汾西荣欣矿铁路专线1号桥高程防洪分析

刘晓丽

（吕梁市水文水资源勘测分局，山西 吕梁 033000）

1 概述

1.1 山西焦煤集团汾西矿业公司荣欣矿区铁路专线概况

汾西矿业集团公司是国家重点煤炭生产企业，公司拥有的煤炭资源储量丰富，山西焦煤汾西荣欣矿区铁路专用线工程项目（以下简称建设项目），承运范围有汾西矿业集团控股的贺西煤矿等，煤炭外运需求较大。

瓦日线是山西直达沿海港口的一条重要煤炭铁路运输线，是汾西矿业集团煤炭外运通道。建设项目位于吕梁市柳林县境内，自瓦日线留誉站瓦塘端接轨，重车线由留誉站瓦塘端东侧引出，沿瓦日线向北走行，跨越金家庄沟后，沿金家庄沟沟北岸跨越金家庄沟设置的汾晋柳装车站，于金家庄沟南岸设装车环线，汾晋柳站预留其他专用线接轨条件，线路全长8.0 km，共设铁路桥梁5座。1号大桥全长339.44 m，梁桥第8孔（7-8号墩）跨金家庄沟，梁底高程871.63 m，地面高程826 m。

1.2 河道基本情况

金家庄沟1号桥位于柳林县金家庄乡胡家峁村金家庄沟内,属留誉河水系，金家庄沟系留誉河的一级支流、黄河的二级支流，发源于中阳县安家塔，在柳林县金家庄乡苏家庄进入柳林县境内。

2 水文计算

2.1 防洪标准

根据《山西焦煤汾西荣欣矿区铁路专用线（一期）工程可行性研究》“该铁路等级为Ⅲ级（线下部分参考Ⅱ级）”，根据《防洪标准》表6.1.1，Ⅱ级铁路桥梁的防洪标准为100年一遇。

2.2 设计洪峰流量计算

2.2.1 设计断面以上流域特征值参数确定

金家庄沟1号桥设计断面控制流域特征参数采用1∶10000地形图量算，流域下垫面采用1∶250000山西省水文下垫面产流地类图量算。计算方法如下：

河道比降：J=［（Z0+Z1）L1+（Z1+Z2）L2+……+（Zn-1+Zn）Ln-2Z0Ln］/L2

式中：B——流域平均宽，km；F——集水面积，km2；L——主河道总长，km；J——主河道纵坡；

Z0、Z1、Z2、Z3……Zn——河道纵断面各转折点河底高程值，m；

L1、L2、L3……Ln——各转折点之间分段河长，km；

θ——流域特征值。

设计断面以上流域特征值见表1。

表1 金家庄沟1号桥设计断面以上流域特征值表

2.2.2 计算方法及结果

依据《山西省水文计算手册》（以下简称《手册》），结合流域特征和资料状况，选用流域模型法、推理公式法、经验公式法三种方法进行对比分析，计算结果见表2。经综合分析，金家庄沟1号桥设计断面100年一遇设计洪峰流量建议采用流域模型法计算成果，其理由如下：

表2 金家庄沟1号大桥设计断面100年一遇设计洪峰流量计算成果 单位:m3/s

以上三种方法计算结果接近，经验公式法是综合实测流量频率计算成果得出，对有些暴雨及产、汇流这一比较复杂的随机物理过程进行了简化甚至予以忽略，由于归类综合较粗，影响因素也不可能考虑太细，很难全面反映每一个具体流域的流域特征，使其经验参数不稳定，故变幅较大。流域模型法及推理公式法是理论上比较成熟的方法，有一套比较完整的运算系统，参数分析所选水文数据均来自现有水文成果，是普遍采用的方法，为安全起见，建议采纳流域模型法计算结果。

3 梁底高程复核计算

3.1 计算方法

根据《铁路工程水文勘测设计规范》，梁底最低高程为：

式中：Hmin——梁底最低高程；

Hs——设计洪水位，采用100年一遇设计水位；∑Δh——考虑壅水高度等诸因素的总和；

Δhj——桥下净空，0.5 m。

3.2 设计洪水位推求

天然河道蜿蜒曲折，过水断面不规则，断面形状、粗糙系数及河道底坡沿程都有变化，其水力因素十分复杂，为此，天然河道水位的推求采用恒定非均匀渐变流的能量方程为理论基础，基本方程为：

式中：Z2、Z1——下游断面和上游断面的水面高程或水位；

E1、E2——分别为下断面和上断面的总水头；——分别为下断面和上断面流速水头；

hf、hj——分别为上下断面之间的沿程水头损失和局部水头损失；

α——为动能改正系数，在单式断面中，可令

其中的α≈1.0。

一般采用均匀流沿程水头损失的公式，计算河道渐变流的沿程水头损失hf。

沿程水头损失hf计算公式：

在金家庄沟设计河段范围内，根据金家庄沟河道断面变化及桥梁布置情况，共布设3个横断面，断面桩号分别为 K0+000、K0+094、K0+401，评价河段长401 m，选择金家庄沟1号桥下游94 m处断面（桩号K0+000）作为控制断面，从下游向上游推算出设计河段100年一遇河道水面线，水面线推算结果见表3。

表3 现状桥梁河段100年一遇设计洪水水面线推求结果表

3.3 设计波浪爬高计算

当m≤1.25时，设计波浪爬高公式采用：

式中：m——斜坡坡率；

K△——斜坡的糙率及渗透性系数，K△=0.8；

Kv——经验系数，经验系数，可根据风速V=

23（m/s）、设计水深d、重力加速度 g=9.8（m/s2）组成的无维量V/（gd）1/2查表得到；

R0——为无风情况下光滑不透水护面（K△=1），

H=1 m时的爬高值，m；

Kp——爬高累积频率换算系数，据H/d和累计频率查表求得，结果见表4。

表4 桥位处100年一遇设计洪水波浪爬高计算结果表

3.4 壅水高度

根据《铁路工程水文勘测设计规范》推荐公式，计算桥位前最大壅水高度ΔZM。

式中：ΔZM——桥前最大壅水高度，m；

表5 桥位处100年一遇设计洪水壅水高度计算表

表6 金家庄沟1号桥100年一遇梁底最低高程复核成果表

η——系数，与水流进入桥孔阻力有关；

V——桥前全断面平均流速；

VM——桥下平均流速。

其中，对于中等土，桥下平均流速公式：

式中：P——冲刷系数，P=WX/Wg；

WX——桥下需要过水面积。

其中，桥下需要过水面积公式：

式中：Qp——设计流量；

vp——设计流速；

α——水流方向与桥梁轴线之法线的夹角°；

Wg——桥下供给过水断面积，结果见表5。

3.5 计算结果

桥梁的100年一遇设计水位为844.10 m，各种雍水高度之和为0.47 m，桥下净空安全值0.5 m。经计算，100年一遇设计洪水计算梁底最低高程为845.06 m。桥梁100年一遇的设计梁底高程，高于计算梁底最低高程26.6 m（结果见表6），满足《防洪标准》（GB 50201-2014）的要求。

4 结论

金家庄沟1号桥满足100年一遇的设计防洪标准要求，建设项目的实施，不仅能够满足汾西矿业集团公司煤炭外运的运输需要，提高企业的经济效益，从而提升企业的市场竞争力，同时可以带动当地经济的发展，而且为瓦日铁路集结货源，扩大干线铁路的吸引范围，为干线铁路提供充足的货源保障。