桥下净空指的是为满足桥下通航（行车、行人）的需要，对上部结构底缘以下规定的空间限界。相关规定1.通航河流的桥下净空应符合国家现行通航标准的要求。2.不通航河流的桥下净空应根据设计洪水位、壅水和浪高或最高流冰面确定；当在河流中有形成流冰阻塞的危险或有流放木筏、漂浮物通过时，应按当地的具体情况确定。3.立交、跨线桥桥下净空应符合被交叉的城市道路、公路、城市轨道交通和铁路等建筑限界的规定。

设计理念介绍

桥下净空设计合理与否直接关系到桥梁的通航、泄洪、交通和桥梁自身的安全。影响桥下净空的因素很多, 其中流量和通航净空要求、交通建筑限界(如铁路建筑限界和公路建筑限界)要求是桥梁孔径设计需要考虑的主要因素。此外, 桥前壅水及桥下壅水、波浪高度、波浪侵袭高度、局部股流壅高、河床冲刷与淤积、流木流冰及其他漂浮物对桥下净空的影响也不可忽视。在黄河流域, 河道冲刷和淤积更是不得不考虑的重要因素。人类活动的影响和发展预期及长期安全要求, 也对桥下净空设计有着越来越重要的影响。

1 桥前壅水与桥下壅水

河道上修建桥梁后水流受到桥梁和河滩路堤的约束, 水流状态发生变化, 导致河床的变形。桥前壅水高度可按水力学能量方程近似计算:ΔZ =η(v-v)M式中:η为与河滩路堤阻水有关的系数;v0为断面平均流速,m/s(设计流量与全河过水断面面积之比);v 为桥下平均流M速, m/s。在按水利条件确定桥头路肩标高时, 其值应为桥前最大壅水高度, 即取Δh=ΔZM;在按构造条件确定桥头路肩标高时,为了计算桥下净空, 桥下壅水高度可采用桥前最大壅水高度的骤, 历时短暂且河床质坚实不易冲刷时, 为安全起见, 计取Δh =ΔZ 。对于平原区洪水涨落很缓慢的河流, 河床质松桥壅 M软、易造成一般冲刷时, 桥下壅水可不计。

2 波浪侵袭高度

大中型桥梁所处的河滩比较宽阔, 需要考虑波浪侵袭高度对路堤和桥下净空的影响。该高度可根据调查取得, 若调查有困难, 亦可采取下式近似估算:Δhp=KKVRHb1%式中:K 为边坡粗糙系数;KV为与风速有关的系数;Hb1%为累积频率为1%的波浪高度, m(为连续观测100个波高值中的最大值);R为相对波浪高度, 即当K =1.0、KV=1.0及Hb1%= 1.0 m时的波浪高度。

3 河床冲刷与淤积

我国许多河流都有着较剧烈的冲、淤现象。 坡度较陡的山区河流, 流速大、冲刷力强, 往往存在着较严重的冲刷下切和拓宽摆动趋势, 若土质松软, 则抗冲能力差, 冲切拓宽与摆动趋势更显著。 西北黄土高原地区大量冲沟的形成及河床频繁下切拓宽及摆动形成“九曲黄河”就是有力的佐证。在这种情况下,桥梁设计应充分考虑建桥后的河床冲刷, 加大基础埋深或进行河床铺砌, 以确保基础安全, 对有拓宽摆动趋势的河段必须进行河岸加固。河流进入平原地区后, 比降减缓、流速降低, 水流携沙能力明显减小, 加之上游来水挟沙量大, 将造成河床的淤积。黄河上中游经过黄土高原地区, 携带大量泥沙, 致使下游河床平均每年以10 cm的速度淤积抬升,已形成举世闻名的“地上悬河”, 严重威胁着沿黄地区安全。1996年8月花园口发生7 860 m/s的中常洪水的水位,比1958 年发生22 300 m/s大洪水的水位还要高0.91 m。渭河是黄河第一大支流, 也是一条多沙冲积性河流。陕西华县站以上流域面积10.65 万km。有资料记载的1935 ～1960年华县水文站汛前同流量(200 m/s)水位升高1.62 m,平均每年升高0.06 m。2003年8 月24 日至10月13日,受大范围暴雨影响, 发生了自1981年以来的最大洪水, 历时50d, 先后出现了首尾相接的6次洪峰,洪量不断叠加,演进慢、历时长, 形成了“小洪水、高水位、大灾害”的被动局面。原因是多方面的, 根本原因是泾、洛、渭河上中游水土流失严重, 导致下游河床严重淤积, 形成了“悬河”。该次洪水期间华县站发生的3 570 m/s洪峰,比“54·8”洪水期间发生的7 660 m/s洪峰流量要小4 090 m/s,但水位却比后者高出3.95 m。从以上情况看, 黄河流域河床淤积造成洪水位升高的情况是十分严重的。因此, 在黄河流域及类似有严重淤积的河段建桥, 必须充分考虑设计使用期内河床淤积使设计洪水位逐年提高趋势的问题, 在桥下净空设计时应尽量加大桥下净空高度,以确保并适当延长桥梁的正常使用年限, 保证桥梁使用安全。

4 人类活动对桥下净空设计的影响

小浪底水利枢纽工程建成后, 通过调水调沙, 可以将大量河床泥沙冲入大海, 从而形成稳定河床, 这对延长黄河上桥梁的正常使用年限是十分有利的。然而, 对于已有桥梁的基础可能会造成一定威胁, 这是应特别注意的问题。2002 ～2007年黄河连续调水调沙,共有4.2 亿t泥沙被冲入大海, 下游主河槽得到全线冲刷, 过流能力由调水调沙前的1 800 m/s提高到了3 630 m/s。实践证明,调水调沙已经成为处理黄河泥沙、维持黄河健康生命的有效措施之一。水库的修建对河流的流量和河上建桥活动有着重大影响。水库在正常情况下可调节河道流量, 降低洪水对桥梁的压力。然而, 一旦出现垮坝或遇到险情紧急泄洪时, 可能造成桥梁损毁甚至垮塌。因此, 在桥梁设计中应充分考虑上游水利工程对桥梁的潜在影响, 使桥下净空具有足够的排洪能力, 以策长期安全。

阳安线K 334+ 067 恒河大桥系10 孔23.8 m的预应力混凝土梁桥,全长260. 7 m。该桥于 1972年 10月竣工后 ,当地政府在桥址河段修筑了沿河两岸的长河堤 ,致使河道横断面受到人为的压缩。铁路桥的实用孔径由 10孔减为 5孔 , 过流宽度由原有的 247. 10 减少到m120. 00 m ,造成过洪能力严重不足 , 从而在同一流量下桥址断面流速增大 ,水位抬高 ,冲刷加剧 ,严重危害铁路桥的安全渡汛 ,危及铁路行车安全。

2. 1 换梁方案

将恒河大桥既有 10孔 23. 8 m 预应力混凝土梁全部更换为同跨径的下承式钢板梁。 既有梁高度为 2. 60 m , 下承式钢板梁高度仅有0. 92 m (均指轨底至梁底 )。因而可使桥下净空增高 1. 68 m ,既可保持桥上既有线路状况不变 ,又达到了提高桥下净空的目的。换梁方案需将全桥墩台加高加宽 ,以满足下承式钢板梁的支承要求。 可以把顶帽作成悬臂深梁 ,也可以从基础顶面起整体加宽加高墩。检算后表明,该桥基础的承载力能满足要求。施工时先在桥孔上下游搭设便桥,供存放新、旧梁体之用。准备工作全部就绪后,即可封锁线路横移换梁。 为减少封锁线路时间需根据可能情况逐次逐孔地换梁。换梁方案可使桥上线路维持现状。 施工多为常规方法,难度较小。不动桥头线路,对电务、供电方面的影响也较小。缺点是投资比较大,还会增加以后对钢梁的维修费用。

2. 2 抬梁方案

将恒河大桥既有10孔23. 8 m预应力混凝土梁分数次抬高,使梁底标高最终抬高1. 0 m , 桥上线路标高也相应抬高1. 0 m ,轨顶标高由原来的287. 00 m抬高到288. 00 m,以使桥下安全通过设计流量。

2.2. 1 工程项目

( 1)抬高梁体

①将既有10孔23. 8 m预应力混凝土梁抬高1.0 m,需对桥台进行相应改造: 或在台后分层干砌片石; 或将原有T形台改为耳墙式桥台。

②桥墩、台顶均加高1. 0 m。

( 2)线路抬道、顺坡

①桥上线路抬道1. 0 m (平坡) ,桥头两端均以16‰的坡度抬道顺坡300 m。

②桥头两端路基最大加高量1. 0 m ,分别顺坡300 m。

③抬道顺坡区段接触网相应最大的提高量1.0 m。另外,施工影响范围内的通信信号电缆需要改移。

2.2. 2 施工

( 1)抬梁

利用封锁线路时间,采用逐次逐步抬梁法: ①正式抬梁前作好准备工作; ②全桥10孔梁同时分次抬高, 每次抬高100 m m, 共分10次完成; ③在抬梁时,将梁顶高后用特制钢垫块支撑梁体,每顶一次换一不同高度的钢垫块,在顶到设计标高后,灌注把钢垫块包含在内的混凝土墩台帽。

(2)抬道顺坡

与抬梁同步进行抬道顺坡: ①首先在抬梁前将两端路基帮宽加高, 并将既有路肩垫成“凹”字形,准备好充足的填料,作为在线路随桥抬道时的补充道碴; ②桥上采用搭设“人”字形龙门架悬挂接触网,随梁同时提高。

2.2. 3 抬梁方案的优缺点

优点是工程投资较小,在增大桥下净空的同时,却不会增加今后的大修费用和维修工作量。 其缺点是施工难度较大。 从收集到的抬桥资料中,全路运营线上进行的多孔桥梁抬高的工程,均为钢梁桥的抬高,混凝土梁桥的抬高还未见先例。 因而恒河大桥的抬高是一项需要慎重对待的工程。此外,抬梁工程还受到桥头路基抬高的制约,在抬梁的同时尚需进行桥上及桥头线路的抬道顺坡。 运输、电务、接触网各部门的配合十分重要。

2. 3 推荐方案

换梁方案不动桥头线路,施工相对简单,但因购置钢梁、加宽墩台及修建便桥而使造价过高。抬梁方案虽需要抬高桥头线路,工序繁杂, 但其造价仅为换梁方案的一半。 在资金比较紧张的情况下,推荐抬梁方案。

要增加恒河大桥的泄洪能力,破堤已不可能,换梁又投资过大,抬梁方案比较容易实现。尽管抬梁、顺道施工比较复杂,但路内、局内都有成功的经验可供借鉴,技术上是可行的。抬梁方案的实施,涉及工务、电务等许多部门的配合,施工组织设计是关键,应慎重对待。