鐵路跨河橋梁工程防洪評價常見問題探討

馬進(jìn)榮，李宗駿，2

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029;2.河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

鐵路建設(shè)和水利建設(shè)都是基礎(chǔ)性的民生工程，鐵路建設(shè)中跨河橋梁工程要考慮水流阻力、堤防安全、防汛通道等影響因素，同時涉及鐵路工程投資和水利工程安全及維護(hù)費用，因此防洪評價十分重要。鐵路跨河橋梁工程防洪評價目的是就工程建設(shè)可能對工程所在地堤防、建筑物的防洪影響進(jìn)行分析評價，并提出相應(yīng)的措施和建議［1－3］。評價工作主要從橋梁工程建設(shè)前后河勢及水位變化情況上著手分析工程建設(shè)對相應(yīng)河道行洪及周邊河岸(堤)安全的影響，并從有利于防洪安全、滿足河道正常行洪的角度，對橋梁工程的建設(shè)規(guī)模、型式、高程控制等提出合理建議和補(bǔ)救意見，提出減少或消除其不利影響的措施。以連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路洪評為例，介紹遇到的問題、解決的方法、落實的解決方案，對江蘇省正在推進(jìn)和即將推進(jìn)的其他鐵路建設(shè)跨河橋梁防洪評價工作有切實的指導(dǎo)意義，也可供鐵路設(shè)計和水行政主管部門決策參考。

1 江蘇省高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃

1.1 規(guī)劃待建鐵路

江蘇省先后有滬寧城際鐵路、京滬高鐵、寧杭高鐵和合寧高鐵等4條高鐵建成通車，全省2718km鐵路總里程中，高鐵里程達(dá)1228km。新一輪高速鐵路發(fā)展計劃中，江蘇省列入國家計劃的項目共有11個，其中新開工項目7個，即滬通鐵路、連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路、徐宿淮鹽鐵路、新長鐵路鹽城至海安段改造、寧啟鐵路二期、青連鐵路、符夾線改造工程;在建項目4個，即寧啟鐵路復(fù)線電氣化改造工程、寧安鐵路、鄭徐客專、連鹽鐵路。上述11個項目建成后，全省將形成“三縱四橫”高速鐵路骨干網(wǎng)，13個省轄市將全部開通時速200km(含)以上的高鐵，全省44個縣(市)，將有26個通上高鐵［2］。

三縱為:京滬高速鐵路徐州—南京段;新沂—淮安—鎮(zhèn)江;連云港—鹽城—海安—南通—上海(沿海鐵路)。四橫為:徐州—邳州—連云港;宿州—宿遷—淮安—鹽城;南京—揚(yáng)州—泰州—海安—南通—啟東;南京—鎮(zhèn)江—常州—江陰—張家港—常熟—太倉—南翔(沿江城際鐵路)。加上南京—上海(含既有滬寧鐵路京滬高速鐵路滬寧段、滬寧城際軌道交通)和馬鞍山—南京—宜興—杭州即為“六橫”(見圖1)。

1.2 連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路

連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路是三縱中的中線骨干鐵路，是省內(nèi)連接蘇中、蘇北、蘇南地區(qū)的南北縱向主通道，并具有京滬高速鐵路輔助通道的重要功能，在國家鐵路網(wǎng)和江蘇省綜合運(yùn)輸體系中具有重要地位。沿線途徑連云港市、灌云縣、灌南縣、漣水縣、淮安市、寶應(yīng)縣、高郵市、揚(yáng)州市、鎮(zhèn)江市等縣市，全線共設(shè)董集、灌云、灌南、漣水、淮安東、寶應(yīng)、高郵高鐵、高郵界首、揚(yáng)州南、橫山、丹徒11個車站。

項目建議書于2013年8月21日獲國家發(fā)改委批準(zhǔn)立項;可行性研究報告于2014年9月30日獲國家發(fā)改委批復(fù);先行開工段施工圖于2014年11月2日獲鐵路總公司批復(fù)。

2 連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路洪評中的若干問題

連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路防洪評價專題研究設(shè)定洪評工作期限為2個月，實際評價研究工作時間超過4個月，許可批文的獲取時間更超出了業(yè)主的預(yù)期。預(yù)期目標(biāo)不能順利實現(xiàn)的原因是多方面的，既有技術(shù)性，更多的是非技術(shù)性，以下選取具有代表性的問題進(jìn)行介紹，旨在分析原因、總結(jié)經(jīng)驗，為鐵路跨河渠橋梁方案設(shè)計及洪評研究提供參考。

2.1 洪評專題開展時機(jī)問題

水利部門要求洪評專題的開展應(yīng)在建設(shè)項目書或預(yù)可研報告批準(zhǔn)后、可行性報告審查批準(zhǔn)前，配合工程可行性研究同步開展;鐵路部門通常是配合初步設(shè)計開展。雖然鐵路部門與水利部門對工可的深度存在差別，但按鐵路部門的工作安排，洪評專題開展時，鐵路線位已很難變更，洪評專題只能針對橋梁跨徑、墩柱位置提出修改調(diào)整意見，具體的跨徑、墩柱尺度和軸線方向均以鐵路規(guī)范為準(zhǔn)。因此鐵路線位與走向不利行洪、排澇規(guī)定之時，初步設(shè)計方案的調(diào)整往往導(dǎo)致鐵路橋梁投資或補(bǔ)償措施投資大幅增加。

連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路跨入江水道聯(lián)絡(luò)線距其南側(cè)既有寧啟鐵路線和在建寧啟復(fù)線均很近，3條鐵路中心線間距在金灣河、太平河分別約為42和31 m;在鳳凰河、新河的間距均約為57m。3座橋橋墩尺度迎水流方向墩寬一般為2.0～3.6m(跨徑越大墩柱越寬)，順?biāo)鞣较虺叨纫话銥?.0～6.5m，而且順?biāo)鞣较虿⒎桥c水流主方向無夾角，金灣河的墩軸線與水流夾角為9°、太平河達(dá)27°、風(fēng)凰河與新河均約為5°。這樣的定線方案原則上不符合行洪安全。正是因為3座鐵路橋緊密相鄰，阻水效應(yīng)疊加，對入江水道行洪形成了較明顯的影響，在入江水道按設(shè)計流量12000m3/s行洪時，金灣河墩前最大壅高值為0.087m，太平河為0.06m，鳳凰河為0.029 m，新河為0.044 m，京杭運(yùn)河為0.048 m。為消除工程建設(shè)對該區(qū)段的不利影響，開展了大量的補(bǔ)償措施研究，獲得認(rèn)可的補(bǔ)償方案需開挖土方量約68萬m3，還存在一定的施工難度?？缛虢罉蛄汗こ淘S可批文下達(dá)后，鐵路總公司綜合經(jīng)濟(jì)等因素，廢止了該段鐵路線位方案，新線位下的橋梁方案目前正在論證中。

連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路跨越北六塘河的線位也給方案設(shè)計帶來明顯制約，鐵路軸線距北六塘閘壩體軸線過近，南端約67m，北端約147m，且河道北岸附近設(shè)有控制閘門運(yùn)行的水位站。雖然河寬只有86m，但最終跨河橋梁采用了(73+120+73)m跨徑，在河道南部水域還設(shè)有一個阻水墩柱。采用如此大跨徑還對水利有較大影響，關(guān)鍵仍然是因為定線時沒有考慮到這些潛在的制約因素。

鐵路線位定線時與水利部門溝通不夠引起的投資增加情況很多，圖2給出一連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路穿越崔印蕩的線位示意?？梢姶┰皆摵帟r自北往南在湖蕩區(qū)略有西偏，在湖蕩CYD04樁號附近轉(zhuǎn)為東偏。洪評專題招標(biāo)文件中沒有標(biāo)注該湖蕩，定線時顯然不清楚該段有湖蕩存在，鐵路線走向稍作調(diào)整就可以避免穿越界樁CYD03～CYD04段西側(cè)湖蕩，不僅減少湖蕩對施工期、環(huán)保等的諸多限制，湖蕩補(bǔ)償?shù)馁M用也將大大降低。

2.2 洪評專題研究目的

《中華人民共和國防洪法》第二十七條:“建設(shè)跨河、穿河、穿堤、臨河的橋梁、碼頭、道路、渡口、管道、纜線、取水、排水等工程設(shè)施，應(yīng)當(dāng)符合防洪標(biāo)準(zhǔn)、岸線規(guī)劃、航運(yùn)要求和其他技術(shù)要求，不得危害堤防安全，影響河勢穩(wěn)定、妨礙行洪暢通;其可行性研究報告按照國家規(guī)定的基本建設(shè)程序報批前，其中的工程建設(shè)方案應(yīng)當(dāng)經(jīng)有關(guān)水行政主管部門根據(jù)前述防洪要求審查同意。”《防洪法》明確了洪評專題的首要任務(wù)應(yīng)是確保堤防安全、維護(hù)河勢穩(wěn)定、保證行洪暢通，方案設(shè)計與優(yōu)化、相應(yīng)補(bǔ)償措施都應(yīng)以此為基本原則?！逗拥拦芾矸秶鷥?nèi)建設(shè)項目防洪評價報告編制導(dǎo)則(試行)》(水利部辦公廳文件辦建管［2004］109號)進(jìn)一步細(xì)化了洪評專題應(yīng)開展的工作，在防洪評價計算部分還明確了要開展數(shù)模計算和物模試驗(對河道的沖淤變化可能產(chǎn)生較大影響、對河勢穩(wěn)定可能產(chǎn)生較大影響、所在河段有重要防洪任務(wù)或重要防洪工程的應(yīng)開展物理模型試驗)［3－7］。洪評相關(guān)的水利法規(guī)和導(dǎo)則對該專題研究是寄于厚望的，期望通過評價計算、模擬研究得到重要成果，從而指導(dǎo)工程方案的設(shè)計。要得到準(zhǔn)確的計算成果，需要大量的基礎(chǔ)資料和研究時間，這些在短時間內(nèi)是難以完成的;鐵路橋梁方案的設(shè)計時橋墩承臺高程、樁長等重要參數(shù)的設(shè)計并沒有依據(jù)洪評專題的沖刷分析布置。洪評專題應(yīng)以發(fā)充分發(fā)揮其技術(shù)評價功能為主要任務(wù)，不能僅作為鐵路與水利部門溝通協(xié)調(diào)的“橋梁”。

2.3 斜橋正做與斜做問題

連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路沿線，阻水橋墩長軸方向與水流方向夾角超過5°的河渠有51條，占鐵路沿線跨河渠總橋梁數(shù)的25.6%。

當(dāng)橋墩長軸方向(正做時的橋軸線法向)與水流方向交角較大時，為了減小橋墩對水流的阻水截面積、防止墩柱導(dǎo)流引起流態(tài)紊亂及沖刷堤岸［8］，水利部門通常要求斜橋斜做，使阻水墩柱的軸線方向與水流方向一致。斜橋斜做在公路橋梁方面應(yīng)用已較為廣泛，但在鐵路橋梁方面應(yīng)用很少。這主要是因為鐵路橋梁受力結(jié)構(gòu)與公路有明顯差別，鐵路斜橋計算中的許多關(guān)鍵問題目前仍認(rèn)識模糊，設(shè)計理論與方法、力學(xué)特點、構(gòu)造特點、施工要點均不很明確，有關(guān)規(guī)范還沒有對此作出明確的條文規(guī)定。鐵路斜橋目前在框架橋(一般跨度不超過16m)領(lǐng)域已有應(yīng)用，但仍不成熟。

相信隨著技術(shù)進(jìn)步，鐵路斜橋斜做是可行的。目前設(shè)計理論不成熟時期仍應(yīng)盡量避免，圓形墩和圓端形墩暫可作為一種替代方案。

允許斜橋正做對設(shè)計方案并不是一種放松，因為“正做”會引起局部挑流或?qū)Я?，可能引起河勢動蕩?］;水流受墩柱引導(dǎo)，如果沖向土質(zhì)堤岸，將危害堤防安全;也是因為“正做”，橋墩阻水面積比會較大，行洪難以維持通暢。防洪法對建設(shè)項目的基本要求重中之重均受影響，墩柱的可布置空間實際上很小，強(qiáng)行擺放則需代價很大的補(bǔ)償措施來消除或減緩不利影響。

圖2 連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路穿越崔印蕩示意Fig.2 A railway crossing Cuiyindang Lake

2.4 規(guī)劃的銜接問題

鐵路橋梁在設(shè)計過程中與交通方面的規(guī)劃銜接情況明顯優(yōu)于水利方面，一方面可能是因為跨系統(tǒng)協(xié)調(diào)阻礙多，另一方面還是在于鐵路建設(shè)部門與水利部門的溝通不充分。水利規(guī)劃往往都是百年大計，審批流程復(fù)雜，編制調(diào)整時間漫長，在公開的水行政主管部門網(wǎng)頁上也沒有規(guī)劃資料的下載鏈接，鐵路設(shè)計部門收集水利規(guī)劃的難度大。鐵路設(shè)計時依照規(guī)定，一般只有批復(fù)的水利規(guī)劃才作為依據(jù)，當(dāng)收集到現(xiàn)行頒布實施的水利規(guī)劃后，也對編制中的水利規(guī)劃沒有主動掌握的迫切愿望。這給鐵路方案的設(shè)計帶來了隱患，直接影響到工可階段確定投資總額，制約了初步設(shè)計階段方案調(diào)整的空間、增加了方案反復(fù)調(diào)整及與水行政主管部門的溝通工作量。

以《江蘇省淮河流域沂南地區(qū)防洪除澇規(guī)劃報告》為例，該規(guī)劃于2006年初開始編制，至2014年9月，其送審稿出了6個版本，但仍未最終定稿，更談不上批復(fù)。連淮揚(yáng)鎮(zhèn)連云港段跨河橋梁洪評預(yù)審時(2014年9月19日)，恰遇參于該規(guī)劃編制的水利專家知悉南六塘河的河道功能將有變化，其上游多條排入其他河流的支流將改線排入南六塘河，使得南六塘河的排水流量大幅增加，河道需大幅擴(kuò)容。南六塘河的擴(kuò)容工程也是江蘇省的重點工程，勢在必行，鐵路橋梁設(shè)計如不考慮這一實際情況，可能給該河道的河勢穩(wěn)定、行洪排澇安全造成隱患;橋梁工程本身也可能因考慮排水流量不足引起安全問題。后在水行政主管部門和規(guī)劃編制單位的大力支持下，費時約1個月確定了南六塘河的部分規(guī)劃參數(shù)。

由此可見，鐵路橋梁方案設(shè)計階段適當(dāng)關(guān)注編制中或修編中的重大水利規(guī)劃十分必要，防洪評價專題適當(dāng)提前可為此類問題的解決預(yù)留時間，確保工程推進(jìn)總體計劃順利實現(xiàn)。

2.5 評價計算與補(bǔ)償措施研究問題

連淮揚(yáng)鎮(zhèn)鐵路穿越里下河水網(wǎng)地區(qū)，高密度的河道縱橫交錯，絕對不占堤身設(shè)計斷面、不占河道行洪輸水?dāng)嗝嬖诮?jīng)濟(jì)上不可行，技術(shù)上也不可行，必要的補(bǔ)償措施是解決方案設(shè)計困難的有效途徑。具體的補(bǔ)償措施依賴于相應(yīng)的評價計算，評價計算采用的手段受限于基礎(chǔ)資料及工作時間。

河勢的演變分析與評價是判斷橋址合理性重要因素之一，現(xiàn)在專題工作安排在鐵路線位確定之后，使得這部分評價的作用大打折扣，但是演變趨勢預(yù)測的重要性提高。橋梁阻水墩柱與水流交角過大時可能引起局部河勢動蕩，受墩柱導(dǎo)流后的水流頂沖點一般不在橋軸線處，隨水流強(qiáng)弱位置會在一定幅度內(nèi)擺動，如遇感潮河段，水流方向反轉(zhuǎn)，頂沖位置的變動區(qū)段更長。水流對河床及岸坡的沖刷影響還受局部河段地形地貌、土質(zhì)、岸坡植被等多種因素影響，準(zhǔn)確的防護(hù)位置預(yù)測往往需要開展物理模型研究才能夠確定，依據(jù)平面二維數(shù)模、一維數(shù)模及經(jīng)驗公式都只能在一定精度范圍內(nèi)估測［10－13］。

關(guān)于壅水計算，雖然《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(TB10071—1999)給出了橋前最大壅水高度和最大壅水長度計算公式，但不能給出壅水水位分布場，計算公式中參數(shù)只能根據(jù)不同河段特征取經(jīng)驗值。與平面二維水流數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果相比較，二維模型的墩前壅水高度一般都明顯大于公式計算值，如果阻水墩靠近河岸，堤前壅水高度按公式取值可能偏小。

關(guān)于沖刷深度計算，《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》也給出一般沖刷與局部沖刷的計算公式，公式計算結(jié)果也不能精細(xì)刻畫橋墩引起的實際沖刷形態(tài)，水流泥沙數(shù)學(xué)模擬計算往往因驗證資料缺乏難以開展，較精確的成果往往需要物理模型試驗才能得到。

補(bǔ)償措施除了需依據(jù)工程建設(shè)后的水位、流速、地形沖淤等變化進(jìn)行研究外，通常還包括施工期對堤防破壞的補(bǔ)償、堤頂防汛道路、第三方水事權(quán)益等的補(bǔ)償措施。這些問題在洪評專題中需要研究提出建議，重要的補(bǔ)償措施還需開展專項設(shè)計研究。

3 結(jié)語

鐵路跨河渠橋梁工程洪評專題是涉及兩大民生工程的研究專題，不應(yīng)僅作為獲得行政許可的例行公事，提前開展對鐵路線位比選優(yōu)化、跨河橋梁工程方案設(shè)計優(yōu)化、節(jié)約投資都是有益的。水利規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃應(yīng)在工可階段充分收集，除了現(xiàn)行頒布實施的規(guī)劃外，正在編制中的重要規(guī)劃也應(yīng)收集。

防洪問題直接涉及人民生命財產(chǎn)安全，一旦失事?lián)p失慘重。特別是在發(fā)達(dá)地區(qū)，土地資源相對匱乏，河道的行洪排澇斷面往往沒有富裕，大部分河流都依靠加高堤防來滿足規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，平原河網(wǎng)地區(qū)加高堤防經(jīng)常涉及相聯(lián)通的河流，能減少阻水面積比應(yīng)盡量減小。

“斜橋斜做”如能實現(xiàn)將大幅減小對河道的不利影響、大幅減小相應(yīng)的補(bǔ)償措施投資，應(yīng)作為今后技術(shù)突破的重要研究方向之一。

本文主要結(jié)合防洪評價專題對高速鐵路跨橋梁工程方案設(shè)計進(jìn)行探討，方案的具體設(shè)計過程中還需要考慮更多的其他因素，如投資、通航、土地利用、線位等。

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