混凝土由十浇注的时间不一样，龄期不一致导致刚度不一样，同时空心板有预应力导致
9、混凝土的变形不一致，从而导致铰缝混凝土开裂，在温度和车辆荷载的作用下，反射到桥面铺装导致接缝处的桥面铺装开裂。按旧规范设计的空心板桥一般采用浅铰缝，其相应的横向刚度较小，更易在铰缝处出现纵向裂缝。另外由十车辆分上下行，桥面中线板缝处受重复荷载作用的次数比其它位置高出数倍，所以中线处纵缝开裂最为严重。2.1.3 桥面铺装层横桥向开裂及成因桥面铺装层的横向裂缝是半刚性基层沥青混凝土路面的典型病害，类似十刚性路面的“断板”。裂缝主要发生距伸缩缝12m范围内，一般距伸缩缝2050cm发生一道，多位十主梁(板)支座上部。对十跨径较大的梁式桥，跨中部位也可能发生横向开裂的现象，见图2.2.图2.2 桥面横
10、向裂缝桥面铺装横向开裂的主要原因:长期的车辆荷载冲击作用，导致铺装层啃边。正常使用阶段，简支梁桥在活荷载作用时梁端支座会产生压缩变形，加上梁体结构温度效应和收缩徐变，尤其是降温时面层收缩，容易导致铺装层内部纵向拉应力过大，超过混凝土的极限拉应力而导致开裂。当铺装层太薄弱目_没有足够的钢筋连接以承受荷载冲击时，横向裂缝必然要发生，一般运营58年后，桥面铺装层横向开裂已较为严重。由十不间断的车辆冲击，横向裂缝不断扩展，出现数道横向裂缝，并反射到基层，再经受长期的雨水冲刷，便出现局部坑槽。设计时，铺装层钢筋直径、间距不恰当，施工时混凝土分层，粗骨料难以下漏，振捣不密实，一经荷载作用便出现坑槽。据调查
11、京珠高速公路湖南段的多座桥梁出现坑槽，维修处理后仍反复出现，主要是由十交通量过大、超载fn导致路面破坏。2.2 上部结构病害混凝土桥梁结构主梁的病害，根据其结构类型、施工方法、横向连接方式、桥位处气候、地质条件以及运营情况等的不同，其产生的种类、部位和程度也不同，部分病害直接影响结构的使用性能。混凝土梁式桥中的主要缺陷有开裂、坑槽、剥落、露筋、锈蚀、蜂窝麻面等。即使一般认为对结构受力影响很小的微裂缝，也会对结构的耐久性产生深远影响，由十雨水、空气中的二氧化碳或其他气体的不断渗入，与钢筋或混凝土中的某些成分发生缓慢的化学反应，使钢筋产生锈蚀膨胀，裂缝增大，导致混凝土材料性质不断变坏。湖南省高速公
12、路中主要桥型结构形式有空心板桥、肋板桥、箱梁桥，中、小跨径桥梁一般采用空心板，30米以上跨径一般采用小箱梁、T梁，其承载能力高、施工方便，邵怀高速桥梁中几乎全部是装配式T梁桥。病害统计结果显示，上部承重结构出现病害的桥梁占24.2%，此类病害多出现在长联、多跨桥梁中，梁桥的主要病害为梁底横向裂缝、梁侧面出现竖向裂缝、两T梁连接处混凝土脱落、露筋等。板桥的病害主要是企口缝损坏引起单板受力，表现为板底横、纵向裂缝及渗水现象。跨中及支座处的裂缝主要是结构裂缝，而其余位置处的裂缝主要是非结构裂缝。2.2.1空心板桥的病害湖南省高速公路桥梁中广泛使用装配式预应力混凝土空心板桥，为保证各板共同承受荷载，这
13、种结构的板与板之间必须加设合适的横向连接构造。以前大量采用小企口缝空心板，但随着荷载等级的提高，重载车辆的增加，这种桥梁结构出现了不同程度的病害。在统计的桥梁中，空心板桥的结构裂缝较常见。 除上述结构裂缝外，空心板顶板混凝土常出现破损或空洞，主要是因为顶板过薄，或铺装层的局部损毁。边梁的混凝土剥落、露筋现象也较常见，边梁外侧由十不断遭受雨水的侵蚀，导致混凝土松散，钢筋锈蚀。长潭高速公路的安子坪桥边梁底的混凝土严重剥落，钢筋锈蚀外露。其次空心板铰缝渗水现象普遍，有的桥未设置排水孔，导致水沿裂缝渗出，并在渗水处形成大量混凝土析出物。2.2.2 T型梁的病害 在高速公路桥中，中桥、大桥一般采用T梁，
14、主要的病害有； (1)在未设或设置横隔板较少的桥梁中，桥面纵向裂缝较普遍，一般出现在T梁与T梁之间的接缝处，有的甚至贯通桥面，主要是因为梁的横向刚度差，在车辆荷载的反复作用下横向连接失效； (2)腹板下缘竖向裂缝及施工不规范导致的腹板蜂窝、麻面;在接近支座或横隔板处，腹板两侧出现斜裂缝，见图2.3 ； (4)下马蹄处的混凝土剥落、露筋现象也比较常见，主要出现在边梁的梁底，见图2.4；图2.3 T梁腹板斜裂缝图2.4 T梁底露筋2.3 墩台常见病害桥墩、桥台将上部结构的荷载传递给基础;桥台连接桥梁与路堤，并承受桥头填土的土压力，相当十挡土墙的作用;桥墩则连接相邻两孔的桥跨结构。桥梁的上部结构的变
15、化和影响，基础以下结构的变化与影响，都将会对墩台产生影响和损坏。桥墩和桥台的强度和稳定性在一定程度上也决定了桥梁的耐久性。对十高墩大跨桥梁，墩台一旦失稳，将造成桥梁的坍塌;如果墩台承载能力不足，或出现倾斜、沉降、位移及转动，将引起上部结构的破坏，严重时会导致整座桥梁的坍塌。调查显示:墩台缺陷与病害主要有承载能力不足、沉降、倾斜、易动、转动及开裂等，墩台及基础出现病害的桥梁占28.4%。2.3.1桥梁墩台倾斜变位及成因桥梁下部结构的主要病害是墩台倾斜、变位，图2.5为桥墩倾斜现象，平原区桥梁的墩台倾斜主要是由十流水冲刷、软土病害等造成的，而山区桥梁除了山洪的季节性冲刷外，主要是滑坡、泥石流、崩塌
16、等不良地质灾害引起的。墩台的倾斜直接影响上部结构受力，特别是对十山区的高墩大跨或弯桥、斜桥等异型桥梁，桥梁墩台的微小位移或倾斜都有可能导致上部结构的破坏。图2.5 桥墩墩柱倾斜 桥梁的下部结构的结构形式由十地形地质的限制且呈现多样化，病害原因也较复杂。墩台倾斜变位的原因除了设计原因、施工原因，有突发性的山洪、泥石流等的冲刷，在不良地质灾害区，还要遭受滑坡、崩塌等岩体的冲击。 (1)山洪和泥石流具有很大的随机性，而且其规模难以预测，另外因建桥压缩河道造成的局部冲刷，对下部结构的破坏性也不容忽视。 (2)对十河流弯道上的桥梁，由十河流改道及水流的长期作用，桥台锥坡基础在迎水面处更易被冲刷淘空，导致
17、基础变位。 因此桥位勘察时墩台处的钻孔深度和位置要合理，及时发现不良地质情况，并采取相应的防治措施。设计时选择合适的桥位、桥型，合理分跨，减少对沟谷河道的压缩，跨越不良地质灾害区，可以有效避免严重破坏。对十不稳定的边坡首先要进行加固设计，防止坡体下滑对墩台产生冲击，导致其倾斜或位移。2.3.2墩台身裂缝及成因 桥梁墩台在施工时由十水化热、外部温度变化等影响下会产生裂缝，对大桥或特大桥的大体积混凝土下部结构，水化热及混凝土自身的收缩、特别是徐变就会产生大量的裂缝。桥梁运营使用过程中，由十地震、船只撞击等外力剧烈作用时也会出现各种不同的裂缝，严重的将被剪断。岩溶、软土等不良地质环境将导致基础不均匀
18、沉降，从而使桥梁墩台产生不同程度的破坏。3 地质灾害对桥梁影响分析3.1 地震对桥梁影响分析3.1.1 桥梁的震害3.1.1.1 公路桥梁的震害（1）落梁:连续梁和简支梁落梁，破坏(桥例见图3.1)。（2）拱桥破坏:从破坏现象看，因落梁或者拱腿断裂所致(桥例见图3.2)。（3）移位支座滑动和梁体滑移(桥例见图3.3)。（4）碰撞破坏:梁与梁之间、梁与挡块之间的碰撞导致伸缩逢和挡块的破坏(桥例见图3.4)。（5）墩台破坏:墩柱、节点和桥台的破坏(桥例见图3.5)。 图3.1 落梁图3.2 垮桥图3.3 支座滑动和梁体滑移图3.4 梁与挡块之间的碰撞导致挡块的破坏图3.5 墩柱的破坏3.1.1.2
19、 铁路桥梁的震害（1）支座破坏。支座螺栓被剪断、被拔出；支座限位装置破坏；辊轴支座上、下摆错位(桥例见图3.6)。（2）墩台破坏。墩身出现贯通的环状裂缝；墩身混凝土局部崩裂；桥墩侧倾移位；桥台移位等(桥例见图3.7)。（3）落梁(桥例见图3.8)。图3.6 支座破坏图3.7 墩台破坏图3.8 落梁3.1.2 桥梁震害机理分析（1）公路桥梁震害重，铁路桥梁震害轻:铁路桥梁与公路桥梁相比:前者活载重，后者活载轻，由此决定了铁路桥梁的列车活载占整个桥梁的荷载比例较大，再加上列车的车桥振动的影响，有安全性和舒适性的硬性要求，因此，铁路桥梁的桥墩往往设计得“又粗又大”，基础“又深又宽”；反观公路桥梁，由
20、于其活载占整个桥梁的荷载比例较小，相比较而言的是其桥墩的设计往往是“又细又小”，基础是“又浅又窄”。基础的深浅，直接导致地震波的输入的大小，基础越深，越接近“基岩”，输入到结构上的地震动峰值加速度相对较小，基础越浅，越接近地表，输入到结构上的地震动峰值加速度是经过放大了的，比基岩处的要大。公路桥梁桥墩和基础的易损性和输入较大的场地地震动参数的实际情况，决定了公路桥梁在地震作用下的危害性较大；相对地，铁路桥梁桥墩和基础的特点，导致其抗震性能的提高，再加上输入较小的场地地震动参数的实际情况，因此，铁路桥梁在地震作用下的危害性相对较小。（2）桥梁的震害具有明显的方向性:在地震震中区，由于场地的地震波
21、能量巨大，无论什么结构均要受到严峻的考验，都要发生较大地破坏，但是与断裂带几乎平行的桥梁震害并不严重，表明地震具有明显的方向性。（3）地震次生灾害山体滑坡和崩塌对沿溪沿河的桥梁损害较大。3.1.3 减隔震技术的应用研究与房屋和公路桥梁不同的是，铁路桥梁有列车行驶的安全性和舒适性的特别要求，为了满足这一特别要求，铁路桥梁结构必须具备“刚度大”的特点，即要求结构具有足够的横向刚度，与此相对应的是：铁路桥梁因刚度大导致其结构的地震响应比公路桥梁的地震响应大得多，为了减小结构的地震响应，采用减隔震技术就成了必然的选择途径之一；但隔震技术是以延长结构自振周期来实现的，可见，减小结构的地震响应要求结构变“
22、柔”，保证桥梁的正常安全运营要求结构变“刚”，二者的要求正好相反，因此，如何处理好铁路桥梁结构的抗震性能和横向刚度这一对矛盾，是隔震技术在铁路桥梁中能否广泛应用的关键所在。3.1.3.1 减隔震技术的机理减小桥梁结构地震响应的有效途径主要有如下两条：（1）延性设计方法，通过在构件的合适位置设定塑性铰和仔细设计构件的细部构造，可以达到在地震作用下结构的整体性和防止结构倒塌的发生。但采用延性设计，不可避免地使结构出现损伤。（2）结构控制方法，包括被动控制技术、主动控制技术、混合控制技术等，近几十年来发展起来的减隔震技术是运用结构被动控制的原理在土木工程结构中实现减小结构地震响应的有效方法。减隔震技
23、术是通过采用减隔震装置来尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来，减少传递到上部结构的地震作用和能量。在实际工程应用中，大跨度柔性结构往往采用提供适当阻尼的方法，如采用具有减震耗能的粘滞液体阻尼器、弹塑性软钢阻尼支座、LUB速度锁定支座、调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器（TLD）等装置来实现减小结构的地震响应的目的；而对于普通的小跨度梁式结构，则是采用增加系统的柔性的方法，如采用叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座等装置实现隔震，从而减小结构地震响应的目的。3.1.3.2 减隔震技术的应用3.1.3.2.1 减震支座（装置）的应用状况减震技术是通过在梁体与桥塔、桥墩、桥
24、台的连接处安装水平柔性支撑，耗散地震输入能量，减小地震对桥梁主体结构的破坏。减震支座应具有如下的功能：（1）减震支座除了满足普通支座的功能外，在列车制动力、风荷载和中、小地震作用下，桥梁结构应具有足够的水平刚度以满足铁路桥梁的使用要求；（2）在大震作用下，随着桥梁结构水平位移的增加，耗能（阻尼）装置进入耗能状态，大量耗散输入给桥梁结构的地震能量，减小结构的地震响应。减震支座具有如下的优点：（1） 技术的合理性（相对于传统的抗震设计方法）；（2） 结构的安全性（耗能装置属承重构件，对桥梁结构的安全性不构成威胁）；（3） 安装的简便性（减震装置的安装简单、施工周期短、对结构的影响小）；（4） 使用
25、的经济性（与增加结构强度来达到抗震目的相比，可以节约桥梁的工程造价）。减震支座的类型：减震支座类型较多，目前，适合在铁路桥梁上使用的减震支座的类型主要有如下几种：（1）弹塑性软钢阻尼支座在大震作用下，利用金属材料（软钢）的塑性变形，耗散输入桥梁结构中的能量，从而达到减震的目的。弹塑性软钢阻尼支座是在弹塑性软钢阻尼器的基础上研发的一种新型支座，按形状分为E型和C型两种，如图3.9和3.10。图3.9 E型钢阻尼支座图3.10 C型钢阻尼支座（2）LUB速度锁定支座在变化速度较快的地震作用、列车制动力、风荷载作用下，LUB速度锁定支座能将上部结构传给桥墩的地震作用合理地分配到多个桥墩，改变了连续梁
26、桥仅由一个固定桥墩承担上部结构的惯性力的不合理状况。LUB速度锁定支座如图3.11所示。图3.11 LUB速度锁定支座（3）粘滞液体阻尼器粘滞液体阻尼器有如下的特点：1）高速度下，可消耗大量能量，但不给桥梁结构附加任何刚度。2）低速度下，不影响结构的小位移。3）有阻尼系数调整幅度大、工程应用广泛、产品稳定性好、施工维修方便等技术优势。粘滞液体阻尼器如图3.12所示。图3.12 粘滞液体阻尼器3.1.3.2.2 隔震支座（装置）的应用状况隔震技术是利用隔震层隔断地震作用由桥墩向梁体的传播，通过延长结构周期，增加耗能能力来实现的，从而达到减小地震对桥梁主体结构破坏的目的。隔震支座的特点（1）采用隔
27、震支座，可保证上部结构的变形在弹性范围内，确保了桥梁结构的安全性；（2）由于隔震支座延长了结构的自振周期，故在列车制动力、风荷载和中、小地震作用下，桥梁结构应具有足够的水平刚度难于满足。隔震支座的类型隔震支座类型较多，目前，适合在铁路桥梁上使用的隔震支座的类型主要有如下几种：（1）铅芯橡胶支座铅芯橡胶支座是在普通叠层橡胶支座的中部垂直地灌入纯度为99.9%的铅芯而制成的。铅芯橡胶支座具有很好的滞回特性，其耗能是通过铅芯的屈服剪切变形来实现的。铅芯橡胶支座如图3.13所示。图3.13 铅芯橡胶支座（2）摩擦摆式支座摩擦摆式支座是通过摩擦耗能的方式将地震能量转化为热能，同时，通过摆式结构实现将地震
28、能量转化为势能，延长结构基本自振周期，其耗能是通过摩擦和摆式结构来实现的。摩擦摆式支座如图3.14所示。图3.14 摩擦单摆式阻尼支座3.1.4 结论（1）大地震造成公路桥梁震害重，铁路桥梁震害轻，应加强公路桥的抗震设计，确保震后生命线工程的畅通；大地震时桥梁的震害一般具有明显的方向性，在桥位选择时注意断裂的走向，在构造措施上加强薄弱位置；山区的桥梁设计应着重考虑地震次生灾害（山体滑坡和崩塌）对沿溪沿河的桥梁的影响。（2）桥梁的不同设计阶段具有不同的抗震要求。在工可研究阶段的抗震设计应以概念设计为主，计算和构造设计为辅；初设阶段的抗震设计应以计算设计为主，构造设计为辅；施工图设计阶段的抗震设计
29、则主要以构造设计为主，计算设计为辅。（3）重视桥梁结构的抗震概念设计。桥位场地的选择，应依据桥址处的地质和地形条件，应避免地震时次生灾害对桥梁的破坏，基础应建在岩石或坚硬的冲积土层上。注意桥轴线的方向，同时，山区桥梁的桥轴线尽量取直避弯，选用曲线桥梁，其跨度不宜过大，桥面能连续不要简支，桥墩不宜采用单柱式，桥台处不宜设平曲线。重视抗震构造设计。施工图设计阶段的抗震设防主要是上部结构要加强防落梁措施，可以采用加大挡块厚度（一定要适中），且在挡块与梁体之间设缓冲橡胶垫块；对于连续梁的下部结构，要重视一联中矮墩的设计；加强桥墩、桩基础的箍筋设计；应重视桥梁刚度突变处的构造设计。（4）结构抗震计算严格
30、来说是近似仿真计算，桥梁结构的抗震计算设计与抗震概念设计和抗震构造设计相比较，后二者更显重要。（5）铁路桥梁结构抗震设防标准应在“可靠性与经济性”的平衡中提出，同时要满足规范的要求。对重要桥梁开展地震安全性评价，对于大跨度桥梁和重要桥梁，应提高结构的抗震设防标准。（6）重视桥墩及其基础的延性设计。（7）改变传统的“抗震设计”理念，树立“减隔震设计”的思想，这对重要桥梁和特殊桥梁更有意义。3.2 泥石流对桥梁影响分析3.2.1 泥石流对桥梁的危害 我国是世界上泥石流分布最多的国家之一，主要分布在西南、西北及华北等地山区，如四川西部、云南西部和北部、西藏东部和南部、青海东部、祁连山、昆仑山、天山等
31、地区;黄土高原、太行山、泰岭、鄂西及豫西等地山区。泥石流暴发突然，运动快速，历时短暂，破坏力大，能将数万、数百万立方米的固体物质、数十至数百吨巨石冲出山外，对路基、桥梁、涵洞、隧道及其附属构造物堵塞、淤理、冲刷、撞击，造成直接破坏;也可淤塞河道，迫使水流冲毁路基与桥面（图3.15）。图3.15 多年来，公路和桥梁的洪水水毁及洪水引发的泥石流地质灾害，一直都是公路与桥梁最大的自然灾害。1980年以来，我国公路受洪水及泥石流灾害带来的经济损失平均每年多达10亿元以上。例如1987年从青藏高原到浙闽山区、湖北地区，公路严重遭受洪水及泥石流灾害。最严重的还有安徽、湖南、广东、江西等省。据10余省(区)
32、统计，冲毁路基1840多万m3、路面11400km、坍方2020多万m3、冲毁桥梁933座、涵洞 13410座、防护工程280多万m3 0 1990年以后，随着我国公路里程增多和公路等级提高，公路和桥梁遭受洪水与泥石流灾害的损失较前有所增加，且有逐年上升的趋势。可以预见桥梁工程与高速公路在广大山区修建之后，一旦遭遇特大洪水与泥石流，损失将是巨大的。3.2.2 灾害性泥石流的特点 灾害性泥石流，系指造成较严重的经济损失和人员伤亡的泥石流。它通常具有5个特点:即暴发突然;来势凶猛:冲击强烈;冲淤变幅大;沟道摆动速度快、幅度大。1.爆发突然灾害性泥石流往往突然暴发，从暴雨开始到泥石流暴发的间隔时间仅
33、十数分钟至几十分钟。故一般高频泥石流流域暴发泥石流尚能预测、预报;而中、低频泥石流就不易预测，更难预报。比如，四川雅安的陆王沟、干溪沟和云南东川的黑山沟，均是100余年末暴发的泥石流，故被误认为山区一般洪水沟，但泥石流一旦暴发，造成了惨重损失使上百人丧生。有些泥石流沟均是几十年内未发生泥石流，但在大暴雨的激发下，突然暴发泥石流，分别使上百人丧生，酿成惨重灾祸。此外，约2/3的灾害性泥石流发生于夜晚，这与山区大暴雨出现在夜晚有关，故使灾情更趋严重。2.来势凶猛泥石流来势凶猛系指流体规模大，流速快，龙头高。与同频率的挟沙洪水对比，同一条沟内的粘性泥石流的流量、流速和泥深均大50%，有的达数倍、十数
34、倍。比如，成昆铁路柳树塘沟和水陡沟的洪水峰值流量均不足lOm3/s，但泥石流流量均超过5Om3/s。个旧老熊洞滑坡型泥石流的流速达60m/s，扫荡沿途一切建筑物，受阻爬坡高达30m。 1981年7月9日利子沟泥石流的流量达1750m3/s，流速约lOm/s，最大泥深10.6m，弯道凹岸的泥位高出凸岸泥位19.1m,经弯道的堵塞一溃决作用，最大流量和流速猛增，分别达2100m3/s和13.2m/s,冲毁了跨沟的铁路大桥。3冲击力强泥石流体浓稠，容重可达2.3t/m3，挟带着粗大石块(粒径可达22m )，流速又快(超过l Om/s )，故流体的整体冲击力、大石块的撞击力均十分可观。比如，云南东川蒋
35、家沟泥石流的冲击力可达3.9 X lO7Pa。成昆铁路利子依达沟和新基古沟铁路桥和东川铁路支线达德沟铁路桥均被泥石流强大冲击力所剪断。4.冲淤变幅大泥石流的冲淤变幅颇大，石流在某些沟段可刷深16m度可超过2m o 1976年5月14日四川喜德汉罗沟泥石流刷深中游段沟床达3-Sm，而下游普遍淤高1-2m，形成一片泥海。由于强烈冲淤，使桥涵遭受严重破坏，大片农田成为沙砾滩，许多村庄沦为废墟。这是挟沙水流所无法比拟的。东川蒋家沟一次泥亦可上淤6m以上，有时一阵泥石流刷深沟床深叮要母蕊扁。5主流摆动速度快、幅度大泥石流不仅冲淤变幅大，速度快，主流线左右摆动的幅度亦大，稀性泥石流尤为明显，四川凉山黑沙河
36、泥石流到下游摆动幅度宽达3km，计有7条支汉，迫使成昆铁路设置7座大桥过境。与稀性泥石流对比，粘性泥石流主槽摆动频次较少，可是一旦发生，其幅度颇大。比如，云南盈江浑水沟主槽曾在1974年发生一摆动，最大幅度达280m;东川蒋家沟泥石流了出导流堤外，形成一个新堆积扇，在新堆积扇上亦摆动过两次。3.2.3 泥石流对桥梁危害方式分析泥石流对桥梁的危害方式多种多样，主要有冲刷、冲击、磨蚀、淤埋等。3.2.3.1 冲刷 泥石流的冲刷作用，在沟道的上游段以下切侵蚀作用为主，在中游段以冲刷旁蚀为主，下游段堆积过程中，时有局部冲刷造成危害。泥石流上游冲刷下切作用:泥石流的冲刷下切之所以出现在上游沟道，原因在于
37、上游坡度大，沟道狭窄。随着沟床沟槽逐渐刷深，两岸坡度加大，临空面增高，使发生崩塌与滑坡。滑坡体、崩塌体进入沟道，成为堵塞体或沟床堆积体，尔后泥石流冲刷堆积体，再次刷深沟床;如此周而复始，山坡不断后退，进而破坏坡耕地和山区村寨。据调查，东川蒋家沟流域有的村寨在近80年来已向上搬迁过5次;云南梁河的某些村子被迫迁往他地。泥石流中游的冲刷旁蚀作用:泥石流对中游沟道的冲刷作用包括下切、局部冲刷和旁蚀。泥石流中游沟段纵坡缓，多属流通段，有冲有淤，冲淤交替。粘性泥石流的旁蚀作用不明显，一般出现于主流改道过程中;稀性泥石流旁蚀作用明显，主流可来回摆动。泥石流的旁蚀作用，可使两岸耕地渐遭冲淤而毁坏，成为宽浅的
38、沟床。中游的局部冲刷深度颇大，比如东川蒋家沟泥石流一次可刷深16m。这种大幅度的冲刷作用可毁坏护岸和过沟建筑物。例如，川藏公路的加马其美沟桥，曾多次因沟床刷深而遭损坏，后来在桥下游修建拦挡坝，制止了沟床下切，才保障了桥梁安全。泥石流下游的局部冲刷:泥石流下游沟道一般以堆积作用为主，但在某些因素出现后，可引起强烈的局部冲刷，直接影响到工程的安全。如云南东川蒋家沟下游，在1984年8月到9月期间，连续几次规模较大的粘性泥石流便刷深沟床约4m，致使导流堤砌石护坡的基础外露或淘空，酿成约2/3的护坡出现垮塌、倾伏或开裂。四川凉山黑沙河5号铁路桥遭受一次规模不大的稀性泥石流冲刷，使长lOm的桥基护台(坡
39、)开裂、下座，直接影响桥墩安全。甘肃武都火烧沟公路桥因沟道侵蚀基准面降低，泥石流急剧下切，桥墩基础外露，严重影响主桥安全。 许多泥石流下游的导流堤在泥石流的旁蚀和下切作用下，时有溃决。溃决一旦发生，泥石流便沿溃决口下泄，酿成重大灾害。如四川西昌热水河曾多次决口，直接危害下游礼州镇的安全;凉山黑沙河在治理前的太平沟沟堤亦多次决口，每次决口便有几至几十公顷的农田沦为沙砾滩。3.2.3.2 冲击泥石流的冲击作用包括它的动压力、大石块的撞击力以及泥石流冲击所引起的冲起高、爬高和弯道超高等能力。动压力和撞击力:泥石流具有强大的动压力、撞击力，其原因在于流体容重值高、石块粗大，流速、泥深均大。成昆铁路物利
40、子依达沟、新基古沟和东川铁路支线的达德沟等桥梁，均由强大的冲击力所毁坏;许多公路桥遭毁坏，亦由强大的冲击力或撞击力所造成。冲起高、爬高与弯道超高:这些现象均是由泥石流强大的冲击力所引起的，且由途中障碍物位置(即与主流交角)的差异、流体的动能转变为位能所致。泥石流冲起或爬高后，大量流体溢出或冲上沟岸与桥梁，可埋没岸上耕地、建筑物或毁坏桥面，亦可使两岸堤防溃决，造成泥石流串流或沟道改道。泥石流进入弯道，凹岸单宽流量猛增，泥位增加、流速加大，造成凹岸下方的强烈局部冲刷或大量流体冲上凹岸，从而导致凹岸岸上建筑物或桥墩遭受破坏。成昆铁路利子依达沟铁路桥被毁的主要原因，乃是桥位于弯道上，由于泥石流在弯道上
41、泥位升高，集中冲击所致。3.2.3.3 堆积泥石流的堆积作用主要出现于下游沟道，尤其在堆积扇沟段。但在某些条件下，中、上游沟道亦可发生局部(或临时性)堆积作用。此外，泥石流堆积扇的强烈堆积和堆积区的迅速扩大，还可堵塞它所汇入的主河，在主河段上游堵塞，造成次生灾害。泥石流中、上游沟段的局部堆积:泥石流中、上游沟道的局部堆积既可增加后续泥石流，尤其粘性泥石流的峰值流量，又可淤高沟床，促进沟床改道。这两者均可增加泥石流成灾率和危害程度。泥石流下游沟道或堆积扇沟段的堆积:泥石流进入下游沟段，由于比降减小，沟道展宽，或两侧山坡束狭作用消除，便在大面积上发生强烈堆积。成昆铁路有7个车站先后9次遭泥石流淤埋
42、(兼有局部冲刷);许多泥石流堆积区，除人烟稀少偏避山区外，均为良田和居民所在地。比如，面积分别为200ha和330ha的凉山黑沙河、东川大桥河泥石流堆积扇，100余年前均为居民点密集的耕作区;小江100年前河床宽仅十数米至数十米，两侧农田连片，现在大部分耕地己被泥石流堆积物所覆盖;甘肃武都白龙江和云南梁河大盈江均有类似情况出现。 堵塞主河:当支沟泥石流流量几倍于主河的流量时，大量泥石流堆积，便可堵断主河，形成堤坝，上游出现临时性湖泊。其后果便带来两种灾难，一为临时湖泊淹没原有的耕地、居民点、交通线路设施及桥梁等;为堤坝溃决，形成更加强大的溃坝流量。其中后者对下游沿岸耕地、居民点、桥梁的安全造成
43、的危害更为严重。溃坝流量越大，损失就越严重。东川蒋家沟自1903-1968年期间，曾7堵断小江，回水长达lOkm，淹没铁路、公路、东川铜矿干燥车间、转运基地和近万亩良田。盈江浑水沟泥石流曾多次堵断大盈江，堤坝溃决时又增加大盈江洪峰流量，导致下游堤防溃口成灾。3.2.3.4 其它泥石流除上述3种主要危害方式外，还有磨蚀、振动、气浪等次。磨蚀:泥石流体内大量沙石对建筑物各种工程表面(尤其是桥面)有强烈磨蚀作用。如四川凉山黑沙沟各拦沙坝的溢流面块石之间缝隙水泥浆体的磨蚀作用十分强烈，磨蚀速度每年可达0.5-2cm，但到某一程度后，磨蚀作用减弱。其它泥石流地区亦有相似现象，有时一次泥石流过程中磨蚀深度
44、可达lcm。振动:泥石流振动亦十分强烈，尤其高速粘性泥石流的振动更甚。这种振动可使过流拦沙坝、护岸砌体和过沟桥梁等建筑物的结构出现裂隙或强度降低，增加毁坏机率。泥石流流动时的振动，可对沟岸产生地声。据在云南东川蒋家沟的测定，地声的频率，不同于一般洪水，据此，可研制成泥石流报警器。 气浪:这是阵性泥石流在高速运动中激起波状空气流。它可使人畜站立不稳、农作物倒伏等，严重时造成桥梁局部结构损坏。如1975年云南个旧老熊洞滑坡性泥石流，运动速度高达60m/s，致使沿途两岸高杆农作物普遍倒覆。 砸击:泥石流过坝(或拦挡建筑物)时，流体内大量石块呈自由落体，砸击坝体上游坡面，使坝面出现开裂、空洞，坝基悬空
45、，甚至坝体倒塌。故泥石流拦沙坝下游坝坡坡度不宜偏大，一般小于0.2或近于直立;否则，拦沙坝下游坝面因石块砸击而破裂，出现凹坑等。如云南浑水沟早期所建的拦沙坝下游边坡1: 1，亦出现凹坑。桥梁在遭遇泥石流中石块砸击时桥面亦会出现凹坑，严重时则导致桥面系统破坏。3.2.4 桥梁位置的选择3.2.4.1 泥石流流通区桥位1、桥址应与流通区河势、流向正交，不得己时斜交角不要大于10-20度； 2、桥位应选在沟道顺直，主流较稳定，上下游无急弯，纵坡较一致或是上缓下陡的沟段； 3、桥位不应选在上下游都有急弯，坡度由急变缓的变坡点附近或陡坎下面；4、桥位紧接隧道，明洞洞口时，要桥隧结合考虑，留足桥下净空，防
46、止泥石流堵桥时漫流进隧道。3.2.4.2 堆积区桥位 1、堆积区由于泥石流沟道不明显，水流分散，漫流淤积严重，流向极不稳定，设桥宜分散，不宜集中；2、针对各个泥石流沟道的水文、泥砂和冲、淤特征，以及上游流向与下游出口河流走势，分清主次，在泥石流扇上分别设主桥与备流桥。主桥按全部泥石流流量设计，备流桥按泥石流特点，因地制宜的按50-70%的泥石流流量设计； 3、沟道明显，河床较稳定，上下游都能接通流路时，应见沟设桥，不宜强行并沟设桥； 4、桥位应与泥石流扇的辐射线正交。山前区泥石流桥位愈往下游愈好；山麓区泥石流桥位则越往下游越佳，并禁止桥位选在扇缘被主河切蚀影响范围，避免主河冲切时基础要深，本沟
47、淤积时净空要高的双重危害；5、泥石流改沟并桥要特别慎重，应有充分的科学依据，改沟后的水文、泥砂和地质地貌以及经济效益均应比未改前更好才有意义；6、在泥石流堆积区设桥，桥下净空必须满足设计年限内的河床总淤积高。反对采用开挖沟床或清淤河床来满足桥下的虚拟净空的做法；7、上下游和出口有较好的排导条件时，可集中设桥，可采用V型槽排放泥石流。但应在扇形地两翼洼地留设备险桥，排除积水和预防万一改道的灾害。图3. 16为堆积区桥位布置示意图。图3.16 堆积区桥位布置示意图3.2.5 桥墩与基础应对泥石流的措施分析 泥石流沟上的桥梁墩台设计原则是:利于排泄，防止泥石流撞击墩台和冲刷基础。墩台形式：在泥石流沟中设桥时要尽量减少设计桥墩。设墩时不允许用轻型桥墩，最好是用圆端形或圆形实体桥墩，以适应多变的流向和强大的冲击力，在颗粒粗大，冲击力强的泥石流沟中，桥墩迎水面要加强结构的整体性和建材的耐磨性。实践证明，现行的墩台定型设计都不能抗御泥石流的冲击力。因此，在泥石流沟主流线上的桥墩设计应作泥石流冲击力的特别检算。桥墩基础：尽管桥梁设计常受泥石流沟道累计性淤积控制，然而在未完成累计性淤积之前，仍有被泥石流集中冲刷的风险。因此，泥石流冲刷常和地理位置，泥石流密度，运动特征以及建筑物形状位置等有关联。 山麓区泥石流桥基，要考虑堆积扇常遭主河水流冲刷、切蚀、搬运的影
