上游水庫(kù)對(duì)于鐵路橋梁橋址處流量影響的研究

郝 勇

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)，天津 300308)

1 概述

鐵路橋梁是鐵路跨越河流、湖泊、海峽、山谷或其他障礙物，以及為實(shí)現(xiàn)鐵路線(xiàn)路與鐵路線(xiàn)路或道路的立體交叉而修建的構(gòu)筑物。水庫(kù)，一般的解釋為“攔洪蓄水和調(diào)節(jié)水流的水利工程建筑物，可以用來(lái)灌溉、發(fā)電、防洪和養(yǎng)魚(yú)?！彼侵冈谏綔匣蚝恿鞯莫M口處建造攔河壩形成的人工湖泊。水庫(kù)建成后，可起防洪、蓄水灌溉、供水、發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等作用。如何在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)階段合理確定上游水庫(kù)對(duì)于橋址處流量的影響，一直是橋梁設(shè)計(jì)者較為關(guān)注的問(wèn)題。

2 收集資料

當(dāng)?shù)刂鞴懿块T(mén)對(duì)于線(xiàn)路沿線(xiàn)基礎(chǔ)資料的掌握是最全面的。在外業(yè)勘測(cè)過(guò)程中，需要前往當(dāng)?shù)氐乃?、水文局、河道管理所、水?kù)管理所、水利樞紐管理處等各相關(guān)單位收集沿線(xiàn)水文資料。收集內(nèi)容通常包括地方水利志、水系圖、河流水庫(kù)參數(shù)、蓄滯洪區(qū)設(shè)置、地方水文計(jì)算辦法等。上述資料的收集對(duì)于合理確定橋梁位置和孔跨具有重要意義。

針對(duì)線(xiàn)位附近的水庫(kù)，在外業(yè)勘測(cè)基段則應(yīng)準(zhǔn)確了解涉及到的水庫(kù)名稱(chēng)、主管單位、水庫(kù)等級(jí)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、校核標(biāo)準(zhǔn)、總庫(kù)容、死庫(kù)容、主壩類(lèi)型、壩頂高程、壩頂寬度及長(zhǎng)度、溢洪道情況、最大設(shè)計(jì)下泄流量、潰壩流量等工程數(shù)據(jù)。必要的時(shí)候還應(yīng)了解水庫(kù)的實(shí)際用途，以便在設(shè)計(jì)過(guò)程中提前考慮施工方案對(duì)于水庫(kù)環(huán)境的影響。

3 處理思路

在準(zhǔn)確收集當(dāng)?shù)刭Y料后，應(yīng)針對(duì)線(xiàn)位與既有水庫(kù)工程的位置關(guān)系，視具體情況對(duì)水庫(kù)問(wèn)題進(jìn)行處理。處理思路如圖1所示。

3.1 線(xiàn)位穿越水庫(kù)或其附屬設(shè)施

當(dāng)鐵路選線(xiàn)困難，線(xiàn)位不可避免地走行于既有水庫(kù)之中，鐵路應(yīng)以橋梁形式跨越水庫(kù)，并盡量一跨跨越水庫(kù)堤壩結(jié)構(gòu)。如水庫(kù)水域面積較大，在充分爭(zhēng)取地方主管部門(mén)意見(jiàn)的前提下，宜以簡(jiǎn)支梁形式布設(shè)水庫(kù)內(nèi)孔跨，以盡量減小橋梁施工對(duì)于庫(kù)區(qū)的影響。

3.2 線(xiàn)位不穿越水庫(kù)或其附屬設(shè)施

當(dāng)線(xiàn)位不穿越水庫(kù)及其附屬結(jié)構(gòu)，而是僅走行于水庫(kù)附近，則應(yīng)優(yōu)先判斷水庫(kù)泄流路徑是否與線(xiàn)位交叉。判斷依據(jù)通常為沿線(xiàn)地形地勢(shì)、水庫(kù)大壩開(kāi)口方向、溢洪道設(shè)置情況等，如線(xiàn)位與水庫(kù)泄流路徑不交叉，則可暫不考慮水庫(kù)對(duì)于本線(xiàn)的影響。

當(dāng)線(xiàn)位與水庫(kù)的泄流路徑交叉，則鐵路橋梁在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮水庫(kù)對(duì)于橋梁的影響。

3.2.1水庫(kù)校核年限大于鐵路橋梁

當(dāng)水庫(kù)校核年限大于鐵路橋梁，則代表水庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高于橋梁，即在橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用過(guò)程中，不需考慮水庫(kù)潰壩造成的流量增加。但是水庫(kù)在使用過(guò)程中，根據(jù)其功能性的不同，亦需要經(jīng)常性的開(kāi)閘泄流，這部分泄流量會(huì)對(duì)橋梁的正常使用造成影響。因此在這種情況下，應(yīng)考慮水庫(kù)設(shè)計(jì)最大下泄流量并基于泄流路徑的長(zhǎng)度進(jìn)行折減。

折減公式如下：

QLM=W/(W/QM+LC/VK)。

其中,QLM為橋址處計(jì)算流量；QM為水庫(kù)設(shè)計(jì)最大下泄流量；LC為壩址與橋址間距；W為水庫(kù)下泄的水量體積,m3；V為河道洪水期斷面最大平均流速，有資料時(shí)采用歷史最大值；如無(wú)，山區(qū)用3.0 m/s～5.0 m/s，山前區(qū)用2.0 m/s～3.0 m/s，平原區(qū)用1.0 m/s～2.0 m/s；K為調(diào)整系數(shù)，山區(qū)1.1～1.5，山前1.0，平原0.8～0.9。

3.2.2水庫(kù)校核年限不大于鐵路橋梁

當(dāng)水庫(kù)校核年限小于鐵路橋梁，則代表水庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低于橋梁，即在橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用過(guò)程中，應(yīng)考慮水庫(kù)潰壩造成的流量增加。當(dāng)水庫(kù)校核年限等于鐵路橋梁，考慮到水庫(kù)在使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)不斷老化，或可能在使用過(guò)程中遭遇泥石流、地震或人類(lèi)活動(dòng)的破壞，實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)極有可能低于設(shè)計(jì)時(shí)的校核年限，因此也應(yīng)考慮水庫(kù)潰壩造成的流量增加。潰壩流量的計(jì)算公式如下：

QM=0.27g0.5(L/B)1/10(B/b)1/3b(H0-K′h′)3/2；

當(dāng)V≥106m3:

b=K1K2(V1/4B1/7H1/2)；

當(dāng)V<106m3:

b=K1K2(V1/4H1/4)。

其中,QM為水庫(kù)潰壩流量；L為水庫(kù)庫(kù)區(qū)長(zhǎng)，當(dāng)L/B>5，按L=5B取之；B為下游壩長(zhǎng)；b為壩體決口平均寬度；K1為安全系數(shù)，取1.1～1.3；K2為壩體建材系數(shù)，一般取1.2，對(duì)均質(zhì)壤土壩取2；K3為材質(zhì)系數(shù)；質(zhì)量由好到差可取6.6～9.1；V為水庫(kù)庫(kù)容；H為水庫(kù)壩高；H0為潰壩時(shí)壩體上游水深，可以壩高計(jì)；h′為潰壩后壩體殘留高度，取0以策安全；K′為修正系數(shù)，可按K′=1.4(bh′/BH0)1/3計(jì)算，bh′/BH0>0.3時(shí)，K′取0.92。

4 計(jì)算示例

本文以某高速鐵路項(xiàng)目初測(cè)為例進(jìn)行計(jì)算示例。項(xiàng)目沿線(xiàn)水資源豐富，水庫(kù)密布。其中，甲、乙兩座水庫(kù)均為小二型水庫(kù)，位于線(xiàn)位附近，且其下泄路徑均與線(xiàn)位交叉。甲水庫(kù)設(shè)計(jì)年限30年，校核年限200年；乙水庫(kù)設(shè)計(jì)年限20年，校核年限100年。故分別計(jì)算甲水庫(kù)的設(shè)計(jì)最大下泄流量及乙水庫(kù)的潰壩流量對(duì)于本項(xiàng)目的影響。

4.1 橋址處甲水庫(kù)設(shè)計(jì)最大下泄流量計(jì)算

根據(jù)外業(yè)勘測(cè)階段收集得到的資料，甲水庫(kù)行洪最大下泄水量為387.1萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)最大下泄流量為738.22 m3/s。已知沿甲水庫(kù)泄流路徑，壩址與橋址距離為3.5 km，河道洪水期斷面最大平均流速取1 m/s，調(diào)整系數(shù)K取0.8，則計(jì)算得到，當(dāng)甲水庫(kù)下泄設(shè)計(jì)最大下泄量的水體，根據(jù)上述公式，橋址與泄流路徑交叉處增加流量應(yīng)為402.45 m2/s。

4.2 橋址處乙水庫(kù)潰壩流量計(jì)算

根據(jù)外業(yè)勘測(cè)階段收集得到的資料，乙水庫(kù)總庫(kù)容12.08萬(wàn)m3，壩寬77 m，壩高22.45 m，計(jì)算得潰壩流量為1 727.11 m3/s。已知沿乙水庫(kù)泄流路徑，壩址與橋址距離為6.08 km，河道洪水期斷面最大平均流速取4 m/s，調(diào)整系數(shù)K取1.3，則計(jì)算得到，當(dāng)乙水庫(kù)潰壩，根據(jù)上述公式，橋址與泄流路徑交叉處增加流量應(yīng)為25.45 m3/s。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)既有水庫(kù)工程與鐵路線(xiàn)位的位置關(guān)系，本文分別闡述了鐵路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮上游水庫(kù)對(duì)于橋址處流量影響的幾種思路。應(yīng)用本文所述的設(shè)計(jì)思路，可以較準(zhǔn)確的考慮水庫(kù)在不同情況下泄流時(shí)對(duì)于橋址處流量的影響，對(duì)于橋梁選址和選型具有重要的參考意義。