高速铁路特大桥跨中小型河道洪水影响分析

2022-10-14段淑远庞亚磊

浙江水利水电学院学报 2022年4期

段淑远,庞亚磊

(平顶山水利勘测设计院，河南平顶山 467000)

我国经济目前正处在快速发展的阶段，高速铁路的建设已经成为中国面向全世界发展的一张重要名片[1]。高速铁路的建设是完善国家综合立体交通网大陆桥走廊多层次运输布局的需要，是构建横贯东中西、联结南北方的经济走廊，是驱动支撑地区经济发展，增强城市群整体竞争力、辐射力和影响力的需要[2-3]。截至2021年4月，我国高速铁路营运总里程已达3.79×104km，主要运输指标稳居世界第一[4]。大部分高速铁路在建设过程中需要跨越河道、河口和洪水蓄滞区等河流范围[5]。涉水高速铁路建设工程可能会改变河道原本的地质条件和水文条件，并且会影响到河道行洪水位、河流现状等[6-7]。桥梁跨越河道建设项目应当符合防洪工程设计规范要求，否则会对桥梁跨越处河段及其上下游的防洪安全产生影响[8-9]。2021年，国家水利部下发《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》，对此更是进行了强调[10]。

1 项目概况

新建平顶山经漯沙至周口高速铁路(简称平漯周铁路)位于河南省中南部，自西向东衔接平顶山市、漯河市和周口市。平漯周铁路灰河跨越工程建设项目位于平顶山市叶县廉村镇韩桥村西。桥梁总长145.7 m,共3跨。设计行车速度为350 km/h，CRTSI型双块式无砟轨道结构，全桥依地势及分跨受力要求设有40.85 m+64 m+40.85 m连续梁，沿线设双线圆端形实体桥墩，两侧设双线矩形空心桥台，墩台基础均为钢筋混凝土钻孔桩，桩径根据不同跨度和地质条件分别为1.25 m,1.5 m。该桥梁的设计防洪标准为100年一遇。桥梁与河道夹角约为40°12′，河道宽约60 m，河岸两侧均为土质边坡无护砌，两侧均有顶宽3 m河堤。灰河跨越段铁路桥平面位置见图1。

图1 灰河跨越段铁路桥平面布置图(单位：m)

跨越段桥梁上部连续梁采用单箱单室整孔箱梁，梁顶宽度12.6 m，挡砟墙内侧净宽9 m，桥梁建筑总宽度13.75 m，桥面设置电缆槽竖墙、盖板、接触网立柱基础；桥梁下部为双线圆端形实体墩，1#和4#墩宽2.5 m，长7 m，2#墩宽3.2 m，长7.6 m，3#墩宽3.56 m，长7.96 m。墩下设高桩承台，1和4承台宽7.8 m，长11.75 m，台高2.5 m，台下采用直径1.25 m钻孔灌注桩；2和3承台宽10.1 m，长13.8 m，台高3 m，台下采用直径1.5 m钻孔灌注桩。跨灰河段桥墩要素见表1。

表1 跨灰河段桥墩要素表

河道近期演变情况采用的数据为2017年和2021年实测地形图。2017年地形图为灰河宋庄—湾张段治理工程项目建设前，2021年实测地形图为灰河宋庄—湾张段治理工程项目实施后的现状情况，通过两个地形图情况的比对来说明河道近期的演变情况。灰河宋庄—湾张段治理工程项目完成后，该段河道的平面形态发生了较大的变化，通过将该段河道治理前后的岸边线进行套合处理，得出该段河道的治理前后平面形态对比(图2)。由图2可以看出，在平面上河道发生了较大的变化，河道由原先较为不规则的河势，经过河道治理的疏浚开挖，加固堤防，跨越处河道河势基本稳定。

图2 河道治理前后平面形态对比图

选取工程段2017年和2021年实测地形图的横断面进行套绘，分析套绘结果说明河道近期演变情况。

河道治理工程实施后，河宽由原来的85 m缩减为65 m，河底高程由原来的71.9 m，下降至71.5 m。两岸修筑了堤防，堤防高程79.25 m，河道河底略微降低，河道主槽和滩地界线清晰，两岸修筑了堤防，河道河势稳定，河道通过清淤疏浚水流通畅，冲淤变化处于稳定。

2 洪水分析计算

新建平漯周铁路与灰河交叉断面处来水主要是上游来水，上游来水主要分为山丘区来水和平原区来水。交叉断面以上控制流域面积336.54 km2，其中山丘区流域面积39.1 km2，平原区流域面积297.44 km2。山丘区采用推理公式计算设计洪水，平原区采用排涝公式计算区间设计洪水，并将两者直接叠加求得交叉断面处的设计洪水。设计洪水成果见表2。

表2 新建平漯周铁路与灰河交叉断面设计洪水成果表

2.1 洪水位分析计算

灰河与平漯周铁路交叉位置处无实测水位、流量资料。结合河槽土质、滩地附着物和河道运行情况，参照有关规范及其他河道治理，类比河道原治理资料，综合分析选定治理段河道主槽糙率为0.025，河道比降选取1/2 000。根据交叉断面处横断面，天然洪水位采用曼宁公式计算，结果见表3，其公式为

表3 灰河桥址断面天然水位流量成果表

(1)

式(1)中：Q为洪峰流量,m3/s；n为河道糙率；i为河道比降；A为过水断面面积，m2；R为水力半径，m。

按照桥梁工程施工图设计报告中铁路桥位、孔数、跨度、墩径等设计参数，确定行洪断面尺寸，以此计算分析壅水情况。路桥设计标准均为100年一遇，根据防洪评价导则要求，工程后壅水分析计算了20年和100年一遇洪水位。计算结果见表4和表5。

表4 交叉断面壅高及壅长成果见表

表5 交叉断面工程后水位成果见表

1) 桥前最大壅水高度计算

(2)

2) 壅长计算

(3)

式(3)中：L为壅水曲线全长，m；I为水面比降。

由以上计算结果可知，桥梁建成后20年一遇洪水阻水桥墩在河道右滩，阻水桥墩为3#桥墩，洪水壅高为0.13 m，壅长为537 m，洪水位为79.23 m；桥梁建成后100年一遇洪水阻水桥墩在河道右滩，阻水桥墩为3#桥墩，洪水壅高为0.17 m，壅长为628.2 m，洪水位为81.13 m，桥梁底高程为84.21 m，高于100年一遇洪水位3.08 m，满足《铁路工程水文勘测设计规范》(TB 10017—2021)中表3.4.18桥下净空高度0.5 m的要求。

2.2 现状堤顶高程分析计算

堤顶高程由设计洪水位加堤顶超高确定，堤顶超高计算公式为

Y=R+e+A

(4)

式(4)中：Y为堤顶超高，m；e为风壅水面高度，m；R为风浪爬高，m；A为安全加高，3级堤防的安全加高值不允许越浪0.7 m。

由莆田试验站公式计算，公式为

(5)

式(5)中：KΔ为斜坡糙率渗透性系数，取0.9；Kw为经验系数，取1.22；m为斜坡的坡度系数，m=2；h,λ分别为波高及波长,m，由以下公式计算

(6)

式(6)中：V为风速，根据当地风速风向资料，年最大平均风速为16.3 m/s；D为吹程,m。

经计算，堤顶超高为Y=0.75 m，经现场测量河段现状堤顶超高不小于0.75 m,满足规范要求。

2.3 冲刷分析

由于高速铁路跨越灰河工程段3#桥墩处在河道右滩，导致河道行洪面积减小，同时会造成跨越处河水流速增大。而且由于桥墩的存在也会造成局部水流方向发生变化，对桥墩产生局部的冲刷作用，因此高速铁路跨越灰河工程段河道冲刷计算应综合考虑一般冲刷和局部冲刷的影响。

1) 一般冲刷计算

在黏性土状况下的河槽部分和河滩部分一般冲刷计算公式分别为

(7)

(8)

2) 局部冲刷

黏性土局部冲刷深度计算式分别为

V≤V0hb=KξKηB0.61(V-V0′)

(9)

(10)

根据河道地质资料,河道断面冲刷计算参数见表6。

表6 河道断面冲刷计算参数

3) 计算成果

根据桥梁地质剖面图，参照桥梁地质报告，确定灰河桥址处表层土质，根据表层土质情况选择计算方法。灰河桥址断面河道冲刷深度由河滩部分的一般冲刷深度和局部冲刷深度组成(表7)。

表7 灰河桥址断面河道冲刷深度

拟建桥梁跨灰河处100 年一遇滩地一般冲刷深度0.96 m，局部冲刷深度0.9 m，河槽总冲刷深度1.80 m，总冲刷深度 1.86 m。3#桥墩承台顶高程为70.208 m，承台埋置深度为3.5 m，满足冲刷管理要求。由于3#桥墩位于河道右滩，导致过水面积减小，阻水率增大，为减小桥墩布置对河道防洪造成的影响和桥墩挑流引起的河岸冲刷，需对影响范围内的河道岸坡进行护砌。

2.4 堤防及岸坡稳定分析计算

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)的要求，堤防边坡抗滑稳定应计算以下两种工况：1) 上游设计洪水位，堤后无水，背水坡的稳定情况；2) 设计洪水位骤降期堤防临水坡的稳定情况。其计算公式为

(11)

式(11)中：b为条块宽度，m；W为条块重力，kN；Q，V分别为水平和垂直地震惯性力(V向上为负，向下为正)，kN；u为作用于土条地面的孔隙压力，kPa；a为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，度；c′，φ′分别为土的抗剪强度指标,kN·m-3;Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径，m。

通过计算，拟建桥梁跨越处岸坡抗滑稳定系数满足规范要求(表8)。桥梁建成后桥墩距离河道堤防2.94 m，不会对河道岸坡产生。