高速鐵路特大橋跨中小型河道洪水影響分析

段淑遠(yuǎn),龐亞磊

(平頂山水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 平頂山 467000)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)目前正處在快速發(fā)展的階段，高速鐵路的建設(shè)已經(jīng)成為中國(guó)面向全世界發(fā)展的一張重要名片[1]。高速鐵路的建設(shè)是完善國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)大陸橋走廊多層次運(yùn)輸布局的需要，是構(gòu)建橫貫東中西、聯(lián)結(jié)南北方的經(jīng)濟(jì)走廊，是驅(qū)動(dòng)支撐地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增強(qiáng)城市群整體競(jìng)爭(zhēng)力、輻射力和影響力的需要[2-3]。截至2021年4月，我國(guó)高速鐵路營(yíng)運(yùn)總里程已達(dá)3.79×104km，主要運(yùn)輸指標(biāo)穩(wěn)居世界第一[4]。大部分高速鐵路在建設(shè)過(guò)程中需要跨越河道、河口和洪水蓄滯區(qū)等河流范圍[5]。涉水高速鐵路建設(shè)工程可能會(huì)改變河道原本的地質(zhì)條件和水文條件，并且會(huì)影響到河道行洪水位、河流現(xiàn)狀等[6-7]。橋梁跨越河道建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)符合防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求，否則會(huì)對(duì)橋梁跨越處河段及其上下游的防洪安全產(chǎn)生影響[8-9]。2021年，國(guó)家水利部下發(fā)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則》，對(duì)此更是進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)[10]。

1 項(xiàng)目概況

新建平頂山經(jīng)漯沙至周口高速鐵路(簡(jiǎn)稱平漯周鐵路)位于河南省中南部，自西向東銜接平頂山市、漯河市和周口市。平漯周鐵路灰河跨越工程建設(shè)項(xiàng)目位于平頂山市葉縣廉村鎮(zhèn)韓橋村西。橋梁總長(zhǎng)145.7 m,共3跨。設(shè)計(jì)行車速度為350 km/h，CRTSI型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，全橋依地勢(shì)及分跨受力要求設(shè)有40.85 m+64 m+40.85 m連續(xù)梁，沿線設(shè)雙線圓端形實(shí)體橋墩，兩側(cè)設(shè)雙線矩形空心橋臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)均為鋼筋混凝土鉆孔樁，樁徑根據(jù)不同跨度和地質(zhì)條件分別為1.25 m,1.5 m。該橋梁的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。橋梁與河道夾角約為40°12′，河道寬約60 m，河岸兩側(cè)均為土質(zhì)邊坡無(wú)護(hù)砌，兩側(cè)均有頂寬3 m河堤。灰河跨越段鐵路橋平面位置見(jiàn)圖1。

圖1 灰河跨越段鐵路橋平面布置圖(單位：m)

跨越段橋梁上部連續(xù)梁采用單箱單室整孔箱梁，梁頂寬度12.6 m，擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬9 m，橋梁建筑總寬度13.75 m，橋面設(shè)置電纜槽豎墻、蓋板、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)；橋梁下部為雙線圓端形實(shí)體墩，1#和4#墩寬2.5 m，長(zhǎng)7 m，2#墩寬3.2 m，長(zhǎng)7.6 m，3#墩寬3.56 m，長(zhǎng)7.96 m。墩下設(shè)高樁承臺(tái)，1和4承臺(tái)寬7.8 m，長(zhǎng)11.75 m，臺(tái)高2.5 m，臺(tái)下采用直徑1.25 m鉆孔灌注樁；2和3承臺(tái)寬10.1 m，長(zhǎng)13.8 m，臺(tái)高3 m，臺(tái)下采用直徑1.5 m鉆孔灌注樁?？缁液佣螛蚨找匾?jiàn)表1。

表1 跨灰河段橋墩要素表

河道近期演變情況采用的數(shù)據(jù)為2017年和2021年實(shí)測(cè)地形圖。2017年地形圖為灰河宋莊—灣張段治理工程項(xiàng)目建設(shè)前，2021年實(shí)測(cè)地形圖為灰河宋莊—灣張段治理工程項(xiàng)目實(shí)施后的現(xiàn)狀情況，通過(guò)兩個(gè)地形圖情況的比對(duì)來(lái)說(shuō)明河道近期的演變情況?；液铀吻f—灣張段治理工程項(xiàng)目完成后，該段河道的平面形態(tài)發(fā)生了較大的變化，通過(guò)將該段河道治理前后的岸邊線進(jìn)行套合處理，得出該段河道的治理前后平面形態(tài)對(duì)比(圖2)。由圖2可以看出，在平面上河道發(fā)生了較大的變化，河道由原先較為不規(guī)則的河勢(shì)，經(jīng)過(guò)河道治理的疏浚開(kāi)挖，加固堤防，跨越處河道河勢(shì)基本穩(wěn)定。

圖2 河道治理前后平面形態(tài)對(duì)比圖

選取工程段2017年和2021年實(shí)測(cè)地形圖的橫斷面進(jìn)行套繪，分析套繪結(jié)果說(shuō)明河道近期演變情況。

河道治理工程實(shí)施后，河寬由原來(lái)的85 m縮減為65 m，河底高程由原來(lái)的71.9 m，下降至71.5 m。兩岸修筑了堤防，堤防高程79.25 m，河道河底略微降低，河道主槽和灘地界線清晰，兩岸修筑了堤防，河道河勢(shì)穩(wěn)定，河道通過(guò)清淤疏浚水流通暢，沖淤變化處于穩(wěn)定。

2 洪水分析計(jì)算

新建平漯周鐵路與灰河交叉斷面處來(lái)水主要是上游來(lái)水，上游來(lái)水主要分為山丘區(qū)來(lái)水和平原區(qū)來(lái)水。交叉斷面以上控制流域面積336.54 km2，其中山丘區(qū)流域面積39.1 km2，平原區(qū)流域面積297.44 km2。山丘區(qū)采用推理公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，平原區(qū)采用排澇公式計(jì)算區(qū)間設(shè)計(jì)洪水，并將兩者直接疊加求得交叉斷面處的設(shè)計(jì)洪水。設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表2。

表2 新建平漯周鐵路與灰河交叉斷面設(shè)計(jì)洪水成果表

2.1 洪水位分析計(jì)算

灰河與平漯周鐵路交叉位置處無(wú)實(shí)測(cè)水位、流量資料。結(jié)合河槽土質(zhì)、灘地附著物和河道運(yùn)行情況，參照有關(guān)規(guī)范及其他河道治理，類比河道原治理資料，綜合分析選定治理段河道主槽糙率為0.025，河道比降選取1/2 000。根據(jù)交叉斷面處橫斷面，天然洪水位采用曼寧公式計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3，其公式為

表3 灰河橋址斷面天然水位流量成果表

(1)

式(1)中：Q為洪峰流量,m3/s；n為河道糙率；i為河道比降；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為水力半徑，m。

按照橋梁工程施工圖設(shè)計(jì)報(bào)告中鐵路橋位、孔數(shù)、跨度、墩徑等設(shè)計(jì)參數(shù)，確定行洪斷面尺寸，以此計(jì)算分析壅水情況。路橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均為100年一遇，根據(jù)防洪評(píng)價(jià)導(dǎo)則要求，工程后壅水分析計(jì)算了20年和100年一遇洪水位。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 交叉斷面壅高及壅長(zhǎng)成果見(jiàn)表

表5 交叉斷面工程后水位成果見(jiàn)表

1) 橋前最大壅水高度計(jì)算

(2)

2) 壅長(zhǎng)計(jì)算

(3)

式(3)中：L為壅水曲線全長(zhǎng)，m；I為水面比降。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，橋梁建成后20年一遇洪水阻水橋墩在河道右灘，阻水橋墩為3#橋墩，洪水壅高為0.13 m，壅長(zhǎng)為537 m，洪水位為79.23 m；橋梁建成后100年一遇洪水阻水橋墩在河道右灘，阻水橋墩為3#橋墩，洪水壅高為0.17 m，壅長(zhǎng)為628.2 m，洪水位為81.13 m，橋梁底高程為84.21 m，高于100年一遇洪水位3.08 m，滿足《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10017—2021)中表3.4.18橋下凈空高度0.5 m的要求。

2.2 現(xiàn)狀堤頂高程分析計(jì)算

堤頂高程由設(shè)計(jì)洪水位加堤頂超高確定，堤頂超高計(jì)算公式為

Y=R+e+A

(4)

式(4)中：Y為堤頂超高，m；e為風(fēng)壅水面高度，m；R為風(fēng)浪爬高，m；A為安全加高，3級(jí)堤防的安全加高值不允許越浪0.7 m。

由莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算，公式為

(5)

式(5)中：KΔ為斜坡糙率滲透性系數(shù)，取0.9；Kw為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.22；m為斜坡的坡度系數(shù)，m=2；h,λ分別為波高及波長(zhǎng),m，由以下公式計(jì)算

(6)

式(6)中：V為風(fēng)速，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速風(fēng)向資料，年最大平均風(fēng)速為16.3 m/s；D為吹程,m。

經(jīng)計(jì)算，堤頂超高為Y=0.75 m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量河段現(xiàn)狀堤頂超高不小于0.75 m,滿足規(guī)范要求。

2.3 沖刷分析

由于高速鐵路跨越灰河工程段3#橋墩處在河道右灘，導(dǎo)致河道行洪面積減小，同時(shí)會(huì)造成跨越處河水流速增大。而且由于橋墩的存在也會(huì)造成局部水流方向發(fā)生變化，對(duì)橋墩產(chǎn)生局部的沖刷作用，因此高速鐵路跨越灰河工程段河道沖刷計(jì)算應(yīng)綜合考慮一般沖刷和局部沖刷的影響。

1) 一般沖刷計(jì)算

在黏性土狀況下的河槽部分和河灘部分一般沖刷計(jì)算公式分別為

(7)

(8)

2) 局部沖刷

黏性土局部沖刷深度計(jì)算式分別為

V≤V0hb=KξKηB0.61(V-V0′)

(9)

(10)

根據(jù)河道地質(zhì)資料,河道斷面沖刷計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 河道斷面沖刷計(jì)算參數(shù)

3) 計(jì)算成果

根據(jù)橋梁地質(zhì)剖面圖，參照橋梁地質(zhì)報(bào)告，確定灰河橋址處表層土質(zhì)，根據(jù)表層土質(zhì)情況選擇計(jì)算方法。灰河橋址斷面河道沖刷深度由河灘部分的一般沖刷深度和局部沖刷深度組成(表7)。

表7 灰河橋址斷面河道沖刷深度

擬建橋梁跨灰河處100 年一遇灘地一般沖刷深度0.96 m，局部沖刷深度0.9 m，河槽總沖刷深度1.80 m，總沖刷深度 1.86 m。3#橋墩承臺(tái)頂高程為70.208 m，承臺(tái)埋置深度為3.5 m，滿足沖刷管理要求。由于3#橋墩位于河道右灘，導(dǎo)致過(guò)水面積減小，阻水率增大，為減小橋墩布置對(duì)河道防洪造成的影響和橋墩挑流引起的河岸沖刷，需對(duì)影響范圍內(nèi)的河道岸坡進(jìn)行護(hù)砌。

2.4 堤防及岸坡穩(wěn)定分析計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)的要求，堤防邊坡抗滑穩(wěn)定應(yīng)計(jì)算以下兩種工況：1) 上游設(shè)計(jì)洪水位，堤后無(wú)水，背水坡的穩(wěn)定情況；2) 設(shè)計(jì)洪水位驟降期堤防臨水坡的穩(wěn)定情況。其計(jì)算公式為

(11)

式(11)中：b為條塊寬度，m；W為條塊重力，kN；Q，V分別為水平和垂直地震慣性力(V向上為負(fù)，向下為正)，kN；u為作用于土條地面的孔隙壓力，kPa；a為條塊的重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，度；c′，φ′分別為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),kN·m-3;Mc為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

通過(guò)計(jì)算，擬建橋梁跨越處岸坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求(表8)。橋梁建成后橋墩距離河道堤防2.94 m，不會(huì)對(duì)河道岸坡產(chǎn)生。

表8 橋梁跨越處斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

3 結(jié)論與建議

1) 擬建高速鐵路跨越灰河橋梁底高程84.94 m,較100年一遇洪水位高3.81 m，滿足0.5 m的凈空高要求，符合《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)和《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10017—2021)中的相關(guān)規(guī)范；比堤頂高程高4.54 m，滿足防汛要求。

2) 橋梁建成后20年一遇洪水壅高0.13 m，壅長(zhǎng)537 m；100年一遇洪水壅高0.17 m，壅長(zhǎng)682.2 m。擬建鐵路橋建成后壅水高度相對(duì)較小，影響程度和范圍有限，對(duì)兩岸的房屋和耕地基本無(wú)影響，故跨河鐵路橋的建設(shè)基本不影響河道泄洪。

3) 擬建橋梁跨灰河處100 年一遇洪水灘地一般沖刷深度0.96 m，局部沖刷深度0.9 m，河槽總沖刷深度1.8 m，總沖刷深度 1.86 m。3#橋墩承臺(tái)頂高程為70.208 m，承臺(tái)埋置深度為3.892 m，滿足沖刷管理要求。

4) 擬建鐵路橋與灰河河道斜交40°12′，3#橋墩位于河道右灘，導(dǎo)致過(guò)水面積減小，阻水率增大，為減小橋墩布置對(duì)河道防洪造成的影響和橋墩挑流引起的河岸沖刷，需對(duì)影響范圍內(nèi)的河道岸坡進(jìn)行護(hù)砌。