楊維一，王冬立，孟軍濤

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京　100081;2.北京鐵科工程檢測中心，北京　100081; 3.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北 肅寧　062350)

每年汛期各類水害都會對鐵路正常運輸構(gòu)成威脅，特別是橋梁水害，常常是突發(fā)性的、對運輸安全危害較大，危及列車及乘客人身安全，且搶險和修復(fù)都比較困難。雖然水害后的總結(jié)分析對提高防洪管理水平、減少同類問題的發(fā)生起到了一定的作用，但與合理防洪、科學(xué)防洪，進而避免水害的發(fā)生還有一定差距。防洪工程與水害整治工程如果缺少水文檢算作為依據(jù)，容易造成不合理投資，甚至帶來負(fù)面作用。因此，只有提前弄清橋梁自身的狀態(tài)和所處的環(huán)境，才能較為準(zhǔn)確地評估其抗洪能力[1-2]，提出科學(xué)合理的防洪對策，從而避免水害的發(fā)生，保證鐵路運輸?shù)陌踩珪惩ā?/p>

在對既有橋梁水文檢算時，需對檢定流量、檢定水位、壅水高度、沖刷深度等進行計算。計算公式中依據(jù)的是橋梁設(shè)計或竣工時的河床斷面，通常既有橋運營年代較長時，上述河床斷面已難尋找，在不得已的情況下，能否借用現(xiàn)有橋下斷面進行計算，是一項有待研究的課題。特別是存在無序挖砂的河道，完全改變了原有的河床演變規(guī)律。此時，不同的計算斷面會對水文檢算結(jié)果帶來較大的差異，進而影響對橋梁安全狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。本文在總結(jié)分析橋梁水文檢算內(nèi)容和存在問題的基礎(chǔ)上，以朔黃鐵路133號磁河特大橋為例，分析不同的計算斷面對沖刷檢算結(jié)果的影響。

1　水文檢算內(nèi)容和方法

橋梁水文檢算或者抗洪能力評估的主要目的就是檢算橋梁的抗洪能力，即根據(jù)歷史沿革及橋梁現(xiàn)狀、河道、水文、地質(zhì)條件等按照規(guī)范規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，檢定既有鐵路橋梁的過洪能力，判斷橋梁基礎(chǔ)埋深、孔徑及橋下凈空是否滿足要求，分析上下游相關(guān)工程以及滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害等對橋梁可能產(chǎn)生的影響。橋梁水文檢算主要內(nèi)容和方法如下。

1.1　收集資料

基礎(chǔ)資料是開展水文檢算的前提條件，應(yīng)盡可能地多收集相關(guān)資料并進行甄別分析，確保所用資料的詳實可靠。需要收集的主要資料包括：橋梁竣工平面圖、立面圖；加固改造的平面圖、立面圖；設(shè)計洪水頻率和設(shè)計流量、水位、流速、一般沖刷高程及局部沖刷高程；設(shè)計時的河床縱橫斷面圖；橋位河段河床地質(zhì)資料(鉆孔取樣資料)；歷年橋址及橋梁上下游河床斷面測量資料；最新橋址流域地形圖(可選1∶10 000 或 1∶50 000)；橋梁所在河流流域概況、歷史洪水情況、河道變遷情況；橋梁上下游水庫及其運用情況；河道水文站或水位站情況；橋梁上下游河道一定范圍內(nèi)的相關(guān)工程情況，包括其他橋梁及攔河建筑物、導(dǎo)流堤、防洪大堤、丁壩、攔砂壩等工程的位置及尺寸；橋址河段河道采砂情況；河道及灘地植被情況等。

此外，還要根據(jù)資料的完整性情況，開展現(xiàn)場勘測，包括河床質(zhì)取樣并試驗，橋址斷面、形態(tài)斷面以及河道縱斷面地形測量等。

1.2　計算分析

對既有橋梁進行檢算是在橋梁建成一定年代后進行的，由于時間的推移，水文資料系列的增長，流域環(huán)境的變化以及上下游相關(guān)工程的影響，橋梁運營所面臨的水力條件會發(fā)生一定的變化。因此，橋梁水文檢算需要進行深入的調(diào)查研究和充分的計算分析，才能合理判定橋梁的實際狀態(tài)。主要計算分析工作包括確定檢定流量和檢定水位；計算橋前最大壅水高度和橋下凈空，分析橋梁孔徑和凈空是否滿足過洪要求；計算橋下沖刷深度，分析基礎(chǔ)埋深是否滿足要求等。

1.3　提出防洪對策或整治建議

在水文檢算分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)并提出橋梁在防洪安全方面存在的問題，排查存在的隱患，根據(jù)問題的輕重緩急，提出近期或遠(yuǎn)期的整治規(guī)劃建議，逐步減少、消除橋梁水害的發(fā)生。

2　水文檢算公式和計算斷面

橋梁水文檢算主要包括流量計算、水位計算、壅水計算、沖刷計算等。沖刷計算又包括一般沖刷計算和局部沖刷計算。根據(jù)計算建立時采用資料的不同，計算斷面選取的要求也存在差異。

2.1　壅水計算

壅水計算根據(jù)橋梁與水流流向交角的不同分為正交橋壅水計算和斜交橋壅水計算。正交橋壅水計算采用鐵運函[2004]120號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡稱《橋檢規(guī)》)[3]中的公式(9.4.1)。斜交橋壅水計算公式目前尚未納入規(guī)范，現(xiàn)狀條件下可采用TB 10017—99《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》[4]中的公式(3.5.1)。壅水計算中包含2個關(guān)鍵參數(shù)，即橋下斷面平均流速和天然斷面平均流速。橋下斷面平均流速計算斷面比較明確，即采用橋址斷面扣除路堤、墩臺阻水面積后的橋下凈過水面積，而天然斷面平均流速計算斷面則有所不同。公式(9.4.1)中，天然斷面平均流速可采用橋下斷面，而公式(3.5.1)，天然斷面平均流速計算斷面采用橋址上下游一定范圍內(nèi)的形態(tài)斷面。

2.2　沖刷計算

3　存在的問題

在進行檢定水位、壅水高度以及沖刷深度計算時均要用到河床斷面，這是水文檢算最基本的資料。而現(xiàn)有計算公式大多是針對橋梁設(shè)計制定的，選擇的是建橋前的水文斷面，而且也未考慮到建橋后的河道、水文條件變化，而既有橋檢算最關(guān)心的就是河道以及水文條件的現(xiàn)狀和未來的變化趨勢。計算公式是為橋梁設(shè)計制定的，因此嚴(yán)格地講，既有橋水文檢算不宜采用為橋梁設(shè)計制定的計算公式。此外，由于很多橋梁的建橋前斷面往往缺失難以找到，不得已只好借用其它斷面(形態(tài)斷面或者現(xiàn)狀橋下斷面)，從而影響計算結(jié)果的可靠性和合理性。特別是對位于特殊河段的橋梁，影響會更加明顯。

1)位于挖砂河道的橋梁

天然河道在長期演變過程中，通過挾沙水流與河床的相互作用，形成了相對穩(wěn)定的河床形態(tài)。而大規(guī)模無序的挖砂不僅破壞了河床形態(tài)，更改變了河道的輸沙平衡，引起河勢的局部變化和岸線的崩退，對局部河段的穩(wěn)定帶來了不利影響。由于河道過量挖砂，致使河床嚴(yán)重下切、水位降低，易造成深槽移位；臨近堤岸挖砂，使深泓線靠近堤岸，岸坡變陡，極易引起堤岸坍塌，危及堤防安全；橋址附近過度挖砂會造成河床溯源沖刷和集中沖刷，造成橋梁基礎(chǔ)外露，危及橋梁安全；采砂的棄渣堆積體成為新的河道障礙物，改變了水力條件，影響河道排洪防洪。這種挖砂河道已改變了河床的天然演變規(guī)律，如果仍采用建橋前斷面進行水文檢算，得出的結(jié)果可能與現(xiàn)狀河道變化趨勢不一致，影響對橋梁抗洪能力評估的準(zhǔn)確性。

2)位于水庫影響范圍的橋梁

位于水庫上游回水范圍內(nèi)的橋梁，橋下斷面將因水庫淤積而逐步升高，河床斷面和比降均在不斷變化，原本過流通暢的橋梁，可能發(fā)生線路、橋梁被淹。此外，橋下河床整體淤積到一定高度后，斷面趨于平整，水位整體抬高，原本位于兩岸灘地埋深較淺的橋墩，在某個時期內(nèi)，可能因水庫泄洪而產(chǎn)生較大的沖刷，危及橋梁安全。位于水庫下游沖刷影響范圍內(nèi)的橋梁，因水庫改變了下游河道的來水、來沙條件，使河道的沖淤規(guī)律發(fā)生了變化。特別是水庫下泄清水時，會使水庫下游河道產(chǎn)生劇烈的沖刷，甚至引起河型的轉(zhuǎn)化。因此，對位于水庫以下范圍內(nèi)的橋梁進行水文檢算，必須考慮水庫帶來的變化和發(fā)展趨勢，避免出現(xiàn)錯誤的判斷。

4　算例

以朔黃鐵路133號磁河特大橋沖刷計算為例，分析不同的計算斷面對沖刷檢算結(jié)果的影響。

4.1　工程概況

朔黃鐵路133號磁河特大橋位于河北省靈壽縣，1999年9月竣工，為21×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁，橋梁全長696 m。原橋采用樁基礎(chǔ)，樁長15～18 m。橋墩為圓端型，墩寬1.2 m。2016年汛期，受上游水庫泄洪影響，橋下河床產(chǎn)生較大沖刷，汛后對該橋6#～11#墩基礎(chǔ)進行加固。在原樁基礎(chǔ)外側(cè)增加12根直徑1 m的鉆孔樁，并加大承臺，承臺寬度由4.0 m擴大為9.6 m。

磁河全長179 km，流域面積 2 100 km2，河床縱坡1.82‰，汛期含沙量約4 kg/m3。133號磁河特大橋位于磁河山區(qū)段與平原段過渡地區(qū)，河床斷面寬淺。建橋前河床較為平坦，兩岸無明顯堤防，多為土質(zhì)岸坡。橋位所處河段均存在大量的采砂坑，橋上游采砂坑一直達到橋前90 m左右，最深約10 m，橋下游采砂坑一直延伸到橋下游100 m左右，最深約9 m。上下游采砂坑分布均嚴(yán)重超過了禁采范圍。2016年汛期，上游橫山嶺水庫泄洪，流量僅約100 m3/s，在8～10孔橋下河床產(chǎn)生了7 m左右的沖刷，沖刷前后斷面地形見圖1。沖刷后的現(xiàn)狀斷面地形與建橋前斷面地形相比發(fā)生了較大的變化，在6～9孔之間形成明顯的河槽，而兩側(cè)灘地地形與建橋前相比變化不大。

圖1　133號磁河特大橋河床橫斷面

4.2　計算公式

依據(jù)《橋檢規(guī)》公式(9.5.2)，非黏性土河床的橋下一般沖刷計算公式如下。

1)河槽部分

(1)

2)河灘及人工渠道部分

(2)

4.3　計算結(jié)果

為了分析計算斷面對沖刷計算結(jié)果的影響，本文采用建橋前橋下斷面和現(xiàn)狀橋下斷面分別計算沖刷深度，分析其可能的影響。由圖1可以看出：建橋前橋下斷面寬淺，無明顯主槽，主流可能在全斷面范圍內(nèi)通過，但結(jié)合橋址河段平面地形和地質(zhì)情況，主流區(qū)確定為1～11孔?，F(xiàn)狀橋下斷面有明顯的主槽和灘地，計算時灘槽直接按照斷面地形進行劃分。

根據(jù)計算分析，133號磁河特大橋檢算流量為 3 540 m3/s，檢算水位為119.69 m。橋址斷面河床主要由中粗砂、圓礫土、卵石土和漂石土組成，各種土層交替分布。河床表層主要為中粗砂，厚2～6 m，平均粒徑0.59 mm；下部為圓礫土，厚約13～22 m，其中小圓礫平均粒徑3.81 mm，中圓礫平均粒徑7.38 mm，大圓礫平均粒徑13.65 mm。計算時主槽河床土平均粒徑采用3.81，7.38和13.65 mm分層計算，灘地河床土平均粒徑采用0.59和3.81 mm分層計算。含沙量系數(shù)E取0.66。計算結(jié)果見表1。

表1　檢算流量下磁河特大橋沖刷計算結(jié)果

對比表1中數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)狀橋下斷面進行一般沖刷計算，主槽一般沖刷后水深明顯大于采用建橋前斷面計算的結(jié)果，而灘地一般沖刷后水深又明顯小于采用建橋前斷面計算的結(jié)果，局部沖刷后床面高程亦是如此。采用現(xiàn)狀橋下斷面計算的主槽局部沖刷后床面最低高程較采用建橋前斷面計算的結(jié)果低了2.84 m，而灘地的結(jié)果要高1.95 m。原因主要是現(xiàn)狀橋下斷面主槽部分通過流量占比較大，灘地過流較少，主槽流速明顯大于灘地流速。

表2為主槽橋墩局部沖刷線檢算值與設(shè)計值的對比?？梢钥闯?，采用竣工圖斷面計算的局部沖刷線高于設(shè)計局部沖刷線，基礎(chǔ)埋深滿足要求。而采用現(xiàn)狀斷面計算的局部沖刷線低于設(shè)計局部沖刷線，基礎(chǔ)埋深不滿足要求。表明采用不同的計算斷面對檢算結(jié)果可能產(chǎn)生完全不同的結(jié)論。

表2　主槽橋墩局部沖刷線　m

4.4　沖刷深度分析

由于磁河無序挖砂現(xiàn)象十分嚴(yán)重，河道坑坑洼洼、高低不平，上下游河床已遠(yuǎn)低于橋址附近河床，完全改變了河道天然演變規(guī)律。采用建橋前河床斷面進行沖刷計算，其結(jié)果可能不符合現(xiàn)有河勢下的河道演變規(guī)律。如果采用現(xiàn)狀橋下河床斷面計算沖刷，計算公式本身又不適應(yīng)。現(xiàn)階段難以判定哪個計算斷面得到的結(jié)果更為合理，下面結(jié)合磁河特大橋具體情況進行分析。

1)沖刷深度分析

圖2是磁河特大橋10#墩右側(cè)深泓線、4#墩左側(cè)以及17#墩右側(cè)橋址上下游縱斷面河床地形。4#墩位于右岸灘地，10#墩位于現(xiàn)狀的主河槽，17#墩位于左岸灘地。從圖2可以看出，4#墩在橋址上下游各100 m左右的河床明顯高于此范圍外的上下游河床，最大高差在8 m左右。10#墩右側(cè)深泓線為2016年汛后測量地形，明顯要低于兩側(cè)灘地河床。17#墩上下游河床整體高于主槽和右岸河床，且河床未受挖砂影響以及水流沖刷，上下游河床基本平順。

圖2　磁河特大橋橋址上下游縱斷面河床地形

從現(xiàn)狀看，4#墩附近河床雖然高于上下游河床，但考慮2016年汛期水流沖刷結(jié)果，如果主流偏向4#墩附近，則現(xiàn)有河床將極有可能沖刷下切，直至上下游河床形成自然的河道比降。按此推算，即使不考慮上下游河床繼續(xù)沖刷下切，僅將4#墩上下游河床按照現(xiàn)有趨勢平順連接(見圖2中虛線)，則4#墩橋下河床最低高程將達到110.92 m，明顯低于采用現(xiàn)狀斷面計算的沖刷后最低河床高程，與采用建橋前斷面計算的結(jié)果較為接近，而采用現(xiàn)狀斷面計算的灘地局部沖刷深度偏小。

檢算流量下，采用竣工圖斷面計算的主槽最低床面高程為108.77 m，而采用現(xiàn)狀橋下斷面計算的主槽最低床面高程為105.93 m。根據(jù)磁河特大橋橋下地質(zhì)鉆孔資料，主槽在高程108.00 m左右為小圓礫土和中圓礫土，平均粒徑在3～8 mm左右。10#墩右側(cè)主槽河床在2016年汛期約100 m3/s流量的集中沖刷下，橋下河床最低高程曾下切至112.42 m，最大沖刷深度接近7 m。如果磁河發(fā)生中級洪水，洪水主流仍集中在6～11孔，則出現(xiàn)較大沖刷是可能的，至于是否會達到105.93 m，在現(xiàn)有條件下，尚難以給出準(zhǔn)確的判定。

2)沙質(zhì)河床沖刷分析

133號磁河特大橋橋址河段為沙質(zhì)河床，由于來水含沙量大，床沙抗沖能力低，河床易沖易淤，深槽易于擺動。特別是沙層厚度較大的情況下，河床泥沙不易粗化，一場洪水甚至是中小洪水就會產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷。根據(jù)王槐青的研究[5]，沙質(zhì)河床沖刷后最大水深hmax可按下式估算。

hmax=5.4v1.2

(3)

式中,v為沖刷部位的水流流速。

檢算流量下133號磁河特大橋的斷面天然平均流速為3.1 m/s，按式(3)可推算出磁河特大橋沖刷后最大水深為20.99 m，則沖刷后床面最低高程為119.69-20.99=98.70 m，較前述采用現(xiàn)狀斷面計算的局部沖刷后床面高程還要低。這充分表明，砂質(zhì)河床的沖刷是十分劇烈的。實際上，下部的密實卵石土層抗沖能力會強一些，最大沖刷深度未必能夠達到這么大，但可以肯定的是，河床上部的中粗砂層將全部被沖走，卵石土層也將有一定的沖刷。

綜上所述，磁河特大橋橋位河段受挖砂的影響，河床地形高低不平，河道不穩(wěn)定，且河床質(zhì)抗沖能力較弱。在中小洪水時，受挖砂坑地形的影響，水流不斷出現(xiàn)彎曲，容易產(chǎn)生劇烈的集中沖刷。現(xiàn)階段對集中沖刷尚無準(zhǔn)確可靠的計算方法。

需要說明的是，能否采用現(xiàn)狀橋址斷面計算沖刷深度目前尚無成熟的研究成果，也缺乏理論依據(jù)及實踐證明。本文為了說明計算斷面對檢算結(jié)果的影響，對這種因無序挖砂嚴(yán)重改變河床演變規(guī)律的河道，采用現(xiàn)狀斷面進行沖刷計算，結(jié)果僅供參考?？紤]沖刷計算公式制定的基礎(chǔ)和依據(jù)以及檢定規(guī)范的要求，現(xiàn)階段仍應(yīng)以建橋前斷面計算的結(jié)果為準(zhǔn),但應(yīng)結(jié)合橋址河段地形及地質(zhì)情況進行分析論證，對可能出現(xiàn)的不利情況進行說明，供橋梁防洪搶險及加固處理時參考。

5　結(jié)語

計算斷面的選取直接影響水文檢算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，更是關(guān)系到橋梁的安全，應(yīng)引起重視。本文以朔黃鐵路133號磁河特大橋為例，在采用不同計算斷面進行水文檢算的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)狀橋址河段河床地形，分析了磁河特大橋可能的沖刷深度，并與計算結(jié)果進行對比，分析了受無序挖砂影響的橋梁計算斷面對水文檢算結(jié)果的影響。

汛期行車安全是鐵路跨河橋梁面臨的重要問題，評估橋梁設(shè)備狀態(tài)和抗洪能力，制定防護搶險預(yù)案更是橋梁管理部門的重要工作。原鐵道部1978年制定了《鐵路橋梁檢定規(guī)范》，要求按照規(guī)范的技術(shù)規(guī)定檢定既有鐵路橋梁的抗洪能力。2004年對規(guī)范進行了修訂，是目前鐵路行業(yè)橋梁水文檢算和抗洪能力評估的依據(jù)。但限于篇幅和當(dāng)時的技術(shù)水平，該規(guī)范尚不能涵蓋水文檢算和抗洪能力評估涉及的全部內(nèi)容，同時也存在一些不完全適應(yīng)既有橋梁水文現(xiàn)狀的問題，建議開展相關(guān)研究，建立一套適用于既有橋的水文檢算的計算方法。

[1]陳勇.沈哈客運專線橋涵水文計算分析[J].鐵道建筑，2007,47(2):7-9.

[2]劉宗峰.藏西南地區(qū)拉日鐵路沿線水文計算分析[J].鐵道建筑，2014,54(4):51-53.

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB 10017—99鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，1999.

[5]王槐青.橋渡水害成因分析與防控措施[M].北京：中國鐵道出版社，2010.