申文軍

(中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，北京 100866)

北京鐵路局轄內(nèi)既有鐵路總長(zhǎng)12 609.2 km，山區(qū)鐵路占46.0%，部分線路建設(shè)年代久遠(yuǎn)，所在區(qū)域地形復(fù)雜，導(dǎo)致其防洪能力偏低，雨季極易發(fā)生泥石流、山體滑坡、路基侵蝕沖毀等水因?yàn)?zāi)害[1-2]。

針對(duì)山區(qū)鐵路橋涵、路基病害，相關(guān)研究已廣泛開(kāi)展，并取得了一系列成果。劉保東等總結(jié)山區(qū)鐵路橋涵水害的主要類(lèi)型與特征，并給出相應(yīng)防治對(duì)策[3]；趙長(zhǎng)江從宏觀上分析鐵路水害頻繁發(fā)生的主要原因，并提出確保汛期鐵路行車(chē)安全的相應(yīng)對(duì)策[4]。以往研究多從宏觀上對(duì)泥石流、崩塌落石、路基下沉以及水漫路基進(jìn)行了原因分析與對(duì)策研究[5-8]，但針對(duì)華北山區(qū)涵洞水害的專(zhuān)門(mén)性研究相對(duì)匱乏。以下依托石家莊-太原重載鐵路(位于河北井陘縣山區(qū)段)某涵洞，對(duì)其在雨季發(fā)生的水因病害進(jìn)行誘因分析，并提出針對(duì)性防治措施。

1 水害概況

石家莊至太原鐵路系晉煤外運(yùn)的主要通道，為三級(jí)線路一級(jí)運(yùn)量的重載線，是新中國(guó)第一條雙線電氣化鐵路，其建設(shè)年代早，設(shè)備等級(jí)低，抗洪能力弱。2016年7月19日至21日井陘縣境內(nèi)普降暴雨，局部降特大暴雨，井南站雨量值達(dá)604 mm。2016年7月21日3時(shí)51分，石太鐵路上下行線K57+400～K57+700里程處突發(fā)特大洪水，洪水?dāng)y帶大量泥沙、石塊、樹(shù)枝等雜物淤積堵塞涵洞(1-5.0 m拱涵，凈高3.6 m，位于石太鐵路下行K57+632里程處)，造成該區(qū)間線路下沉60 mm，其中150 m線路被沖刷，導(dǎo)致其橫移1.5 m，道床沖空長(zhǎng)約40 m，約500 m3雜物掩埋線路，如圖1、圖2所示。

圖1 水害現(xiàn)場(chǎng)情況

圖2 水害位置航拍示意

2 地質(zhì)條件

2.1 氣象水文條件

井陘縣境內(nèi)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候，降水主要源于東南季風(fēng)，每年隨季風(fēng)到來(lái)的遲早與強(qiáng)弱，呈現(xiàn)年際和季節(jié)降水量變化。境內(nèi)氣溫年際變化不大。根據(jù)氣象資料，1985～2004年，年平均氣溫為13.1 ℃，年均氣溫最高值出現(xiàn)在1998年，達(dá)14.1 ℃，年均氣溫最低值出現(xiàn)在1985年，為12.1 ℃，汛期平均降水量為285 mm。

2.2 地形地貌

井陘縣地處太行山東麓、河北省西陲。其北鄰平山縣，東部和東南部與獲鹿、元氏、贊皇三縣毗連，西部和西南部與山西省盂縣、平定、昔陽(yáng)三縣接壤。

2.3 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

井陘地區(qū)位于河北省太行山中段，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造受新華夏系第三隆起帶的控制。受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，形成了盆地形態(tài)的基本輪廓，區(qū)內(nèi)斷裂以北北東向?yàn)橹鳎糠譃槟媳毕?，盆地周邊多為古生代地層組成的丘陵低山，盆地內(nèi)部及坡麓地帶廣泛發(fā)育第四系地層。該地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)顯著，以升降運(yùn)動(dòng)為主，并伴隨斷裂及火山活動(dòng)，斷裂活動(dòng)具繼承性，雪花山玄武巖的噴發(fā)與此有關(guān)。

工程所在地的河床以卵石土或碎石土為主，局部出露基巖，路基填料為片石類(lèi)土，場(chǎng)地工程地質(zhì)條件較好，有利于路基支擋結(jié)構(gòu)、路塹邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)以及框架橋結(jié)構(gòu)等構(gòu)筑物的布置。

3 水害成因分析

3.1 暴雨強(qiáng)度大

根據(jù)石家莊工務(wù)段蔡公莊雨量觀測(cè)站2016年7月18日～21日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該區(qū)域10 min最大降雨量為16.5 mm，1 h最大降雨量為56.7 mm，24 h最大降雨量為301.2 mm，連續(xù)雨量為604.5 mm；致災(zāi)雨量為587.6 mm。此次降雨時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度大，屬于百年一遇。

3.2 涵洞上游自然生態(tài)發(fā)生改變

在該既有涵洞上游溝谷，由于人為原因?qū)е伦匀簧鷳B(tài)發(fā)生改變：村民開(kāi)辟梯田，人為將大量碎石塊轉(zhuǎn)移至河道內(nèi)，造成原本暢通的河道堵塞，從而加速河水對(duì)河道的沖刷。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，涵洞上游自然生態(tài)改變?cè)斐稍拥辣粵_刷(約1.5 m深)，大量原本沉積在河道內(nèi)的碎石被河水沖入下游，如圖3所示。

圖3 河流上游圖片

3.3 涵洞高程低

基于現(xiàn)場(chǎng)水災(zāi)實(shí)際調(diào)查，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)水害發(fā)生時(shí)，主河道內(nèi)河水水位已經(jīng)高于既有涵洞頂部，河床整體抬高，造成涵洞拱底基本與河床平齊，從而發(fā)生河水倒灌現(xiàn)象，進(jìn)一步降低了溝谷內(nèi)上游洪水的流速，導(dǎo)致大量碎石在涵洞前方沉積，甚至堵塞涵洞，進(jìn)一步加重水害程度[9-12]，如圖4所示。

圖4 既有涵洞圖片

3.4 涵洞入口地形影響

受現(xiàn)場(chǎng)地形的影響，在該既有涵洞前，洪水的流向發(fā)生較大角度轉(zhuǎn)向，從而形成一個(gè)漩渦，造成大量碎石沉積淤積，導(dǎo)致涵洞發(fā)生堵塞，并進(jìn)一步引起河水上漲甚至漫沒(méi)路基的現(xiàn)象(如圖5所示)。

圖5 既有涵洞入口處河水轉(zhuǎn)向

3.5 其他水流匯入

涵洞上游河道局部與綿佑渠并行，受此次強(qiáng)降雨影響，綿佑渠發(fā)生潰壩，導(dǎo)致大量地表水匯入該河道，造成河道內(nèi)水量與流速激增，從而加劇了下游涵洞水害。

4 水害防治措施

鐵路涵洞水害是眾多因素綜合作用導(dǎo)致，針對(duì)該涵洞水害成因提出綜合防治措施，主要包含河流生態(tài)改善與橋涵復(fù)舊設(shè)計(jì)兩方面。

4.1 河流生態(tài)改善

河流生態(tài)惡化是誘發(fā)鐵路涵洞水災(zāi)的主要原因，綜合河道調(diào)查情況，采取以下措施來(lái)消除。①疏浚河道，清理河道中堆積碎石塊，整平被沖刷河道，穩(wěn)定水流方向，并配合水務(wù)部門(mén)定期巡查，避免沙石逐年淤積問(wèn)題。②改善涵洞入口處河流走向，通過(guò)開(kāi)挖轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)石塊，將河水以小角度引流至涵洞口。③對(duì)易發(fā)生沖刷的河床進(jìn)行防護(hù)。④調(diào)查涵址上游水庫(kù)、塘壩情況，加固上游鄰近河流堤壩，同時(shí)盡可能設(shè)置導(dǎo)流堤將其他河流引流至距離本涵洞較遠(yuǎn)位置。⑤加強(qiáng)水文觀測(cè)，密切關(guān)注氣象部門(mén)發(fā)布的汛情預(yù)報(bào)，及時(shí)檢查重點(diǎn)防汛節(jié)點(diǎn)的洪水位。

4.2 橋涵復(fù)舊設(shè)計(jì)

基于對(duì)此次涵洞水害成因的分析，結(jié)合線路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出該水害工點(diǎn)的復(fù)舊方案。應(yīng)遵循“分析成因、找準(zhǔn)根源；原狀復(fù)舊、適當(dāng)提升；整治徹底，不留后患；兼顧水害上下游、前后端；完善排水系統(tǒng)、提升抗洪能力”的原則，堅(jiān)持以疏為主、疏擋結(jié)合、因害設(shè)防、突出重點(diǎn)和因地制宜的綜合治理措施[13-16]。

涵洞無(wú)法滿足暴雨或洪水時(shí)水流順利通過(guò)是發(fā)生水害的根本原因，復(fù)舊方案中，應(yīng)首要考慮抗洪能力不足的問(wèn)題(包含原涵洞孔徑不足、高程較低等)。復(fù)舊框架橋施工前，應(yīng)首先對(duì)本次水災(zāi)造成的淤積碎石進(jìn)行清理，恢復(fù)原河道高程，并對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

為解決既有涵洞排水能力不足問(wèn)題，提出補(bǔ)充設(shè)置過(guò)水能力更強(qiáng)的框架橋方案，即在拱涵大里程方向鄰近該涵洞采用頂進(jìn)法修建一座框架橋，此外，抬高復(fù)舊方案中框架橋高程(使其高于原涵洞高程4 m)。新建框架橋設(shè)計(jì)流量為250 m3/s，大于原涵洞的設(shè)計(jì)流量。

(1)水文計(jì)算分析

根據(jù)該框架涵工程特點(diǎn)判定該橋梁水文計(jì)算宜采用小流域流量計(jì)算法，本次小流域流量計(jì)算選用“三院法”計(jì)算公式，針對(duì)山丘區(qū)，當(dāng)a=S1%/tn時(shí)，有

(1)

式中，Q1%為百年一遇設(shè)計(jì)流量/(m3/s)；S1%為設(shè)計(jì)洪水頻率為百年一遇的雨力/(mm/mim)；F為匯水面積/km2；η為暴雨點(diǎn)面折減系數(shù)；L4為流域長(zhǎng)度/km；I4為流域坡度；n為暴雨衰減指數(shù)。

式(1)中，C2可按照式(2)計(jì)算，有

(2)

式(2)中，β0、r0、m0與A4均可從《橋渡手冊(cè)》查取。

g0可按照式(3)進(jìn)行計(jì)算

g0=1+m0·P0

(3)

式(3)中，P0可按照式(4)進(jìn)行計(jì)算

(4)

式(4)中，N0可從《橋渡手冊(cè)》查取。

計(jì)算中，所采用的鐵路設(shè)計(jì)活載為中-活載，即JQS標(biāo)準(zhǔn)荷載，本框架橋的設(shè)計(jì)流量為250 m3/s。

計(jì)算中所需要各原始參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原始計(jì)算參數(shù)匯總

經(jīng)計(jì)算得到的各中間參數(shù)與最終流量計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 中間參數(shù)與計(jì)算結(jié)果匯總

由上述計(jì)算可得，流域內(nèi)百年一遇水流強(qiáng)度為84.127 m3/s，遠(yuǎn)小于新建框架橋的設(shè)計(jì)流量250 m3/s，故新建框架橋可確保平時(shí)河流順利通過(guò)，以及在保證河流流域生態(tài)的前提下抵御較大洪水。

(2)工程地質(zhì)情況

根據(jù)橋址區(qū)鉆探揭露地層情況可知，擬建場(chǎng)地在20.0 m深度范圍內(nèi)，地基土層主要為人工填土與一般第四系土層。地下水位高程為267.37～267.48 m，因其埋藏較深，本次復(fù)舊方案可不考慮地下水對(duì)本工程的影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，附近未發(fā)現(xiàn)污染源，參照該地區(qū)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合附近土體的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)依據(jù)相關(guān)規(guī)范，可以判定混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境為碳化環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境、鹽類(lèi)結(jié)晶破壞環(huán)境形成的復(fù)合環(huán)境。施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的耐久性工程技術(shù)措施。

(3)框架橋設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)框架橋中心位于石太鐵路K57+649.3處，橋址處鐵路設(shè)置為2股道，鋪設(shè)無(wú)縫線路，軌道結(jié)構(gòu)采用60 kg/m鋼軌，鋼筋混凝土軌枕。該區(qū)間線路位于直線區(qū)段，線路坡度為7.5‰(上坡)，線間距為4.0 m，橋位處兩側(cè)路基邊坡高約9.0 m，路基兩側(cè)鋪設(shè)有鐵路光、電纜。

框架橋主體為整體框架結(jié)構(gòu)，凈跨距設(shè)置為10.0 m，框架橋主體長(zhǎng)12.0 m，框架橋中心線與鐵路線路中心線的交角為90°，框架橋頂板頂面距鋼軌底面0.80 m?？蚣軜蚪Y(jié)構(gòu)總高10.0 m，結(jié)構(gòu)凈高8.0 m，頂板厚1.0 m，底板厚1.0 m，邊墻厚1.0 m，頂板加腋尺寸為0.5 m×1.5 m，底板加腋尺寸為0.2 m×0.2 m。

框架橋主體前端刃角及懸臂長(zhǎng)4.5 m，主體后端尾墻長(zhǎng)3.0 m，尾墻側(cè)人行道懸臂板長(zhǎng)3.0 m?？蚣軜蝽斶M(jìn)到位后，將刃角、前后端底板補(bǔ)齊。

(4)施工方案

為保證線路正常運(yùn)營(yíng)，將施工影響降到最低，該框架橋采用頂進(jìn)法進(jìn)行施工，工作坑設(shè)置在線路北側(cè)，由北向南頂進(jìn)。工作坑采用1∶1放坡開(kāi)挖方式開(kāi)挖，工作坑后采用夯填土和漿砌片石進(jìn)行處理，并選用挖孔灌注樁結(jié)合后背梁的形式進(jìn)行加固，框架橋在滑板上預(yù)制，待混凝強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可頂進(jìn)施工。

5 結(jié)論

基于石太鐵路下行線K57+632里程位置處涵洞水害情況，在調(diào)查該地區(qū)氣象、水文、地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，按照“原狀復(fù)舊、適當(dāng)提升、完善排水系統(tǒng)、提升抗洪能力”的原則，經(jīng)過(guò)橋涵水文檢算，提出采用框架橋擴(kuò)孔改造的復(fù)舊方案，取得了較好的效果，主要結(jié)論如下。

(1)涵洞水害主要為拱涵堵塞淤積、雜物掩埋線路、以及道床沖空造成的線路沉降與橫移等。

(2)涵洞水害主要原因?yàn)楸┯隁v時(shí)長(zhǎng)、雨強(qiáng)大，上游自然生態(tài)發(fā)生變化，涵洞底部高程低，涵洞前水流轉(zhuǎn)向角度大，以及其他水源匯入造成河水量大增等。

(3)提出擴(kuò)孔頂進(jìn)框架橋復(fù)舊方案，可在保證線路安全運(yùn)營(yíng)前提下有效降低水害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。