西北漫流区水文特征及桥涵布设

罗红枝，徐永利（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西　西安　710043）



西北漫流区水文特征及桥涵布设

罗红枝，徐永利
（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043）

摘要：山前戈壁漫流是我国西北地区特有的一种山前区河流形态，通过对漫流区流域特点和水文特征分析以及典型病害原因分析，对漫流区水文计算方法和铁路桥涵布设提出了建议，对该地区工程设置和水文计算有一定的借鉴和参考价值。

关键词：漫流区；水文；桥涵布设

1　概述

我国西北地区大部分铁路线如兰新线、包兰线、南疆线、干武线、精伊霍线以及青藏铁路等都不同程度地存在山前戈壁漫流水害问题，其中兰新线是受漫流危害最严重的铁路干线，尤其以高台漫流最为典型。

山前连续冲积锥漫流也称为山前戈壁漫流，是我国西北地区特有的一种山前区河流。这类漫流的特征是在山麓地带存在毗连的许多小山口，由于洪水携带物长期作用在各山口堆积形成连续成群的冲积锥，在冲积锥上还未切割出固定的沟槽，形成摆动不定的漫溢分支，河床为粒径较粗的卵石或碎石，河床纵坡较陡。在连续冲积锥以下，由于沟槽相互交错成网状交织，水系错综复杂，水流紊乱，再往下游明显沟槽逐渐消失，形成长大宽展的漫流地带。地质多为砾石及细粒卵石，地面纵坡稍缓，水流中夹带大量泥沙和细颗粒石块。再往下游地面纵坡变缓，泥沙逐渐沉积，形成荒漠或草原，有的已经开辟为耕地，这种地带往往没有明显的沟槽和水流痕迹，平时无水，呈干旱景象，容易被误认为不受山洪影响，遇较大暴雨，山洪骤至，则遍地漫流。在漫流末端地形极为平坦，漫流洪水有的被阻滞于农田、沙漠上游边缘地带，形成一片洼地滞洪区；有的尾水逐渐潜入地下，于下游低洼盆地处流出，地面形成沼泽或盐碱地。

2　流域特点和水文特征

2.1河岸稳定性及河槽变形特点

1）两岸不受约束，岸线极不稳定。

2）河槽形态、位置极不稳定，主流在洪水漫溢范围内摆动不定。

3）自然冲淤严重，河床面逐年淤高。

4）集中冲刷明显，冲深并不大。

2.2河段平面外形

1）河段呈冲积扩散状，大体顺直或微弯。

2）河床宽浅，汊道交织，多呈网羽状。

3）通常分不出河槽和边滩。

2.3断面及地质特征

1）断面呈锯齿状，中间高两边低。

2）岸槽高差较小。

3）河岸与河床组成接近，河床质多为卵砾石。

2.4水文特征

1）洪水流向常与河段总方向一致，水流散乱漫流。

2）同一横断面上水面很不平顺，自然涌高很大。

2.5河段区别要点

冲积漫流性河段地貌大致具有冲积扇体特征，河床面逐年淤高较游荡性河段明显，洪水股流按总趋势在较高的沟槽中通过。

3　漫流区线路选线

在山麓连续冲积锥及其下游边缘部分，洪水流速很大而且挟带大量泥沙石块，破坏力强，线路经过这一带时，容易堵塞桥孔，冲毁路基，中断行车，危害极大，线路选线尽可能绕避该区域。

在漫流的下游边缘地带，洪水时水浅流缓，形成一片宽阔的洼地滞洪区，部分水流自然消失，部分水流漫向低处或引为灌溉水源，无冲刷破坏能力，但当线路直接穿越这一地带时，天然水面宽度和停滞水流面积都要受到挤压，使水流集中，水位逼高，由于排泄无出路或不畅达，也会对路基造成淹没的病害。

基于以上考虑，在漫流地区线路选线时应注意以下几点：

1）不可避免要通过洪积扇时尽可能选择在上游狭窄河段通过。

2）尽量避绕连续冲积锥、网状交织或分支漫溢的长大严重漫流地段。

3）在漫流地段下游如有农田地带时，线路宜选在农田地带的上方边缘或农田地带的下游边缘通过。

4）在下游洼地滞洪地区，线路应选在地势较高，洪水不致淹没地段通过。

4　兰新线马营河大桥典型病害分析

4.1概况

马营河属西北地区内陆河流，河流出山口后经古洪积扇流向沙漠，兰新线穿越马营河洪积扇的腹地—马营河中游扩散河段。桥址处河流呈喇叭状敞开，河床宽浅，主流曲折游荡，水头较低，这是由于出山口的水流尤其雨季洪流随着河道的散开河床纵坡变缓，洪水携带搬运能力减弱，容易淤积造成主流经常改道的结果。

马营河大桥位于兰新线k665+711处，桥长189.9m，为11-16m钢筋混凝土梁桥，建成于1956年。桥下净空2.72m，由于在桥位处河床宽度达5km，河床纵坡22‰，为控制摆动不定的河流，在桥梁上游两侧设有长达2km的束水导流堤，以使水流集中由桥下通过。

在马营河铁路桥上游4km为G312马营河公路大桥，该桥为8-22m预应力混凝土梁桥，桥址处河槽明显，河岸稳定，冲淤平衡，自建成以来一直使用良好，无大的病害。

4.2马营河大桥病害情况

从现场调查和工务段台账资料来看，马营河桥的病害主要为洪水翻越、下切陶刷、冲毁导流堤及路基、冲毁桥下铺砌和桥下淤积等，见表1。

表1　主要病害及处理情况

4.3马营河大桥病害原因分析

1）自然因素：河流出山口后，由于河槽逐渐加宽，纵坡变缓，洪水携带物沿程停积，形成泥石流的堆积漫流区—山前洪积扇，导致水流改道及河床淤积，造成水流改道。

2）人为因素：由于受当时对漫流区选线认识不足和客观条件尤其是国家财力的影响，力求线路短直，压缩桥高、桥长以节省投资而将线路位置选在冲洪积扇的沉积区通过，桥下预留净空太低，使得铁路建成后病害不断。

5　漫流区水文计算

由于漫流地区特殊的地形条件和水流特性，水文计算的关键是洪峰塌缓系数、流量分配系数和流量加强系数的确定，下面就重点介绍相关系数的确定。

5.1洪峰流量塌缓系数的确定

洪水出山口后，由于下游河段的调蓄和阻力作用，以及洪水沿程渗漏，使洪水波逐渐展平致使洪峰塌缓，塌缓后洪峰流经下游断面的流量将削减，洪峰塌缓系数与转用河段距山口距离、河段糙率系数和河段扩散情况等有关。洪峰塌缓系数可根据下游河段某一断面处的历史洪水流量与山口处同期历史洪水流量之比确定。即：

其中：α为洪峰塌缓系数；

∑Q（历史）n为线路处各断面历史洪水流量总和；

∑Q(历史)总为同期对应沟口处历史洪水流量。

上述流量具体根据典型流域形态调查确定。在形态调查难以实现时，可根据地形、河床质等因素，结合经验确定洪峰塌缓系数。

5.2流量分配系数的确定

流量分配系数是漫流区水文计算的重要参数，是合理确定设计流量分配，进行桥涵布设和确定桥涵孔径大小的重要依据。分配系数是随着河道变迁、流量改变而变化的系数，因此各沟槽的分配系数应根据断面上游各沟槽的变迁情况，结合该河段内的历史最大流量确定。具体通过形态调查按下列公式计算。

式中：β——流量分配系数；

∑Q（历史）n——线路处各断面历史洪水流量；

∑Q(历史)总——同期对应沟口处历史洪水流量。

5.3洪峰流量加强系数的确定

流量加强系数是漫流区流量计算的一大特征，由于河槽摆动、游荡、变迁，每次洪水通过各个河槽的分配系数都不相同（即使在不同的年代发生相同频率的洪水流量时，通过某个沟槽的洪水流量也不同），因此采用将总流量加大的办法来满足在发生百年洪水时某个沟槽可能出现的最大流量是目前解决这一问题的主要方法。《桥渡水文》中给出了缺乏天然河道实测资料时的流量加强系数γ参考表2。

表2　流量加强系数

5.4各沟槽处设计流量的计算

根据山口处百年设计流量Q1%（山口），考虑洪峰流量塌缓系数α、各沟槽流量分配系数β及流量加强系数γ，计算出桥址处各沟槽的设计流量Q1%（n）。即：Q1%（n）=Q1%（山口）xαxβxγ

6　漫流区桥涵布设

6.1漫流区桥涵布设总体思路

1）当线路通过漫流地区时，应进行水系测绘调查，结合航测遥感图片和小比例尺军用地图，根据地形条件、洪水主流位置及其可能摆动的趋势，采取分散与小集中相结合的原则布置沿线桥涵。对于较大的集中水流应分别设置桥涵，不宜强行改沟合并，也不宜强行改移主流位置而将桥涵设于地势低洼或路基较高处。

2）当线路通过不受上游山洪影响而且无明显沟槽的平坦戈壁滩、草原、沼泽、盐碱地等地区时，如当地的暴雨能形成径流，在天然情况下水流分散成片，一经筑路拦截水流集中后仍能危害路基。因此桥涵布置不宜过稀，应采取分片泄洪的原则，结合水流出路在地形低洼处设置桥涵。

3）当线路通过漫流下游洼地滞洪地区的洼地边缘时，应根据水流分布及洼地积水情况设置桥涵；当线路必须通过洼地以内时，应设置必要的桥涵，以沟通两侧水流和平衡两侧积水水位，同时要合理设置路堤高度。

6.2漫流区桥涵设计

1）桥长的确定：设计桥长不仅要考虑泄洪，还要考虑输沙通畅。过分压缩河槽的排洪、输沙宽度，除了可能大量增加调治水流、固岸保桥的调治建筑物外，还可能造成上游雍水，使上游河床产生泥沙沉积，河床升高，更加增大桥位上游河段的不稳定性，其结果反过来又危害桥梁的安全。相反，不必要地增加桥长，除增加投资外，桥长过长对于稳定河道也是不利的。泥沙的淤积将促使洪水主流更加曲折摆动，河道也越容易迁徙不定。

在冲积漫流河段桥长的设计使其等于或略小于河槽基本宽度是比较适宜的；一河多桥应按各桥最大雍水高度基本相等的原则进行桥长调整。

2）桥下净空：在冲积漫流河段、扩散河段上修建桥梁，无论桥梁布置、桥孔大小、桥下净空以及导流建筑物设置等难以正确解决。洪水时桥下通过大量泥沙的情况下，河床逐年於高是一个复杂而危害性很大的问题。目前没有好的办法，只有根据经验预留一定的桥下净空。铁路工程设计技术手册《桥渡水文》中桥下净空高度参考值见表3。

表3　山前区宽河中游扩散河段桥下净空高度参考数值

3）导流设施：在冲积漫流河段修建桥梁，基本上设置了人字形封闭导流堤。

经过多年水害整治经验，导治设施的设置应遵从以下原则：单侧封闭导流堤不宜超过500m，片面强调长桥短堤会造成经济上不必要的浪费；同时较长的封闭导流堤安全性较差，当坝前冲刷深度大于3.5~ 4.0m且坝体较长时，相应工程量及施工难度会明显增加，适当增加桥长，缩短坝体的长度和高度，使坝前冲刷深度控制在3.0~3.5m以内为宜，尽可能提高桥梁防护工程的安全性。

7　结语

漫流地区水流紊乱，串流现象严重，水文情况十分复杂，桥涵布置和设计流量的确定不仅要重视理论计算，更应该重视外业调查。漫流区水文勘察必须深入现场，充分利用航空照片和小比例军用图与实地调查相结合的方法，对漫流区地形、地貌、河槽变迁、摆动和历史洪水位进行全面调查和实测，通过理论计算合理确定线路走向、线路高程、路基防护高度、桥涵位置、桥涵孔跨以及导流建筑物的布设。

参考文献：

[1]铁道部第三勘测设计院.桥渡水文[M].北京：铁道出版社，1993.

[2] TB10017-99，铁路工程水文勘测设计规范［S］.

[3]钱伟平.从兰新铁路马营河大桥的淤积病害谈宽浅河漫流地区的铁路选线[J].广东公路交通，2006增刊36-38.

[4]张治中.浅谈山前漫流区水文分析方法［J］.铁道标准设计，2006（11）51-53.

中图分类号：U24