黄河下游河道建桥的主要工程地质问题

铁　道　建筑　２００６年第３期　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３　１９９５（２００６）０３．０００３．０３　黄河下游河道建桥的主要工程地质问题　李金都　，周志芳　，宋汉周　，张发明　（１．河海大学土木工程学院，南京２１００９８；２．黄河水利委员会设计院，郑州４５０００３）　摘要：通过对黄河下游河道地质条件的分析，结合黄河下游河道已建桥梁的工程地质勘测经验，指出了　在黄河下游河道建桥应该注意的主要工程地质问题，研究这些工程地质问题对今后在黄河下游河道修　建铁路、公路桥梁具有重要参考价值。　关键词：黄河下游　河床　地层　成因　中图分类号：Ｕ４４２．２文献标识码：Ｂ　（城）一兰（考）断裂、濮（阳）一长（垣）断裂、长（垣）断　０前言　黄河自河南省孟津县出峡谷，自西向东流，到兰考　县东坝头转折流向东北，于山东省垦利县清水沟注入　渤海，长约８００　ｋｍ。东坝头以下河道是１８５５年黄河在　裂、焦（作）一商（丘）断裂、郯（城）一沐（河）断裂等。沿　聊（城）一兰（考）断裂、郯（城）一沐（河）断裂曾多次发　生地震，为活动断裂，在桥址选择时应注意躲避。　表１黄河下游河道第四系地层特征简表　地层　岩组　主要　铜瓦厢决口大改道后侵袭大清河的河道，河道比降上　陡下缓，平均比降为１．２１‰。随着经济的快速发展，　时代　Ｑ　Ｑ４　沉积相　岩性　我国的桥梁建设也得到了前所未有的跨越式发展，随　着２００５ａ京珠公路郑州跨横大桥的投入使用，横跨黄　河的桥梁越来越多，跨黄大桥成为连接大河南北的重　要经济纽带。由于黄河是一条多泥沙、善摆动的地上　悬河，再加之黄河下游特殊的地质条件，在黄河下游修　砂壤土，粉砂，细砂　冲积、风　濮阳组　积海积　、砂壤士、壤土、粘土　Ｑ　冲积、洪　Ｑ　壤土　淤泥、中细砂　砂壤土、眇壤土夹粉土　淤泥粘土、粉砂、细砂　、建铁路、公路跨黄大桥需要对下游的地质条件进行总　结和研究。　Ｑ　惠民组　积、湖积　Ｑ　开封组　冲洪积、　湖积火山　壤土、粘土、砂层　壤土细砂、中砂、粗砂　、Ｑ　１　黄河下游河道工程地质概况　ＱＱ　．　砂壤土、粉细砂、砂砾石　冲积、洪积、　武陟组　海积火山　壤土、粉砂、细砂　黄河下游的地貌类型按形态可划分为平原、丘陵、　山地三大类，其中与修建跨黄大桥有关的地貌主要是　冲积、洪积平原地貌和冲湖积平原地貌。在黄河下游　第四系地层分布广泛，厚度巨大，主要地层见表１。在　Ｑ　Ｑ：　砂壤土、壤土、粉细砂　２主要工程地质问题　２．１区域稳定问题　河南吉利黄河大桥以下河道建桥主要涉及　、Ｑ，地　层，其上河道建桥会涉及Ｑ．、Ｑ　地层。　黄河下游地区在大地构造上处于华北断块区内的　该问题是指地壳在内动力作用下一定地区或工程　场区地壳现代活动的状态和程度。就桥梁建设而言，　华北平原断块凹陷亚区。根据构造特征可分为８个隆　起和凹陷构造，与河道建桥有关的构造主要是济源一　开封凹陷、鲁西隆起、临清凹陷、济阳凹陷等。黄河下　游地区区域新构造运动的主要形式是断块差异升降运　动、断裂错动、地震等。　黄河下游地区建桥可能遇到的断裂主要是聊　用来评价桥梁工程场区２５　ｋｍ（近场）至１５０　ｋｍ（远场）　范围内地壳和稳定性。大桥是生命线工程，必须保证　安全，其中，区域稳定性问题是大桥选址阶段应重点考　虑的战略性问题，至于类似于桥墩基础稳定等问题属　于具体工程部位的战术性问题可留待后续设计阶段通　维普资讯 http://www.cqvip.com

４　铁道　建筑　Ｍａｒｃｈ．２００６　过设计措施来解决。　通过我们的研究，根据控制区域稳定的地质、地球　物理场、地形变、地震等因素，将黄河下游区域稳定性　分为稳定与基本稳定、次不稳定、不稳定三个区段。具　体划分，盂州一温县河段与平阴、禹城一利津河段为稳　定与基本稳定区；温县、荥阳一平阴、禹城河段与利津　一河口段属于次不稳定区；武陡一封丘河段、濮阳～台　前河段属于不稳定区。因此，在桥梁选址时，应尽量避　开不稳定区而选择稳定与基本稳定、次不稳定区。对　于经综合两岸交通搭接条件、地质条件、施工条件、经　济性、发展需要等因素比较后而将桥址不得不放在不　稳定区的情况，应通过选择“安全岛”的方法和提高大　桥抗震设计等途径加以解决，这种情况在黄河下游建　桥中也是比较常见的。　２．２地形地貌与河势问题　黄河下游河道属于冲、洪积平原地貌和冲湖积平　原地貌大区，具体桥址部位属于河流地貌，存在河岸冲　刷、堆积造成的微地貌多变、微地形变化大的特征，特　别是黄河河势（包括河流与控导、河道边界稳定性、河　势演变、桥墩轴线与河道主流线的夹角以及建桥可能　带来的河势变化等）的影响应引起重视。下面列举山　东利津黄河公路大桥桥位比选实例加以说明。　利津黄河公路大桥位于山东东营市利津县城东　南，桥梁与引道全长３　５００　ｋｍ，主桥宽１８．５　ｍ，它西接　利津，东连东营及胶东半岛。选址阶段比较了相距　２．５　ｋｍ的东关闸桥位和张家滩桥位（见表２）。　经过比较再结合当地路网现状与远景规划、行政　区域等因素并遵照远近结合、路桥协调的原则，最终确　定了东关闸桥位作为利津黄河公路大桥的桥位，并进　行了后续阶段的设计以及开工建设。　２．３揭底冲刷问题　揭底冲刷是黄河干支流在高含沙洪峰时产生的一　种强烈冲刷，此时河床泥沙被成块掀起，而且露出水　面，类似卷帘由上至下一块接一块断续翻转。据水文　年鉴描述：“当这种大冲刷发生时，能看到大块泥沙被　水流掀起，露出水面达数平方米，像在河中竖起一道墙　（与水流方向垂直），２～３　ｍｉｎ即扑入水中消失”。关于　黄河揭底冲刷的机理目前还没有统一的理论，一般认　为，它是在５～１　１　ｍ／ｓ的高强度水流、在５００～　９３３　ｋｇ／ｍ　高含沙洪水时黄河形成的复杂水流对河床所　产生的破坏性作用。　揭底冲刷发生时，在短时间内能将河道冲刷一定　的深度形成一定范围的冲刷坑，使河床高程及河床水　位大幅度下降，对于河流控导工程、护岸工程、堤防工　程，特别是会对桥梁工程和河底穿越工程带来很大的　不利影响。根据揭底冲刷的实际观测资料，一般可按　揭底冲刷深度８～１０　ｍ来考虑进行桥墩、桩基础的设　汁和稳定验算。　表２利津黄河公路大桥比选简表　项　目　东关闸桥位（Ａ）　张家滩桥位（Ｂ）　结论　左岸位于张家滩和　右岸距罗家险工仅　河流与　东关控导之间，距两　１２５　ｍ，下距张家滩　Ａ优　控导　工程分别３５０　ｍ、１７５　河遭监控断面约　ｍｏ　５００　ｍ。　河边界　两岸均为滩地，但左　岸在张家滩和东关　两岸均为滩地，无控　Ａ优　稳定性　控导工程之间导工程。　。　河势演变　黄河主槽稳定．主流　黄河主槽稳定，主流　Ａ优　规顺。　相对比较紊乱。　桥墩轴线　与主流线　１２。　４。　Ｂ优　夹角　受大桥壅水作用，引　受大桥壅水作用。造　起张家滩控导工程　成罗家、大渔张险工　建桥对河　势的影响　对面滩地坍塌，导致　东关工程溜势下延，　溜势上提，三里庄附　近的滩地坍塌，导致　Ａ优　但可通过修筑控导　上下游河势恶化，无　工程予以解决。　法人为调整。　建桥对防　冰凌的影　对排除冰凌造成一　离宫家卡口较近对　定的影响。　排除冰凌造成的影　Ａ优　响　响相对较大。　主桥长８１０　Ｉｎ，引桥　主桥长８７８　ｍ，引桥　工程规模　长５２０　１及投资　道长３　５００　ｍ，估算投　＇／Ｉ，桥梁与引　道长３　５００　ｍ．估算投　长６００　ｍ，桥梁与引　Ａ优　资１９　３２２．８万元。　资２０　４８６．４万元。　建设条件　拆辽量和工程难度　拆迁量和工程难度　Ａ优　相对较小。　相对较大。　２．４河床深槽问题　黄河自出峡谷至河南吉利黄河大桥之间河道，地　层主要分为三大层，第一大层，上部为冲积浅黄色粉细　砂、粉土、砂壤土，局部为轻粉质壤土，其厚度２～７　１２１。　下部主要为冲积砂卵石层其厚度约５～１８　Ｉｎ，局部夹　浅黄色薄层中细砂层。第二大层为冲洪积层砂卵石　层，分布于河床、河漫滩覆盖层中下部。厚度一般为　１Ｏ～１５　ｍ，最厚达３０　ｍ。第三大层为下伏基岩，河床河　漫滩覆盖层之下，以紫红色泥质粉砂岩与粘土岩互层　为主，局部夹薄层灰黄色钙泥质砂岩。砂岩、粉砂岩大　部分胶结较差，局部呈松散状。本河段存在着深度２Ｏ　一５０　ｍ的河床深槽，河床深槽基本呈宽缓Ｕ形状。因　此，在进行桥梁勘测和设计、施工时应给予注意，特别　是在桩长设计时，要保证足够的桩长使之尽可能穿透　河床深槽，例如，全长２　８０２．７６　ｍ的焦枝复线月山至襄　樊段跨越黄河的控制工程洛阳黄河铁路特大桥，桥址　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第３期　黄河下游河道建桥的主要工程地质问题　处存在着近３０　ｍ的河床深槽，下伏基岩由砂质粘土　岩、粘土岩、疏松砂岩和砂岩组成，岩石面略有起伏，在　河床深槽低凹处有５～１０　ｍ的中密至密实的细砂、中　砂、粗砂和圆砾土，钻孔灌注桩设计为摩擦桩，桩长穿　过了河床深槽落在了软岩中。　另外，值得强调的是该段河床中的深槽的形成往　往与区域性的断裂（或其分支断裂）有关，区域性的断　裂（或其分支断裂）是河床深槽形成的重要因素，桥墩　设计时要考虑此问题。例如，黄河小浪底公路大桥桥　址即横跨一区域性断裂，该断裂沿大桥所在的河床深　槽走向发育，在桥墩间距设计时把间距加大使桥墩部　位躲开了该断裂破碎带，保证了桥墩的稳定性。　２．５桩基持力层层位问题　根据河南郑州、开封及山东东明４座黄河公路大　桥的工程地质勘测资料分析，河道百米深度内的地层　可大致概括为ｌ０层：①灰黄色亚粘土为主夹粘土及亚　砂土透镜体，厚２～７　ｍ；②灰黄色亚粘土透镜体，厚２　～８　ｍ；③灰色亚粘土夹亚砂土、粉砂透镜体，厚１１～３０　ｍ；④灰黄色、灰色粉砂，厚４．４～１１　ｍ；⑤灰色、浅绿色　亚粘土夹亚砂土、粘土透镜体，厚１３．２～２３．４　ｍ；⑥灰　黄色粉砂夹灰色亚粘土、细砂透镜体，含钙质结核，密　实，厚８．２～１３．６　ｍ；⑦灰黄色亚粘土夹亚砂土，含钙质　结核（最大达６　ｍ）、硬塑，厚１．７～１３．６　ｍ；⑧黄色粉砂　夹细砂、中砂，含钙质结核，密实，厚２—４．８　ｍ；⑨黄色　亚粘土透镜体，厚１．７～２．４　ｍ，含钙质结核、硬塑；⑩黄　色细砂、中砂，厚＞７　ｍ，密实、底部胶结成岩、坚硬，未　见底。在这套地层中，第⑦～⑩层土的埋深６０～９０　ｍ，现场标准贯入试验的击数都在２８击以上、压缩系　数均在０．１　ＭＰａ　以下、具有强度高、抗变形能力强的　特点，是理想的桩尖持力层，因此，在桩基设计时，可作　为首选的桩尖持力层。　表３为河南郑州、开封及山东东明黄河公路大桥　试桩的实际资料，可供黄河下游桥梁设计时参考。试　桩桩长６０～７０　ｍ，桩尖入土深度１．０　ｍ，为钻孔灌注　桩，均采用旋转钻机施工造桩，郑州桥为正循环，开封　桥、东明桥为反循环，膨润土或粘土泥浆护壁，水下导　管法浇筑混凝土，浇筑混凝土设计标号３５　ＭＰａ，坍落　高度１８　２０　ｃｍ。开封黄河公路大桥最大加载为　２０　０００　ｋＮ，郑州、东明黄河公路大桥为１６　０００～　１８　５００　ｋＮ。荷载分级，第一级取最大荷载的１／４—１／６，　以后每级为１／１０～１／１５。郑州桥和东明桥采用单循环　逐级加载，至最大荷载后分级卸载至零。开封桥加载，　在１１　０００　ｋＮ级以下采用循环加载，以后逐级加载。三　座桥试桩每次加载后，间隔２０　ｍｉｎ做一次沉降读数，　当三次沉降总和＜０．１　ｍｍ时视为稳定，然后再进行下　一级的加载。试桩的破坏标准主要按三个方面考虑：　①某级荷载的沉降增量大于前等级量荷载沉降量的５　倍时认为桩已经遭到破坏，可终止试验；②总的沉降量　＞４０　ｍｍ后，沉降总量大于前级的二倍，且２４　ｈ仍不稳　定者，可终止试验；③后期阶段，沉降随着荷载直线呈　比例增长，且总荷载量＞７５　ｍｍ时，可终止试验。　表３郑州、开封及东明黄河大桥试桩的实际资料　郑州桥　开封桥　东明桥　主体岩性　侧摩　极限承　侧摩　极限承　侧摩　极限承　阻力／ｋＰａ　载力／ｋＮ　阻力／ｋ１）ａ　载力／ｋＮ　阻力／ｋＰａ　载力／ｋＮ　粉细　４５～　４５～　９０　砂（松）　８０　５０　亚粘土　６０～　４０—　９０　（软塑）　１ｏ０　８０　亚粘士　ｌ４０～　１７　５９０　１５Ｏ　３０　３（）０　１６　Ｏ００　（硬塑）　１６ｏ　粘土　１２０—　２５　９２０　１６ｏ一　３０　３８０　２６　）ｏ　（硬塑）　１３５　１９０　粉，细　５０～　１ｏ０—　ｌ１０　砂（密实）　９０　１４０　中、粗砂　９０～　（密实）　１７Ｏ　从表３可知，第⑦～⑩层土完全可以满足桥梁桩　尖持力层的要求。　３　结语　黄河以其多泥砂、多淤积且为地上悬河而成为世　界上著名的河流，黄河下游的工程地质条件是复杂的，　在黄河下游河道建桥应该注意区域稳定、地形地貌与　河势、揭底冲刷、河床深槽、桩基持力层层位等主要工　程地质问题，研究和认识这些工程地质问题对于进行　黄河下游的桥梁建设具有重要意义。　修回日期：２００５—１２—１２　（责任审编　白敏华）