西南山區(qū)鐵路橋梁水文檢算的實(shí)踐與探討

李 俊

(成都鐵路局工務(wù)檢測所，四川成都 610081)

1 西南山區(qū)鐵路橋梁及水文環(huán)境概況

成都鐵路局管轄范圍包含西南兩省一市。川渝地區(qū)地處長江上游，流域內(nèi)支流眾多，徑流量豐富;水位季節(jié)變化較大;汛期集中在夏季;含沙量較小;沒有結(jié)冰期。川、渝、貴多處山地，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，主要包含高原、山地、丘陵和盆地四種基本類型，氣候具有明顯的亞熱帶性質(zhì)，主要表現(xiàn)為冬暖、春旱、夏熱、秋雨、多云霧、少日照;氣象災(zāi)害種類多，發(fā)生頻率高，范圍大，主要是干旱，暴雨、洪澇和低溫等也經(jīng)常發(fā)生。西南山區(qū)鐵路橋梁除了一小部分跨越長江干流和大支流以外，絕大部分位于在山區(qū)峽谷、山間寬谷漫流等小流域地區(qū)。山區(qū)河流流經(jīng)的地方都是地勢高峻、地形復(fù)雜的山區(qū)，這些地方巖石裸露、徑流系數(shù)大、匯流時間短，洪水暴漲陡落，而山間寬谷漫流河段則具有河槽淺小且基本穩(wěn)定，河灘遼闊，且灘上廣布耕地，汛期洪峰持續(xù)時間不長，洪水漲落快。這些地方基本都沒有詳盡的歷史水文資料。

橋梁水文勘測和水文計(jì)算是橋梁設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。從現(xiàn)有鐵路橋梁來看，很少有橋梁被車輛活載破壞，但橋梁淺基和孔徑不足等病害卻時有發(fā)生。由于地理位置的特殊，橋梁眾多，形式多樣，修建時間跨度大，橋梁的設(shè)計(jì)抗洪能力標(biāo)準(zhǔn)不一，成為了成都鐵路局鐵路橋梁的一大特色。局管橋梁共計(jì)600 余座，其中有始建于1936年，建設(shè)時間長達(dá)20 余年的成渝線，也有解放后六七十年代修建的成昆線，川黔線等普速鐵路橋梁。老線橋梁由于水文技術(shù)力量、水文資料積累有限，計(jì)算理論和方法照搬前蘇聯(lián)模式，與當(dāng)?shù)貜?fù)雜的水文情況相差較大;加之設(shè)計(jì)時對橋渡水文認(rèn)識不夠，節(jié)約投資等原因，造成橋梁水文方面的問題比較多。近年來隨著鐵路建設(shè)的逐步深入，在成都局管內(nèi)對部分既有線進(jìn)行了提速改造，新建了很多快速鐵路，新結(jié)構(gòu)新工藝建造的橋梁也逐漸增多。雖然橋梁水文理論經(jīng)過長時間的經(jīng)驗(yàn)積累，得到進(jìn)一步發(fā)展和提高，逐步形成了適應(yīng)我國各地區(qū)情況比較系統(tǒng)的水文檢算方法。但是橋梁水文計(jì)算涉及到天文、地理和氣候等很多方面的知識，每個從事水文的工程師對河流水文特性的理解、對橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的掌握不同，可能存在按同樣的水文資料由不同工程師設(shè)計(jì)的橋梁差別很大的情況。

西南山區(qū)鐵路大部分線路建造年代較早，橋梁設(shè)計(jì)抗洪能力標(biāo)準(zhǔn)普遍不高，特別是在行洪河道中的擴(kuò)大基礎(chǔ)橋梁，經(jīng)過長期運(yùn)營后，由于河道變遷，上游采砂，修建水庫等影響，逐漸出現(xiàn)淺基病害，孔徑不足等問題。為了能及時準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)鐵路橋梁水文病害和災(zāi)害隱患，避免給人民生命財(cái)產(chǎn)和鐵路交通運(yùn)輸工作帶來損失，鐵路橋梁的水文檢算工作變得尤為重要。

2 西南山區(qū)鐵路橋梁水文檢算實(shí)踐

目前設(shè)備管理單位對于西南山區(qū)鐵路橋梁的水文檢算工作主要是將既有過水橋梁的重要水文參數(shù)和指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)資料和現(xiàn)場收集的資料通過理論計(jì)算來進(jìn)行抗洪能力的校核。校核的主要參數(shù)包括橋址處河道的灘槽寬度、橋址河床斷面、灘槽糙率、各項(xiàng)流速數(shù)據(jù)、檢定流量、歷史洪痕等;橋梁抗洪能力檢算的主要指標(biāo)則是由橋梁的孔徑、沖刷檢算結(jié)果來反映。

經(jīng)過幾年的水文檢算工作實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)針對西南山區(qū)鐵路橋梁水文條件的復(fù)雜多樣，歷史水文資料的缺乏等條件限制下，橋梁抗洪能力的檢算的重點(diǎn)應(yīng)放在橋址河流的類型區(qū)分和檢定流量的推求上。只有將橋址河流所處流域和環(huán)境特征調(diào)查清楚，才有利于選擇檢定流量的推求方法。而檢定流量合理推求是橋梁的孔徑、沖刷檢算結(jié)果是否具有參考價值的前提。

檢定流量的推求一般分為兩類。

一類是利用橋址附近的水文觀測資料(包括歷史流量系列，水位觀測系列等)通過概率統(tǒng)計(jì)法和形態(tài)勘測方法來推求檢定流量;這類方法主要適用于我局管內(nèi)的跨長江流域上的干流或主要支流的長大橋梁。這些橋梁在設(shè)計(jì)建造階段就充分考慮了水文環(huán)境對橋梁的影響，且歷史水文資料收集保存也較為完善，因此在做水文檢算時推求的檢定流量和檢定水位一般來說是比較可靠的。這類橋梁因?yàn)榇蠖继幱诖蠼蠛又?，現(xiàn)場水文勘測工作對人員、測量儀器的要求較高。為了提高測量準(zhǔn)確度，一般采用全站儀和測深儀結(jié)合，對橋址處的水下地形和橋址周邊地形進(jìn)行準(zhǔn)確定位和測量，得到相對準(zhǔn)確的形態(tài)勘測數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行橋前水位坡度測量和流速測量。最后將推求的檢定流量與橋梁設(shè)計(jì)文件中的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行相互比較、相互映證，最后得到較為合理的檢定流量。

另一類則是缺乏水文觀測資料，利用雨量推求小流域暴雨洪峰流量來確定檢定流量，這類方法在小流域中的橋涵水文檢算中有著重要作用，在西南山區(qū)處于這類小流域的鐵路橋梁數(shù)量較多。該方法的重點(diǎn)是流域面積的確定，同時也是現(xiàn)場勘測工作中的難點(diǎn)。目前，確定流域面積的方法主要有兩種，一是進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，二是利用計(jì)算機(jī)對現(xiàn)有地形資料或者是衛(wèi)星圖片進(jìn)行描繪并輔助計(jì)算流域面積和河道比降數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場實(shí)測流域面積的方法優(yōu)點(diǎn)是測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對流域內(nèi)其他水文地質(zhì)資料收集較為全面細(xì)致，但測量工作任務(wù)繁重且時間長，測量儀器配備要求高，成本消耗大;利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的方法雖然簡單省事，但是現(xiàn)有地形圖精度低，人為因素對流域數(shù)據(jù)取值影響較大，這也會直接反映在檢定流量的推求中。解決這一矛盾的方法唯有進(jìn)行多方調(diào)查、使用多種方法和多次計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，才能盡可能的接近真實(shí)。

在計(jì)算檢定流量之后，橋梁的孔徑檢算和基礎(chǔ)沖刷檢算，以及既有橋梁的過洪能力檢算就會迎刃而解。目前進(jìn)行鐵路橋梁的孔徑檢算和基礎(chǔ)沖刷檢算主要采用人工計(jì)算和計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算兩種方式。兩種計(jì)算方式采用的計(jì)算依據(jù)都是以一般沖刷計(jì)算公式(64－1 式)和局部沖刷計(jì)算公式(85－1 式)為理論基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算機(jī)水文檢算軟件雖然可以簡化整個水文檢算工作的大部分工作，但是軟件本身開發(fā)不很完善，操作比較繁瑣。在對成都局300 余座山區(qū)過水橋梁的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，對水文資料豐富的橋梁得到的檢算成果較為可靠。而對小流域橋梁的檢算成果可靠性仍然不高，特別是有些很難找到設(shè)計(jì)水文參數(shù)的橋梁，檢算結(jié)果受到小流域檢定流量的準(zhǔn)確性影響很大，并且一些小流域過水橋梁，河床地質(zhì)參數(shù)取值對沖刷檢算結(jié)果影響同樣較大，時常會出現(xiàn)檢定流量沖刷后橋梁基礎(chǔ)懸空數(shù)米或數(shù)十米的檢算結(jié)果，但經(jīng)手工計(jì)算校核后，實(shí)際情況又并非如此。由此可見，橋梁水文檢算本來是基于理論和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的工作，計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算忽略對計(jì)算參數(shù)和現(xiàn)場實(shí)際情況的分析，將會降低對水文檢算成果準(zhǔn)確性。對一些不易判定的檢算結(jié)果，仍然要用人工計(jì)算的方法進(jìn)行校核。所以，人工計(jì)算仍是水文檢算工作中不可替代的一種檢算方法。

3 經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)

通過對山區(qū)大量既有鐵路橋梁的水文檢算工作實(shí)踐，使從事水文檢算工作的技術(shù)人員對鐵路橋梁水文檢算工作有了更深入的認(rèn)識，積累了經(jīng)驗(yàn)。隨著橋梁的水文勘測和水文檢算理論水平和技術(shù)手段的進(jìn)步，檢算結(jié)果的準(zhǔn)確性也逐步提高。但是不論采用哪種方式，檢算成果的好壞更重要的是取決于水文資料的積累。而設(shè)備管理者往往忽視了這個重要工作，特別是管運(yùn)多年的橋梁，由于橋梁水文環(huán)境受到自然條件和人為活動的影響較大，想要對橋梁的抗洪能力有準(zhǔn)確的評估和認(rèn)識，需要長期不懈的堅(jiān)持收集重要水文數(shù)據(jù)，這個過程是越長，水文檢算成果就越靠近真實(shí)。

［1］文雨松.橋涵水文［M］.中國鐵道出版社，2005

［2］鐵道部第三勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊橋渡水文［M］.中國鐵道出版社，1999

［3］四川省水利電力局水文總站.四川省水文手冊［M］.1979