洪安澗河鐵路特大橋防洪評價分析

楊菊香

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，太原030024）

1 概況

1.1 鐵路大橋

洪安澗河鐵路特大橋位于山西省臨汾市洪洞縣蘇堡鎮(zhèn)董寺與曲亭鎮(zhèn)范村一帶，鐵路等級為國鐵Ⅰ級，大橋設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇。大橋全長1130.08m，中心里程樁號DK325+032.04，橋孔跨布置34m×32m。橋型為34～32m簡支梁橋，共35墩34跨，河道內(nèi)設(shè)有20個橋墩，主河道內(nèi)布置4個橋墩，橋墩采用變截面圓端形柱式墩，最大橋墩厚度由頂部2.5m逐漸變大到4.9m，橋墩的平面形狀上游段與下游段均采用半圓形，最大半徑2.45m，大橋設(shè)計梁底板高程508.87m，矩形橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。大橋由北向南跨越洪安澗河干流下游河道，線路方向與河流方向成80°交角。

1.2 洪安澗河

洪安澗河為汾河一級支流，發(fā)源于古縣、沁源和安澤交界處的太岳山，在洪洞縣蘇堡鎮(zhèn)南鐵溝入洪洞縣境，在洪洞縣北營村流入汾河。洪安澗河主流全長59.7km，縱坡1.04%，流域面積1121km2。河型為單式河谷，河床穩(wěn)定，基本為砂礫卵石沖積而成［1］。橋位交叉以上控制流域面積1113km2，橋址區(qū)為洪安澗河的沖積階地區(qū)，地形平坦，地勢開闊。洪安澗河現(xiàn)狀河段在古縣縣城段、洪洞縣城區(qū)段及古縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)段進(jìn)行過治理，橋址所在該段河道右岸有堤防。

2 防洪評價計算

2.1 洪水

洪安澗河鐵路特大橋工程屬國鐵Ⅰ級特大橋工程，根據(jù)GB 50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》要求，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇設(shè)計；該工程所在河段兩岸為鄉(xiāng)村，確定河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇［2］。

洪安澗河在橋址斷面上游設(shè)有東莊水文站，控制流域面積987km2，為國家正規(guī)水文站，資料可靠。根據(jù)東莊站1953～2005年共53年的實測洪水系列資料，并將1916年歷史調(diào)查洪水加入實測洪峰系列進(jìn)行頻率分析，適線時洪峰以點據(jù)配合最佳為原則，并適當(dāng)照顧大水點據(jù)，采用P-Ⅲ型適線成果。根據(jù)適線成果求出東莊站不同頻率設(shè)計洪峰流量。鐵路大橋橋址斷面至東莊水文站之間無支流匯入，暴雨分布比較均勻，區(qū)間無特殊的調(diào)蓄作用，橋址斷面處與東莊水文站的控制流域面積相差不大，僅為11%，采用面積比法計算洪安澗河橋址斷面處的洪水。經(jīng)計算，100年一遇的洪峰流量3063m3/s，20年一遇洪峰流量1522m3/s。設(shè)計洪峰流量成果如表1。

表1 設(shè)計洪峰流量成果

2.2 洪水位及雍水計算

河道水面線采用一維恒定非均勻漸變流方程計算：

式中 Z為斷面水位（m）；Q為斷面流量（m3/s）；V為平均流速（m/s）；a，ξ 分別為動能修正系數(shù)和局部阻力系數(shù)；K為綜合流量系數(shù)，K=∑AiRi（2/3）/ni，其中Ai，Ri，ni分別為河道的過水面積、水力半徑和糙率。

依據(jù)現(xiàn)場察看及縱、橫斷面資料分析，橋址所在河道平緩、寬闊，屬緩流區(qū)，故自下而上逐斷面推算河道水面線［3］。從推求河道河段最下游斷面開始，把該斷面過設(shè)計流量時的水位作為起始水位，根據(jù)水文和河槽類型等資料，選取河槽糙率為0.035，逐斷面推算上游斷面的水位。

經(jīng)計算，大橋建成后發(fā)生100年一遇洪水時，本大橋橋址處水面寬度減小，斷面平均流速增加，設(shè)計洪水位481.42m，較現(xiàn)狀壅高0.44m，橋址以上形成壅水段，壅水長度約600m，最大壅水高度0.44m。建橋后發(fā)生20年一遇洪水時，橋址處洪水位480.68m，比現(xiàn)狀壅高0.38m，橋址以上形成壅水段，壅水長度500m，最大壅水高度0.38m。

洪水位及壅水分析計算成果如表2。

表2 壅水計算成果

2.3 橋梁底部高程復(fù)核計算

根據(jù)JTG C30—2002《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》規(guī)定［4］，確定橋梁底部高程=設(shè)計洪水位（Hs）+壅水高度（ΔZ）+風(fēng)壅增水高度（e）+橋墩沖高（Δh沖）+橋下凈空安全值（Δhj）。

計算結(jié)果如表3。

表3 橋梁底部高程復(fù)核值 單位：m

經(jīng)計算，建橋后100年一遇洪水發(fā)生時，橋梁底部高程復(fù)核值為482.97m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計橋梁底板高程，不影響河道行洪。

2.4 沖刷計算分析

2.4.1 水流斜沖防護(hù)岸坡沖刷

水流斜沖防護(hù)岸坡沖刷深度依據(jù)GB50286—98《堤防工程設(shè)計規(guī)范》公式計算［5］：

式中 Δhp為從河底算起的局部沖深（m）；α 為水流流向與岸坡交角（°）；m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)；d為坡腳處土壤計算粒徑（cm），對非粘性土，取大于15%（按重量計）的篩孔直徑；Vj為水流的局部沖刷流速（m/s）。

2.4.2 水流平行于岸坡沖刷

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷計算按 《水力計算手冊》公式計算［6］：

式中 hB為局部沖刷深度（m）；hp為沖刷處的深度（以近似設(shè)計水位最大深度代替）（m）；Vp為平均流速（m/s）；VH為河床面上允許不沖流速（m/s）；n為系數(shù)，與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取0.25。

沖刷深度計算結(jié)果如表4。

表4 大橋橋址處河道堤岸沖刷深度 單位：m

由表4并結(jié)合水面線計算成果可知：①洪安澗河特大橋建成后，當(dāng)發(fā)生100年一遇洪水時，在橋址斷面上游600m范圍內(nèi)形成壅水段，其水流流速增加，沖刷深度增加0.19m，發(fā)生20年一遇洪水時沖刷深度增加0.13m；②洪安澗河特大橋橋址右側(cè)有堤防，河灘平緩寬闊，橋墩與水流呈10°夾角，對水流方向有改變，導(dǎo)致水流對堤岸沖刷有增加。

2.5 防洪綜合評價

洪安澗河特大橋建成后，兩側(cè)河灘內(nèi)將矗立20個橋墩，墩柱具有阻水面積，使河道行洪過水面積減小，橋址處壅水較高，水流流速加快，橋址以上形成壅水段并產(chǎn)生淤積，使上游河道縱向緩慢淤高。主河道內(nèi)布置4個橋墩，對河道主流流線影響較大。

大橋的施工建設(shè)是在河道有堤防的地方進(jìn)行，對現(xiàn)有堤防有所擾動。發(fā)生較大洪水時，橋址處一定范圍內(nèi)水流流速加快，對河道堤防的沖刷有所加劇。工程建設(shè)要永久或臨時占用河道管理范圍內(nèi)土地，且要在河道內(nèi)外施工，勢必破壞河道兩岸的防護(hù)作物。

工程屬國鐵Ⅰ級特大橋工程，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇設(shè)計洪水，符合GB 50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》要求；河道段鄉(xiāng)村防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇洪水，符合GB 50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》及GB 50286—98《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。大橋設(shè)計梁底板高程遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本次復(fù)核按100年一遇設(shè)計洪水計算的橋梁底部高程，大橋設(shè)計滿足防洪要求。

3 工程影響防治措施

3.1 對河道泄洪、河道管理影響的防治補(bǔ)救措施

3.1.1 河道泄洪

在河道內(nèi)外施工建設(shè)，堆渣、棄渣量較大，將影響河道行洪安全。建議妥善安排施工期，務(wù)必在汛期來臨之前工程施工完畢。在施工完成后，將棄渣清理出河道集中處理，防止洪水受阻或棄渣被帶入主河道，并推平施工便道等臨時建筑物，恢復(fù)河道原貌，以利洪水通暢宣泄。

3.1.2 河道管理

施工建設(shè)是在河道有堤防的地方進(jìn)行，對現(xiàn)有堤防有所擾動。施工期間建設(shè)單位應(yīng)與河道管理部門保持聯(lián)系，商討堤防的拆除和修復(fù)問題等。大橋建設(shè)對河灘地和灘地防護(hù)作物有影響，建設(shè)單位應(yīng)與河道管理部門及時聯(lián)系和協(xié)商，解決好施工影響河道灘地問題及已經(jīng)確權(quán)劃界土地的征占用問題等。

3.2 對河道壅水及沖刷的防治補(bǔ)救措施

3.2.1 河道壅水

洪安澗河特大橋建成后，河道過水面積減小，流速加快，發(fā)生100年一遇洪水時，橋址處河道洪水位壅高0.44m，影響范圍約600m；發(fā)生20年一遇洪水時，橋址處河道洪水位壅高0.38m，影響范圍約500m。在壅水影響范圍內(nèi)右側(cè)有堤防，堤防右岸有董寺村，因此，建議在影響范圍內(nèi)對右岸堤防進(jìn)行防護(hù)加固處理。

3.2.2 防治補(bǔ)救

工程建成后，較大洪水時，橋址處一定范圍內(nèi)水流流速加快，對河道沖刷有所加劇。建議對橋址處上下游50m范圍內(nèi)的河道及左岸岸坡、右岸堤防進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)加固，以減小建橋引起的水流對護(hù)岸沖刷影響。

3.3 減少對環(huán)境與水質(zhì)影響的防治補(bǔ)救措施

項目建設(shè)初期應(yīng)及時做好水土保持工作，對可能造成的水土保持方面的影響做好預(yù)測和評估，并擬定減少影響所應(yīng)該采取的措施；對施工區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的廢水、污水等應(yīng)通過適當(dāng)處理，實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，不得任意棄置或直接向河道排放，避免對河道水質(zhì)及周邊環(huán)境產(chǎn)生污染；對河道、岸邊開挖等毀壞的生物保護(hù)和地表植被進(jìn)行恢復(fù)。

［1］李英明，潘軍峰.山西河流［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［2］GB 50201—94，防洪標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］李煒.水力計算手冊（第二版）［K］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［4］JTG C30—2002，公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］GB50286—98，堤防工程設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計算手冊［K］.北京:水利出版社，1980.