西南山区铁路桥涵水害分析与防治对策

杨国静 游励晖 郑晓龙

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

西南山区铁路桥涵水害分析与防治对策

杨国静 游励晖 郑晓龙

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

山区铁路桥涵每年都会发生大量的水害，严重影响了铁路交通的正常运行。为了提高山区铁路桥涵抗水害的能力，改善山区铁路桥涵的病害情况，文章以四川地区既有铁路桥涵为研究对象，系统总结了铁路桥涵的主要水害类型和特征，分析了水害形成的原因，并从设计和养护管理两方面提出了桥涵水害防治对策，可为西部山区铁路桥涵病害的普查和整治提供参考和依据。研究结论：(1)既有铁路桥涵的水害情况调研表明：桥梁水害主要表现为桥附冲毁和桥基冲刷，涵洞水害主要表现为淤积和堵塞，且水害主要发生在汛期六月～八月；因水害受损的铁路桥梁基础多采用明挖扩大基础。(2)水害成因分析表明：水害的直接原因是发生暴雨或洪灾，但根本原因是自然因素和人为因素综合作用的结果。(3)防治对策建议：加强日常的养护管理，在汛期前对存在水害隐患的桥涵及时修复治理，对于受汛期影响比较大的桥涵，建议建立水害实时监测预警系统。

山区铁路； 桥涵； 水害； 对策

近几年来，随着西部大开发战略思想的实施，西南山区铁路建设取得了很大的进步，先后有襄渝铁路增建二线、遂渝铁路增建二线、成灌铁路和成绵乐铁路等多条铁路线路投入使用。从目前已营运的既有铁路现状来看，绝大部分桥梁技术是成熟的，保证了铁路交通的安全、顺利运营，但不可避免地出现一些设计、施工上的问题。受认识的局限性，设计和施工可能存在某些缺陷，使得桥梁结构先天存在薄弱点，在后期的运营中又遭受大自然的侵蚀[1]。特别是山区铁路，由于特殊的水文地质条件容易形成暴雨中心，加上岩石裸露、入渗少、坡度陡、汇流时间短、洪水暴涨暴落等不利因素，山区洪水破坏力极强，对铁路桥涵基础设施的正常运行造成了很大的威胁。因此，对山区既有铁路桥涵的水害现象进行调查总结，分析病害的形成原因，并对病害桥梁提出合乎实际的对策建议，对山区铁路桥梁的安全和稳定具有重要意义。

1 既有铁路桥涵水害调查统计分析

1.1 桥涵水害主要类型

本文主要以四川省境内的既有铁路桥涵为调研对象，展开了全面调查，重点研究了各种常用跨径桥梁的典型水害病害。目前在成都铁路局管辖范围内的铁路线路有宝成、成昆、成渝、襄渝、川黔、黔桂、内昆等10条干线，共有桥梁约 2 945座，长254.9 km。通过现场走访调研，收集、整理分析了成都铁路局管辖范围内铁路从2011年到2013年之间的各种水害情况，并就桥梁水害类型进行了分类统计。表1给出了2011年～2013年近3年的桥涵水害类型的不完全统计结果。

表1 2011年～2013年桥涵水害类型调查统计表

由表1可以看出， 调查地区3年来的桥梁水害以冲刷破坏为主，主要表现为桥附冲毁和桥基冲刷。涵洞水害主要表现为淤积、堵塞。这是由于四川地区山多沟深，溪涧交错，河床相对狭窄，桥涵更容易受到冲刷。其中，2011年由于冲刷引起的桥涵水害占全年水害的78%，2012年冲刷水害比例为63%，2013年冲刷水害比例达到了81%，呈现出逐年增加的趋势。其中，2013年发生的桥基冲刷比例高达了全年水害的50%。

表2统计了这3年内桥涵冲刷水害发生的时间分布。从发生时间统计表来看，桥涵冲刷水害主要发生在汛期6～8月，约占全部水害的86%(3年平均值)。这是由于汛期，一些地区骤降暴雨或大面积连续降雨，使很多河流水位上涨、超警戒水位甚至超历史最高洪水位，河水冲刷能力较强,水害较容易发生。

表2 桥涵冲刷水害发生时间统计表

1.2 因水害受损的铁路桥梁特点

经过调研发现，调查地区近3年内因水害受损的铁路桥梁绝大多数为标准跨径为16 m、24 m和32 m的中小桥梁。据不完全统计，近3年内有12座中小桥梁受水害影响严重，发生了不同程度的损害。如宝成铁路绵堰河大桥护岸、护锥被洪水冲垮，桥基受到严重冲刷；成昆铁路孙水河5号大桥桥基冲刷严重；成渝铁路油溪大桥桥基冲刷严重等。这些桥都建于上世纪六七十年代，历史悠久，且基础多采用明挖扩大基础，抗冲刷能力不足。

另外，在调查中还发现尚有十余座桥梁存在着水害隐患。如宝成铁路K 549+704安昌江大桥，广岳铁路K 1+459鸭子河大桥，成昆铁路K 641+498安宁河4号大桥等。这些桥梁的基础大多采用浅基础，基础埋置深度不够，在枯水季节，水流速度缓慢，冲刷不明显，在汛期，当降雨强度较大，降雨时间较长时，洪水流量、流速会对桥基造成严重的冲刷，极大地威胁桥梁安全。

1.3 桥涵水害特征

根据调查地区铁路桥涵水害现状和调查结果统计分析来看，四川地区的主要水害特征如下：

(1)桥涵水害主要发生在夏季。因为夏季降水量最多，而且降雨强度大，历时又长，河水暴涨，就会冲毁桥涵及其防护设施。水害区域地质条件差，植被覆盖率较低，各种松散软岩类(如页岩等)风化强烈，岩石破碎。

(2)桥梁水害的主要特征：桥台锥坡、护岸抗冲刷能力低，容易发生坍塌；洪水迂回冲刷桥梁墩台下部结构，造成基础承台外露、基底局部脱空。桥孔被泥沙淤塞，造成桥前大量雍水，进一步加剧了冲刷。

(3)涵洞水害的主要特征：随着洪峰的来临，涵洞前来水流量逐渐增大。同时，由于洪水中夹杂着大量的漂浮物及泥沙，容易在涵洞洞口产生淤积、堵塞，加剧了对涵洞的冲刷。

2 既有铁路桥涵水害成因分析

目前调查地区铁路桥涵水害发生的直接原因是发生暴雨或是洪灾，但归根结底是众多因素综合作用的结果，这些因素相互作用，相互影响。归纳起来主要有两个方面，一是自然因素，二是人为因素。

2.1 自然因素

(1)气候特点

我国西南地区气候属亚热带季风气候。气候比较柔和，年温差小，湿度较大，多云雾，年降水量比较大，大部分地区年降雨量多在500～1 000 mm，且在夏、秋两季降雨集中，常出现山洪、滑坡和泥石流等灾害，这种特殊的气候特点为铁路桥涵水害的发生创造了客观自然条件。

(2)地形地貌特征

调查地区内河流纵横，峡谷交错。地貌主要以河谷地貌和盆地地貌为主，地势起伏大。特殊的地形地貌条件，使得桥位选址存在一定的困难，所在河段不稳定，容易产生桥涵水害现象。如宝成铁路属山区铁路，隶属龙门山脉，线路位于石灰岩、黄粘土、棕色砾岩、页岩、砂页岩层上，地势险峻，山高坡陡，岩层风化破碎严重，地质构造复杂。该段线路周边环境易受降水影响，雨季易发崩塌落石、溜坍等水害。

(3)桥涵位置处河段稳定性

桥涵位置一般应设在河道顺直、稳定且较窄的河段[2]。在调查中发现一些出现明显水害的桥涵位置选在河湾处或不良桥位河段上。桥涵位置选在上述河段位置，或是由于选线的原因，或是找不到更好的位置，或是原选位置本位于优良的顺直河段上，后因河道变迁，形成了不利于通畅排水和输沙的桥涵位置河段。其危害是水流与桥涵轴线存在较大的斜交角度，增加阻水宽度，加大了局部冲刷。

2.2 人为因素

(1)基础结构型式选择不当

调查地区发生水害的桥梁多为上世纪六、七十年代修建运营的桥梁，其基础型式多采用明挖基础。明挖基础由于具有节约造价和方便施工的特点，在早些年被广泛使用，但在一些变迁性河段上，当原有的滩地可能变为河槽时，基础容易被冲刷淘空，威胁桥梁安全。

(2)基础埋深不足

桥涵基础的埋深由冲刷深度和地基承载力共同确定。在调研中发现，一些桥梁的基础埋置深度不够。当降水量增大，水流速度加快时，冲刷深度会不断加大，造成基础埋深相对降低，一旦洪水来临，墩台基础就容易被淘空而倾覆。

(3)桥涵孔径设计不能满足排洪与输沙需求

桥涵孔径设计要满足泄洪、输沙和流水的要求[3]。如果孔径设计过小，排洪与输沙不通畅，会造成桥涵前大量雍水，桥下冲刷加大。在含沙量较大的河流上，还会出现桥涵孔径全部被泥沙淤塞，造成桥涵水害。

(4)防护设施不完善

桥涵的防护设施对增加桥涵使用寿命起到极其重要的作用。当桥涵设置在河沟纵坡较大或丘陵地段的干沟时，因其上下游高差较大，应在上下游进水口或出口设置跳坎、跌水和急流坡等。如果没有防护措施，在洪水来临之际很容易产生冲刷，使桥涵基础不稳定。

(5)养护不及时

可能受养护资金限制或因养护费用不足，一些桥梁锥坡和防护工程的轻微损坏，如沉陷、铺砌脱落、涵洞洞口淤塞等没有得到及时处理，洪水来临后不能抵抗洪水的浸袭，造成锥坡和防护工程破坏加剧，进而引起了桥涵的局部冲毁。

(6)挖沙采石造成桥涵水害

调查中发现一些河道有挖沙采石现象。河道内大量的挖沙采石，会改变河床的天然状态，使河床面下降，基础埋置深度减小，洪水来临后会产生局部跌水或急弯，引起局部河床冲刷，造成水害的发生。

3 铁路桥涵水害防治对策

3.1 设计方面

桥涵发生水害的根本原因是桥涵无法满足暴雨、洪水时水流从桥下顺畅通过所致。因此，桥涵的设计不仅仅要考虑结构刚度和强度满足设计要求，还要考虑水文地质等因素。因此，桥涵的设计应充分考虑以下几点：

(1)在桥位的选择上，应尽可能将桥位选择在河床稳定、水流畅通的河段上，减少桥涵水害发生的可能性。

(2)在确定桥涵结构方案时，应充分考虑地形、地貌、水文与地质等因素。对于那些历史上曾经发生过桥涵水害的河段，在新建桥涵时，还要考虑到以后发生水害的可能性，合理布设结构的孔跨。并且，根据桥涵墩台处可能出现的最大冲刷深度与河床地质情况，确定墩台基础的安全埋置深度，保证墩台基础的埋置深度在最大冲刷线以下，不至于让河水掏空。

(3)结合水文、地形和地质等条件，根据实际需要，合理布设必要的调治构造物，如导流堤、截水坝等，使水流均匀顺畅的通过桥孔，防止桥位附近的河床和河岸产生不利的变形，保证桥梁墩台和桥头引道的正常使用。

3.2 养护管理方面

从目前的铁路桥涵水害调研情况来看，出现水害较为明显的桥涵多为早些年修建的桥梁，受当时设计水平或施工条件的制约，不可避免地出现了一些不合理的情况。因此，针对目前的情况，最有利可行的防治桥涵水害的方法就是加强日常的养护管理。通过对桥涵检查，可以及时发现桥涵存在的病害，并根据桥涵受损或破坏的程度，确定桥涵所属技术类别，为安排桥涵大修、中修、小修和正常养护工作提供依据[4]。

结合当地气象部门的汛情预报，在汛期前对存在水害隐患的桥涵采取防治对策及修复治理，以达到减少桥涵水害和降低损失的目的。另外，对于一些特殊情况，如在地震、洪水、泥石流和滑坡等发生后，应立即进行检查，做出鉴定，并根据检查结果提出相应的维修和加固措施。

此外，对于受汛期影响比较大的桥涵，建议建立水害实时监测预警系统。通过采用一些先进的监测技术和手段，如光纤光栅传感器[5]、超声波[6]和时域反射计[7]等，可以方便快捷地实现对水害的监测。当监测值趋近临界值时，适时发出必要的警告信息，并进行救灾准备，以确保桥梁结构及人民生命财产安全，也为工程抢修人员抢修及必要的管制提供依据。

4 结束语

山区地形地质条件相对复杂，铁路桥涵水害问题较为严重。本文采用现场调研和理论分析的方法，在统计分析既有铁路桥涵三年水害情况的基础上，系统总结了桥涵水害的主要类型和主要特征，得出铁路桥梁水害主要表现为桥附冲毁和桥基冲刷，涵洞水害主要表现为淤积和堵塞。分析了水害形成的原因，直接原因是发生暴雨或洪灾，根本原因是自然因素和人为因素综合作用的结果。并从设计和养护管理两方面提出了桥涵水害防治对策。对于受汛期影响比较大的桥涵，建议建立水害实时监测预警系统。研究成果对于全面了解掌握我国西南山区铁路桥涵水害情况、开展水害防治等有着积极的意义，可为西部山区铁路桥涵病害的普查和整治提供参考和依据。

[1] 王莉.高速公路桥梁病害分析与山区桥梁灾害防治[D].长沙:湖南大学，2010. WANG Li. Analysis on Diseases of Highway Bridge and Geological disasters prevention in Mountainous Areas[D].Changsha: Hunan university,2010.

[2] 游励晖，陈思孝.西南山区铁路桥梁设计的几点思考[J].高速铁路技术，2015，6(5):78-82. YOU Lihui, CHEN Sixiao. Thoughts on Design of Railway Bridge in Southwest Mountain Area[J].High Speed Railway Technology，2012，6(5):78-82.

[3] 田明.鄯善至沙尔湖铁路专用线漫流地区水文计算和桥涵布设[J].高速铁路技术，2012，3(5):71-73. TIAN Ming. Hydrologic Calculation and Layout of Bridge and Culvert on Shanshan-Sha’erhu Special Railway line in Overflow Area[J].High Speed Railway Technology，2012，3(5):71-73.

[4] TG/GW 103-2010 铁路桥隧建筑物修理规则[S]. TG/GW 103-2010 Rules of repairing railway bridges and tunnels[S].

[5] 熊文，CAI C S[美]，叶见曙.基于布拉格光栅传感器的桥墩基础冲刷动态监测试验[J].中国公路学报，2014，27(5):125-130. XIONG Wen, CAI C S, YE Jianshu. Experimental research on real time pier scour monitoring using fiber brag grating sensors[J].China Journal of Highway and Transport，2014，27(5):125-130.

[6] 吴彪.桥梁冲刷的超声监测技术[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2011. WU Biao. Bridge scour monitoring using ultrasonic sensing technology[D].Harbin: Harbin Institute of Technology，2011.

[7] 陈志坚，唐勇，陈松.苏通大桥河床冲刷多尺度监测系统的构建[J].西南交通大学学报，2012，47(1):63-77. CHEN Zhijian，TANG Yong，CHEN Song. Multi-scale Monitoring System Construction of River-Bed Scouring around Sutong Bridge[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2012,47(1):63-77.

(编辑：刘会娟 刘彦琳)

Analysis and Countermeasures on Water Hazards to Railway Bridge and Culvert in West Mountain Areas

YANG Guojing YOU Lihui ZHENG Xiaolong

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031， China)

Water-hazard to mountain railway bridges and culverts happens every year which seriously affect the railway traffic. In order to improve the anti-washout ability and reduce the disease, based on the existing railway bridge and culvert in Sichuan Province, the types and characteristics of water hazards are summarized systematically. The reason for water hazard is analyzed and countermeasures are given. The results can provide a reference for the western mountain railway bridge disease survey and remediation. The conclusions are:(1) The survey on water-hazard situation of existing railway bridge shows that water damage for railway bridges is mainly scour of bridge attachment and foundation. For culverts, it is mainly siltation and clogging, and water damage occurred mainly in the flood season from June to August. Most seriously water damaged bridges were open-cut foundation;(2) The reason analysis shows that heavy rains or floods cause the water damage directly, but the fundamental reason is the interaction of natural factors and human factors;(3)Suggestion for countermeasures: strengthen the daily maintenance and management. Repair the bridge and culvert timely before the flood season. It is suggested to establish a real-time water damage monitoring and warning system for the bridges and culverts affected by the flood seriously.

mountain railway; bridge and culvert; water hazard; countermeasure

2016-04-26

杨国静(1984-)，女，高级工程师。

1674—8247(2016)06—0056—04

U442.5+5

A