山区铁路改河工程设计方案研究

2012-11-27高亮亮龚爱军

铁道标准设计 2012年11期

高亮亮，龚爱军

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，济南 250022)

我国是一个多山和丘陵的国家，大量铁路修建在山区丘陵地区。未来10年，我国还要修建大量的山区铁路［1］。山区水系发达，水量季节变化大。在山区铁路建设过程中由于地形的限制，经常不可避免地会对山区河沟进行改移。结合龙烟铁路某处改河工程，介绍工程设计方案。

1 工程概述

该处改河段属于典型的峡谷性河段，峡谷性河段的河谷是在漫长年代中，水流不断地纵向切割和横向冲刷逐渐形成的，河槽宽窄相间，错综复杂，宽处可达10 m以上，窄处不足3 m;河床断面呈V字形和U字形。河岸河槽中常有巨石突出，或夹砂、卵石;河床比降大，改河段平均比降达3%，水流季节变化较大，经现场实地调查近几年来每次暴雨时都会溢流而出，水流湍急，旱季几乎无水。下游新建铁路高程由于受总设计方案限制不能抬高，为了使水流能够顺利通过涵洞，保证铁路运营安全，从而对其进行改造设计，如图1所示。

图1 原河道位置

2 改河工程的平面设计

为了使改河段进口顺畅，起点选择在有稳定岩石外露河床水流均匀的顺直段。由于山区河流会挟带泥沙卵石，在改河曲线段采取了5倍稳定河宽(此值采用与改河地段具有同样地质条件的上下游河道的平均宽度)的曲线半径［2］。位于新建涵洞上游段，应尽量减少改移沟渠与涵洞中心的交角，并适当加长涵洞入口处直线段的距离，涵洞出口处也应避免改移沟渠的急剧转弯，改河的终点要尽可能与原河床平顺连接。如图2所示。

图2 新建河道布置

3 改河工程断面的设计

3.1 设计流量的确定

在1∶10 000地形图上算得该河流汇水面积F为2.56 km2。按设计洪水频率1/100［3］，确定其流量。

根据山东省地方公式(山丘地区)［4］计算

式中 Qm——洪峰流量，m3/s;

F——流域面积，km2;

J——河道干流平均坡度，m/m;

R——净雨深，mm;

tc——净雨历时，h。

根据铁三院公式(山丘地区)［5］计算

当ap=Sp/tn时

式中 n——暴雨衰减系数;

L4——流域长度，从分水岭算起，km;

I4——流域坡度，从分水岭算起，用加权法计算;

F——流域面积，km2;

η——为暴雨点面折减系数从文献［5］查取;

C2——参数，可按下式计算

其中，β0、γ0、m0、A4均为参数，可从文献［5］查取。

P0可按下式计算

N0可从文献［5］查取。

g0可按下式计算

采用以上两种方式计算进行校核，取较大值作为设计流量。通过计算比较，取设计流量Q1/100=169.19 m3/s为该河段的最终设计流量。

3.2 改河工程纵断面设计

改河工程的沟底线两端应与天然河沟深槽底相接。纵坡尽量采用原河道稳定河段纵坡［6］，可按以下公式近似求得稳定河道的纵坡IWα值

n——天然河道的粗糙系数，可由文献［6］查得;

K——河相关系系数，山区河段可取K=2～3，平原河段可取K=4～5;

Q——造床流量(m3/s，此处河床为岩石，按设计流量);

vbc1——当断面平均水深为1 m时的不冲流速，m/s。

通过计算得原始河段稳定纵坡为3.5%。此处改河段河床的地质条件比较单一，均为片麻岩，宜采用单一坡度。由于对河道进行了裁弯取直，其平均纵坡比原河道纵坡陡。为了解决河道地段多余落差的问题，在新河道口的入口地段设计成较陡的纵坡，为了防止冲刷，在进口处以矮跌水的形式进行调整［7］。如图3所示。

图3 改河纵断面

3.3 改河工程横断面设计

根据外业调查，原河流稳定段河槽为U形断面，横断面比照原来河床的横断面进行设计不应压缩既有河道，河道宽度选取原河道稳定宽度，估算设计断面面积W，根据谢才－满宁公式［8］

流速

流量

式中 n——改河糙率;

W——改河流水断面面积，m2;

R——水力半径，R=W/Pa;

Pa——流水断面的湿周，m;

I——计算断面附近河段的河床纵坡。

根据上式计算得到的改河断面流量，与实际洪水流量之差，若不超过5%即认为合适，否则重新假定平均水深“H”，反复试算后，确定断面面积W。考虑到此处河谷狭窄，地质单一且为岩石，为了减少挖方与征地，改河断面采用矩形截面，重力式挡土墙进行冲刷防护，挡土墙要考虑一定的安全高度［9］。考虑到下游新建铁路高程限制，在靠近新建涵洞入口处，对河道横断面进行拓宽，使水位能够满足涵洞的净空高度［5］。不同底宽的连接处设置了渐变段，其长度的扩散率为4∶1。

4 改河工程的防护

为了保持改移河道河床稳定和防止水流对挡土墙基础的淘刷，必须做好防护设计。根据谢才－满宁公式求得改河后的设计流速在6～8 m/s，根据经济性和就地取材的原则，选取石料浆砌，护砌厚度按流速选用亦可参照下列公式计算［10］

式中 δ——所求的护坡厚度，m;

Psj——作用于护坡上的举力，Pa。当考虑水流作用时

式中 v0——水流平均流速，m/s;

η——与护面结构有关的试验系数，可查文献［10］;

μ——与护面透水性有关的试验系数，可查文献［10］;

γ0——水的容重，kN/m3;

γs——浆砌片石的容重，kN/m3。

根据上式计算得此处改河分区段采取铺砌厚度分别为35、50 cm。

5 结语

为修建铁路桥涵而进行的改河，大都是在河流的局部地段进行改动，其范围小，与河流工程上治理大段河流或对整个河流的改河过程是有区别的。一般只要求新河道能够顺应河势，大体上符合该段天然河流的特性，就可达到预期目的。

(1)为了保证改河的成功，改河前注意查明当地河段特征，如河水流量、流速、水深、河面宽度、河槽断面形状及尺寸。沿河各段纵坡、稳定直线段的长度以及稳定河弯长度和半径等。另外，尚应了解河床及河岸的地层情况，冲淤情况，以作为考虑新河道平面及纵横断面的设计依据。同时结合当地地形、地质条件确定改河中线，使所设计的新河道尽量少占地并节省土石方和防护工程的数量。

(2)改移河道的平面布置尽量平顺、圆滑。

(3)铁路改河工程往往是裁弯取直，其平均纵坡一般比原来的河道纵坡为陡。因此为了使水流容易引入新河道，可在新河道的入口地段设计成较陡的纵坡，以解决改河地段多余落差，如入口地段纵坡过陡，则可以在进口处以矮跌水的形式调整。

(4)在水文计算中对糙率的选择应注意刚开挖的沟槽比较光滑，糙率较小，过几年后河槽会变得粗糙一些或生长杂草，糙率会变大，因此求算水位时可采用将来可能变大的糙率，计算冲刷时可采用新开挖的糙率以策安全。

(5)由于新建铁路高程限制，此处涵洞可利用净空在2 m左右。通过技术经济比较选择新建涵洞孔径为2～8 m框架。孔径过小，导致河道下挖，增加涵洞下游改河长度;孔径过大，造成涵洞工程量的增加。

［1］白琦成.山区高速铁路桥梁设计几个问题探讨［J］.铁道标准设计，2011(2):50-55.

［2］王浩，杜栩，李守成.浅谈改河工程的设计要点［J］.林业科技情报，1998(2):73-74.

［3］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］山东省水利局.山东省水文图集［M］.济南:山东水利局出版社，1975.

［5］长江流域规划办公室水文处.水利工程实用水文水利计算［M］.北京:中国水利水电出版社，1986.

［6］铁道部第一勘测设计院.铁路工程技术手册·路基［M］.北京:中国铁道出版社，1992.

［7］文雨松.桥涵水文［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［8］中华人民共和国铁道部.TB 10017—99 铁路工程水文勘测设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，1999.