上游水库对于铁路桥梁桥址处流量影响的研究

2020-10-12郝勇

山西建筑 2020年20期

郝勇

(中国铁路设计集团，天津 300308)

1 概述

铁路桥梁是铁路跨越河流、湖泊、海峡、山谷或其他障碍物，以及为实现铁路线路与铁路线路或道路的立体交叉而修建的构筑物。水库，一般的解释为“拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，可以用来灌溉、发电、防洪和养鱼。”它是指在山沟或河流的狭口处建造拦河坝形成的人工湖泊。水库建成后，可起防洪、蓄水灌溉、供水、发电、养鱼等作用。如何在铁路勘测设计阶段合理确定上游水库对于桥址处流量的影响，一直是桥梁设计者较为关注的问题。

2 收集资料

当地主管部门对于线路沿线基础资料的掌握是最全面的。在外业勘测过程中，需要前往当地的水利局、水文局、河道管理所、水库管理所、水利枢纽管理处等各相关单位收集沿线水文资料。收集内容通常包括地方水利志、水系图、河流水库参数、蓄滞洪区设置、地方水文计算办法等。上述资料的收集对于合理确定桥梁位置和孔跨具有重要意义。

针对线位附近的水库，在外业勘测基段则应准确了解涉及到的水库名称、主管单位、水库等级、设计标准、校核标准、总库容、死库容、主坝类型、坝顶高程、坝顶宽度及长度、溢洪道情况、最大设计下泄流量、溃坝流量等工程数据。必要的时候还应了解水库的实际用途，以便在设计过程中提前考虑施工方案对于水库环境的影响。

3 处理思路

在准确收集当地资料后，应针对线位与既有水库工程的位置关系，视具体情况对水库问题进行处理。处理思路如图1所示。

3.1 线位穿越水库或其附属设施

当铁路选线困难，线位不可避免地走行于既有水库之中，铁路应以桥梁形式跨越水库，并尽量一跨跨越水库堤坝结构。如水库水域面积较大，在充分争取地方主管部门意见的前提下，宜以简支梁形式布设水库内孔跨，以尽量减小桥梁施工对于库区的影响。

3.2 线位不穿越水库或其附属设施

当线位不穿越水库及其附属结构，而是仅走行于水库附近，则应优先判断水库泄流路径是否与线位交叉。判断依据通常为沿线地形地势、水库大坝开口方向、溢洪道设置情况等，如线位与水库泄流路径不交叉，则可暂不考虑水库对于本线的影响。

当线位与水库的泄流路径交叉，则铁路桥梁在设计过程中应充分考虑水库对于桥梁的影响。

3.2.1水库校核年限大于铁路桥梁

当水库校核年限大于铁路桥梁，则代表水库的设计标准高于桥梁，即在桥梁结构的正常使用过程中，不需考虑水库溃坝造成的流量增加。但是水库在使用过程中，根据其功能性的不同，亦需要经常性的开闸泄流，这部分泄流量会对桥梁的正常使用造成影响。因此在这种情况下，应考虑水库设计最大下泄流量并基于泄流路径的长度进行折减。

折减公式如下：

QLM=W/(W/QM+LC/VK)。

其中,QLM为桥址处计算流量；QM为水库设计最大下泄流量；LC为坝址与桥址间距；W为水库下泄的水量体积,m3；V为河道洪水期断面最大平均流速，有资料时采用历史最大值；如无，山区用3.0 m/s～5.0 m/s，山前区用2.0 m/s～3.0 m/s，平原区用1.0 m/s～2.0 m/s；K为调整系数，山区1.1～1.5，山前1.0，平原0.8～0.9。

3.2.2水库校核年限不大于铁路桥梁

当水库校核年限小于铁路桥梁，则代表水库的设计标准低于桥梁，即在桥梁结构的正常使用过程中，应考虑水库溃坝造成的流量增加。当水库校核年限等于铁路桥梁，考虑到水库在使用过程中结构不断老化，或可能在使用过程中遭遇泥石流、地震或人类活动的破坏，实际标准极有可能低于设计时的校核年限，因此也应考虑水库溃坝造成的流量增加。溃坝流量的计算公式如下：

QM=0.27g0.5(L/B)1/10(B/b)1/3b(H0-K′h′)3/2；

当V≥106m3:

b=K1K2(V1/4B1/7H1/2)；

当V<106m3:

b=K1K2(V1/4H1/4)。

其中,QM为水库溃坝流量；L为水库库区长，当L/B>5，按L=5B取之；B为下游坝长；b为坝体决口平均宽度；K1为安全系数，取1.1～1.3；K2为坝体建材系数，一般取1.2，对均质壤土坝取2；K3为材质系数；质量由好到差可取6.6～9.1；V为水库库容；H为水库坝高；H0为溃坝时坝体上游水深，可以坝高计；h′为溃坝后坝体残留高度，取0以策安全；K′为修正系数，可按K′=1.4(bh′/BH0)1/3计算，bh′/BH0>0.3时，K′取0.92。

4 计算示例

本文以某高速铁路项目初测为例进行计算示例。项目沿线水资源丰富，水库密布。其中，甲、乙两座水库均为小二型水库，位于线位附近，且其下泄路径均与线位交叉。甲水库设计年限30年，校核年限200年；乙水库设计年限20年，校核年限100年。故分别计算甲水库的设计最大下泄流量及乙水库的溃坝流量对于本项目的影响。

4.1 桥址处甲水库设计最大下泄流量计算

根据外业勘测阶段收集得到的资料，甲水库行洪最大下泄水量为387.1万m3，设计最大下泄流量为738.22 m3/s。已知沿甲水库泄流路径，坝址与桥址距离为3.5 km，河道洪水期断面最大平均流速取1 m/s，调整系数K取0.8，则计算得到，当甲水库下泄设计最大下泄量的水体，根据上述公式，桥址与泄流路径交叉处增加流量应为402.45 m2/s。

4.2 桥址处乙水库溃坝流量计算

根据外业勘测阶段收集得到的资料，乙水库总库容12.08万m3，坝宽77 m，坝高22.45 m，计算得溃坝流量为1 727.11 m3/s。已知沿乙水库泄流路径，坝址与桥址距离为6.08 km，河道洪水期断面最大平均流速取4 m/s，调整系数K取1.3，则计算得到，当乙水库溃坝，根据上述公式，桥址与泄流路径交叉处增加流量应为25.45 m3/s。