复杂地质条件下高速铁路特大桥跨河洪水影响分析研究

2022-10-24王保林段淑远

吉林水利 2022年10期

王保林，段淑远

（1.昭平台水库南灌区叶县管理所，河南叶县 467200；2.平顶山水利勘测设计院，河南平顶山 467000）

1 前言

新建平漯周高铁位于河南省中南部，自西向东衔接平顶山市、漯河市和周口市，是主动服务和融入“中部崛起”“交通强国”等多重国家战略，是强化中原城市群与周边城市群合作互动的需要，是推进中原城市群一体化协同发展的需要，是提升地区综合交通走廊服务水平，发挥铁路骨干绿色优势、改善地区交通出行结构的需要[1]。高速铁路在建设过程中通常会跨越河道[2]，受地形地质条件变化影响河道行洪状态发生改变。这些变化可能会造成对桥梁跨越处河段及其上下游的防洪安全产生影响[3-4]。平漯周铁路应河跨越工程建设项目穿越村庄和平板跨河桥，河道地形地质条件复杂，如果桥梁跨越河道建设项目不符合防洪工程设计规范要求，不仅会危及到桥梁跨越处河段及其上下游的防洪安全，同时也会对铁路交通安全产生影响，为此我们深入开展了平漯周高速铁路跨越应河段工程洪水影响分析应用研究。

2 洪水分析计算

2.1 河道及高铁平面布置概况

应河属淮河流域，河道全长28.5km，流域面积105.40km2，平均比降为0.025。拟建铁路桥桥址处河道两岸地势平坦开阔，植被较好，河道比降较平缓，近期河势比较稳定，河线基本无变化，主槽及岸坡冲於变化不大，河道堤岸基本稳定。工程所处区域地势西高东低，平均河宽35m，地貌单元为冲积平原地貌，地形较平坦，地表是农田，平原区冲沟发育，土层较厚。该区域内壤土类别为粉质壤土、中砂、细砂、细圆砾土。场区属于华北地层区，豫西地层分区，地表均为第四纪松散堆积物所覆盖。本次勘察钻探资料揭示地层主要为全新统、上更新统冲洪积物。

平漯周铁路应河跨越工程建设项目位于在平顶山市宝丰县杨庄镇薛潭村东北。桥梁总长177.7m，共3跨。设计行车速度为350km/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48.85m+80m+48.85m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，桩径根据跨度和地质条件设定为1.5m。跨越段桥梁上部连续梁采用单箱单室整孔箱梁，梁顶宽度12.6m，挡砟墙内侧净宽9m，桥梁建筑总宽度13.75m，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，墩号1、4墩宽2.5m，长7.6m，墩号2、3墩宽3.2m，长7.6m。墩下设高桩承台，1、4承台宽8m，长12m，台高2m；2、3承台宽10m，长13.75m，台高2m。该桥梁的设计防洪标准为100年一遇。桥梁与河道夹角约为41°44′，平均河宽35m，河岸两侧均为土质边坡无护砌，桥梁跨越处梁底与平板漫水桥净空高为5.1m，满足《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）中净空高4.5m的规定。应河跨越段铁路桥平面位置见图1。

图1 应河跨越段铁路桥平面布置图

2.2 洪水位分析计算

新建平漯周高铁与应河交叉断面距南水北调交叉断面5.4km，区间为平原区，面积8.3km2。交叉断面设计洪水为南水北调交叉断面下泄洪水与区间设计洪水错1h传播时间叠加求得。南水北调-铁路交叉断面区间洪水采用平原排涝模数法计算。设计洪水成果见表1。

表1 新建平漯周铁路与应河交叉断面设计洪水成果表

应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0.035；河道比降选取0.025。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2，公式如下：

表2 应河桥址断面天然水位流量成果表

式中：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3：

式中：ΔZ为最大壅水高度（m）；

η为系数，按规范中表3.5.1-1的规定取值，本次计算取0.1；v0为断面平均流速（m/s）；vM为桥下平均流速（m/s）。

表3 应河交叉断面壅高及壅长成果表

壅长计算

式中：L为壅水曲线全长（m）；I为水面比降。

由以上计算结果表3和表4可知，桥梁建成后20年一遇洪水阻水桥墩在河道左、右两滩，阻水桥墩为2、3号桥墩，洪水壅高为0.02m，壅长为17.86m，洪水位为118.63m；桥梁建成后100年一遇洪水阻水桥墩在河道左、右两滩，阻水桥墩为2、3号桥墩，洪水壅高为0.26m，壅长为210.47m，洪水位为119.73m，桥梁底高程为122.32m，高于100年一遇洪水位2.59m，满足《铁路工程水文勘测设计规范》（TB10017-1999）中表3.4.18桥下净空高度0.5m的要求。

表4 应河交叉断面工程前后后水位成果对比表

2.3 冲刷分析

由于高速铁路跨越应河工程段阻水桥墩处在河道左右两滩，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，高速铁路跨越应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。一般冲刷深度和局部冲刷深度计算根据桥址断面河道的土质情况采用《铁路工程水文勘测设计规范》推荐粘性土公式进行计算。不同的土质采用不同的计算公式。

粘性土情况一般冲刷计算公式如下：

河槽部分

河滩部分

式中：hp为河槽及河滩处一般冲刷后的最大水深(m)；Qt为河槽部分通过的设计流量（m3/s）；Bc为河槽部分过水净宽（m）；hmc为河槽最大水深（m）；为河槽平均水深（m）；为河滩平均水深（m）；Bt为河滩部分过水净宽（m）；hmt为河滩最大水深（m）；A为单宽流量集中系数，A＝1.0—1.2；IL为冲刷范围内粘性土样的液性系数，IL＝0.16—1.19。

粘性土局部冲刷深度计算式

式中：hb为局部冲刷坑深度（m）；B1为桥墩计算宽度（m）；V0为河床泥沙起动流速（m/s）；V为一般冲刷后墩前行进流速（m/s）；Kξ为墩形系数；Kη为河床颗粒影响系数；为墩前始冲流速（m/s）；为指数

根据桥梁地质剖面图，参照桥梁地质报告，确定应河桥址处表层土质，根据表层土质情况选择计算方法。应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见表5。

表5 应河桥址断面河道滩岸冲刷深度

拟建桥梁跨应河处100年一遇滩地一般冲刷深度3.09m，局部冲刷深度0.84m，滩地总冲刷深度3.93m。如图2所示，承台埋置深度均大于3.93m，满足冲刷管理要求。但2、3号桥墩位于河道左右滩，百年一遇洪水行洪时会造成过水面积减小，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。