段淑遠,龐亞磊

(平頂山水利勘測設計院，河南 平頂山 467000)

我國經(jīng)濟目前正處在快速發(fā)展的階段，高速鐵路的建設已經(jīng)成為中國面向全世界發(fā)展的一張重要名片[1]。高速鐵路的建設是完善國家綜合立體交通網(wǎng)大陸橋走廊多層次運輸布局的需要，是構建橫貫東中西、聯(lián)結南北方的經(jīng)濟走廊，是驅動支撐地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，增強城市群整體競爭力、輻射力和影響力的需要[2-3]。截至2021年4月，我國高速鐵路營運總里程已達3.79×104km，主要運輸指標穩(wěn)居世界第一[4]。大部分高速鐵路在建設過程中需要跨越河道、河口和洪水蓄滯區(qū)等河流范圍[5]。涉水高速鐵路建設工程可能會改變河道原本的地質(zhì)條件和水文條件，并且會影響到河道行洪水位、河流現(xiàn)狀等[6-7]。橋梁跨越河道建設項目應當符合防洪工程設計規(guī)范要求，否則會對橋梁跨越處河段及其上下游的防洪安全產(chǎn)生影響[8-9]。2021年，國家水利部下發(fā)《河道管理范圍內(nèi)建設項目防洪評價報告編制導則》，對此更是進行了強調(diào)[10]。

1 項目概況

新建平頂山經(jīng)漯沙至周口高速鐵路(簡稱平漯周鐵路)位于河南省中南部，自西向東銜接平頂山市、漯河市和周口市。平漯周鐵路灰河跨越工程建設項目位于平頂山市葉縣廉村鎮(zhèn)韓橋村西。橋梁總長145.7 m,共3跨。設計行車速度為350 km/h，CRTSI型雙塊式無砟軌道結構，全橋依地勢及分跨受力要求設有40.85 m+64 m+40.85 m連續(xù)梁，沿線設雙線圓端形實體橋墩，兩側設雙線矩形空心橋臺，墩臺基礎均為鋼筋混凝土鉆孔樁，樁徑根據(jù)不同跨度和地質(zhì)條件分別為1.25 m,1.5 m。該橋梁的設計防洪標準為100年一遇。橋梁與河道夾角約為40°12′，河道寬約60 m，河岸兩側均為土質(zhì)邊坡無護砌，兩側均有頂寬3 m河堤?；液涌缭蕉舞F路橋平面位置見圖1。

圖1 灰河跨越段鐵路橋平面布置圖(單位：m)

跨越段橋梁上部連續(xù)梁采用單箱單室整孔箱梁，梁頂寬度12.6 m，擋砟墻內(nèi)側凈寬9 m，橋梁建筑總寬度13.75 m，橋面設置電纜槽豎墻、蓋板、接觸網(wǎng)立柱基礎；橋梁下部為雙線圓端形實體墩，1#和4#墩寬2.5 m，長7 m，2#墩寬3.2 m，長7.6 m，3#墩寬3.56 m，長7.96 m。墩下設高樁承臺，1和4承臺寬7.8 m，長11.75 m，臺高2.5 m，臺下采用直徑1.25 m鉆孔灌注樁；2和3承臺寬10.1 m，長13.8 m，臺高3 m，臺下采用直徑1.5 m鉆孔灌注樁。跨灰河段橋墩要素見表1。

表1 跨灰河段橋墩要素表

河道近期演變情況采用的數(shù)據(jù)為2017年和2021年實測地形圖。2017年地形圖為灰河宋莊—灣張段治理工程項目建設前，2021年實測地形圖為灰河宋莊—灣張段治理工程項目實施后的現(xiàn)狀情況，通過兩個地形圖情況的比對來說明河道近期的演變情況?；液铀吻f—灣張段治理工程項目完成后，該段河道的平面形態(tài)發(fā)生了較大的變化，通過將該段河道治理前后的岸邊線進行套合處理，得出該段河道的治理前后平面形態(tài)對比(圖2)。由圖2可以看出，在平面上河道發(fā)生了較大的變化，河道由原先較為不規(guī)則的河勢，經(jīng)過河道治理的疏浚開挖，加固堤防，跨越處河道河勢基本穩(wěn)定。

圖2 河道治理前后平面形態(tài)對比圖

選取工程段2017年和2021年實測地形圖的橫斷面進行套繪，分析套繪結果說明河道近期演變情況。

河道治理工程實施后，河寬由原來的85 m縮減為65 m，河底高程由原來的71.9 m，下降至71.5 m。兩岸修筑了堤防，堤防高程79.25 m，河道河底略微降低，河道主槽和灘地界線清晰，兩岸修筑了堤防，河道河勢穩(wěn)定，河道通過清淤疏浚水流通暢，沖淤變化處于穩(wěn)定。

2 洪水分析計算

新建平漯周鐵路與灰河交叉斷面處來水主要是上游來水，上游來水主要分為山丘區(qū)來水和平原區(qū)來水。交叉斷面以上控制流域面積336.54 km2，其中山丘區(qū)流域面積39.1 km2，平原區(qū)流域面積297.44 km2。山丘區(qū)采用推理公式計算設計洪水，平原區(qū)采用排澇公式計算區(qū)間設計洪水，并將兩者直接疊加求得交叉斷面處的設計洪水。設計洪水成果見表2。

表2 新建平漯周鐵路與灰河交叉斷面設計洪水成果表

2.1 洪水位分析計算

灰河與平漯周鐵路交叉位置處無實測水位、流量資料。結合河槽土質(zhì)、灘地附著物和河道運行情況，參照有關規(guī)范及其他河道治理，類比河道原治理資料，綜合分析選定治理段河道主槽糙率為0.025，河道比降選取1/2 000。根據(jù)交叉斷面處橫斷面，天然洪水位采用曼寧公式計算，結果見表3，其公式為

表3 灰河橋址斷面天然水位流量成果表

(1)

式(1)中：Q為洪峰流量,m3/s；n為河道糙率；i為河道比降；A為過水斷面面積，m2；R為水力半徑，m。

按照橋梁工程施工圖設計報告中鐵路橋位、孔數(shù)、跨度、墩徑等設計參數(shù)，確定行洪斷面尺寸，以此計算分析壅水情況。路橋設計標準均為100年一遇，根據(jù)防洪評價導則要求，工程后壅水分析計算了20年和100年一遇洪水位。計算結果見表4和表5。

表4 交叉斷面壅高及壅長成果見表

表5 交叉斷面工程后水位成果見表

1) 橋前最大壅水高度計算

(2)

2) 壅長計算

(3)

式(3)中：L為壅水曲線全長，m；I為水面比降。

由以上計算結果可知，橋梁建成后20年一遇洪水阻水橋墩在河道右灘，阻水橋墩為3#橋墩，洪水壅高為0.13 m，壅長為537 m，洪水位為79.23 m；橋梁建成后100年一遇洪水阻水橋墩在河道右灘，阻水橋墩為3#橋墩，洪水壅高為0.17 m，壅長為628.2 m，洪水位為81.13 m，橋梁底高程為84.21 m，高于100年一遇洪水位3.08 m，滿足《鐵路工程水文勘測設計規(guī)范》(TB 10017—2021)中表3.4.18橋下凈空高度0.5 m的要求。

2.2 現(xiàn)狀堤頂高程分析計算

堤頂高程由設計洪水位加堤頂超高確定，堤頂超高計算公式為

Y=R+e+A

(4)

式(4)中：Y為堤頂超高，m；e為風壅水面高度，m；R為風浪爬高，m；A為安全加高，3級堤防的安全加高值不允許越浪0.7 m。

由莆田試驗站公式計算，公式為

(5)

式(5)中：KΔ為斜坡糙率滲透性系數(shù)，取0.9；Kw為經(jīng)驗系數(shù)，取1.22；m為斜坡的坡度系數(shù)，m=2；h,λ分別為波高及波長,m，由以下公式計算

(6)

式(6)中：V為風速，根據(jù)當?shù)仫L速風向資料，年最大平均風速為16.3 m/s；D為吹程,m。

經(jīng)計算，堤頂超高為Y=0.75 m，經(jīng)現(xiàn)場測量河段現(xiàn)狀堤頂超高不小于0.75 m,滿足規(guī)范要求。

2.3 沖刷分析

由于高速鐵路跨越灰河工程段3#橋墩處在河道右灘，導致河道行洪面積減小，同時會造成跨越處河水流速增大。而且由于橋墩的存在也會造成局部水流方向發(fā)生變化，對橋墩產(chǎn)生局部的沖刷作用，因此高速鐵路跨越灰河工程段河道沖刷計算應綜合考慮一般沖刷和局部沖刷的影響。

1) 一般沖刷計算

在黏性土狀況下的河槽部分和河灘部分一般沖刷計算公式分別為

(7)

(8)

2) 局部沖刷

黏性土局部沖刷深度計算式分別為

V≤V0hb=KξKηB0.61(V-V0′)

(9)

(10)

根據(jù)河道地質(zhì)資料,河道斷面沖刷計算參數(shù)見表6。

表6 河道斷面沖刷計算參數(shù)

3) 計算成果

根據(jù)橋梁地質(zhì)剖面圖，參照橋梁地質(zhì)報告，確定灰河橋址處表層土質(zhì)，根據(jù)表層土質(zhì)情況選擇計算方法?；液訕蛑窋嗝婧拥罌_刷深度由河灘部分的一般沖刷深度和局部沖刷深度組成(表7)。

表7 灰河橋址斷面河道沖刷深度

擬建橋梁跨灰河處100 年一遇灘地一般沖刷深度0.96 m，局部沖刷深度0.9 m，河槽總沖刷深度1.80 m，總沖刷深度 1.86 m。3#橋墩承臺頂高程為70.208 m，承臺埋置深度為3.5 m，滿足沖刷管理要求。由于3#橋墩位于河道右灘，導致過水面積減小，阻水率增大，為減小橋墩布置對河道防洪造成的影響和橋墩挑流引起的河岸沖刷，需對影響范圍內(nèi)的河道岸坡進行護砌。

2.4 堤防及岸坡穩(wěn)定分析計算

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286-2013)的要求，堤防邊坡抗滑穩(wěn)定應計算以下兩種工況：1) 上游設計洪水位，堤后無水，背水坡的穩(wěn)定情況；2) 設計洪水位驟降期堤防臨水坡的穩(wěn)定情況。其計算公式為

(11)

式(11)中：b為條塊寬度，m；W為條塊重力，kN；Q，V分別為水平和垂直地震慣性力(V向上為負，向下為正)，kN；u為作用于土條地面的孔隙壓力，kPa；a為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，度；c′，φ′分別為土的抗剪強度指標,kN·m-3;Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

通過計算，擬建橋梁跨越處岸坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求(表8)。橋梁建成后橋墩距離河道堤防2.94 m，不會對河道岸坡產(chǎn)生。

表8 橋梁跨越處斷面邊坡抗滑穩(wěn)定計算成果表

3 結論與建議

1) 擬建高速鐵路跨越灰河橋梁底高程84.94 m,較100年一遇洪水位高3.81 m，滿足0.5 m的凈空高要求，符合《防洪標準》(GB 50201—2014)和《鐵路工程水文勘測設計規(guī)范》(TB 10017—2021)中的相關規(guī)范；比堤頂高程高4.54 m，滿足防汛要求。

2) 橋梁建成后20年一遇洪水壅高0.13 m，壅長537 m；100年一遇洪水壅高0.17 m，壅長682.2 m。擬建鐵路橋建成后壅水高度相對較小，影響程度和范圍有限，對兩岸的房屋和耕地基本無影響，故跨河鐵路橋的建設基本不影響河道泄洪。

3) 擬建橋梁跨灰河處100 年一遇洪水灘地一般沖刷深度0.96 m，局部沖刷深度0.9 m，河槽總沖刷深度1.8 m，總沖刷深度 1.86 m。3#橋墩承臺頂高程為70.208 m，承臺埋置深度為3.892 m，滿足沖刷管理要求。

4) 擬建鐵路橋與灰河河道斜交40°12′，3#橋墩位于河道右灘，導致過水面積減小，阻水率增大，為減小橋墩布置對河道防洪造成的影響和橋墩挑流引起的河岸沖刷，需對影響范圍內(nèi)的河道岸坡進行護砌。