楊維一，王冬立，孟軍濤

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京　100081;2.北京鐵科工程檢測(cè)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(lèi)水害都會(huì)對(duì)鐵路正常運(yùn)輸構(gòu)成威脅，特別是橋梁水害，常常是突發(fā)性的、對(duì)運(yùn)輸安全危害較大，危及列車(chē)及乘客人身安全，且搶險(xiǎn)和修復(fù)都比較困難。雖然水害后的總結(jié)分析對(duì)提高防洪管理水平、減少同類(lèi)問(wèn)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(jìn)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(lái)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(píng)估其抗洪能力[1-2]，提出科學(xué)合理的防洪對(duì)策，從而避免水害的發(fā)生，保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩珪惩ā?/p>

在對(duì)既有橋梁水文檢算時(shí)，需對(duì)檢定流量、檢定水位、壅水高度、沖刷深度等進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式中依據(jù)的是橋梁設(shè)計(jì)或竣工時(shí)的河床斷面，通常既有橋運(yùn)營(yíng)年代較長(zhǎng)時(shí)，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(jìn)行計(jì)算，是一項(xiàng)有待研究的課題。特別是存在無(wú)序挖砂的河道，完全改變了原有的河床演變規(guī)律。此時(shí)，不同的計(jì)算斷面會(huì)對(duì)水文檢算結(jié)果帶來(lái)較大的差異，進(jìn)而影響對(duì)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(wèn)題的基礎(chǔ)上，以朔黃鐵路133號(hào)磁河特大橋?yàn)槔治霾煌挠?jì)算斷面對(duì)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(píng)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(guò)洪能力，判斷橋梁基礎(chǔ)埋深、孔徑及橋下凈空是否滿(mǎn)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(duì)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(kāi)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(jìn)行甄別分析，確保所用資料的詳實(shí)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(jì)洪水頻率和設(shè)計(jì)流量、水位、流速、一般沖刷高程及局部沖刷高程；設(shè)計(jì)時(shí)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(cè)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(kù)及其運(yùn)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(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，包括河床質(zhì)取樣并試驗(yàn)，橋址斷面、形態(tài)斷面以及河道縱斷面地形測(cè)量等。

1.2　計(jì)算分析

對(duì)既有橋梁進(jìn)行檢算是在橋梁建成一定年代后進(jìn)行的，由于時(shí)間的推移，水文資料系列的增長(zhǎng)，流域環(huán)境的變化以及上下游相關(guān)工程的影響，橋梁運(yùn)營(yíng)所面臨的水力條件會(huì)發(fā)生一定的變化。因此，橋梁水文檢算需要進(jìn)行深入的調(diào)查研究和充分的計(jì)算分析，才能合理判定橋梁的實(shí)際狀態(tài)。主要計(jì)算分析工作包括確定檢定流量和檢定水位；計(jì)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(mǎn)足過(guò)洪要求；計(jì)算橋下沖刷深度，分析基礎(chǔ)埋深是否滿(mǎn)足要求等。

1.3　提出防洪對(duì)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(wèn)題，排查存在的隱患，根據(jù)問(wèn)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(jì)算斷面

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

2.1　壅水計(jì)算

壅水計(jì)算根據(jù)橋梁與水流流向交角的不同分為正交橋壅水計(jì)算和斜交橋壅水計(jì)算。正交橋壅水計(jì)算采用鐵運(yùn)函[2004]120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《橋檢規(guī)》)[3]中的公式(9.4.1)。斜交橋壅水計(jì)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(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中的公式(3.5.1)。壅水計(jì)算中包含2個(gè)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(jì)算斷面比較明確，即采用橋址斷面扣除路堤、墩臺(tái)阻水面積后的橋下凈過(guò)水面積，而天然斷面平均流速計(jì)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(jì)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(jì)算

3　存在的問(wèn)題

在進(jìn)行檢定水位、壅水高度以及沖刷深度計(jì)算時(shí)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(jì)算公式大多是針對(duì)橋梁設(shè)計(jì)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(lái)的變化趨勢(shì)。計(jì)算公式是為橋梁設(shè)計(jì)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(jì)制定的計(jì)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(jì)算結(jié)果的可靠性和合理性。特別是對(duì)位于特殊河段的橋梁，影響會(huì)更加明顯。

1)位于挖砂河道的橋梁

天然河道在長(zhǎng)期演變過(guò)程中，通過(guò)挾沙水流與河床的相互作用，形成了相對(duì)穩(wěn)定的河床形態(tài)。而大規(guī)模無(wú)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(shì)的局部變化和岸線的崩退，對(duì)局部河段的穩(wěn)定帶來(lái)了不利影響。由于河道過(guò)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(guò)度挖砂會(huì)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(jìn)行水文檢算，得出的結(jié)果可能與現(xiàn)狀河道變化趨勢(shì)不一致，影響對(duì)橋梁抗洪能力評(píng)估的準(zhǔn)確性。

2)位于水庫(kù)影響范圍的橋梁

位于水庫(kù)上游回水范圍內(nèi)的橋梁，橋下斷面將因水庫(kù)淤積而逐步升高，河床斷面和比降均在不斷變化，原本過(guò)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(gè)時(shí)期內(nèi)，可能因水庫(kù)泄洪而產(chǎn)生較大的沖刷，危及橋梁安全。位于水庫(kù)下游沖刷影響范圍內(nèi)的橋梁，因水庫(kù)改變了下游河道的來(lái)水、來(lái)沙條件，使河道的沖淤規(guī)律發(fā)生了變化。特別是水庫(kù)下泄清水時(shí)，會(huì)使水庫(kù)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(duì)位于水庫(kù)以下范圍內(nèi)的橋梁進(jìn)行水文檢算，必須考慮水庫(kù)帶來(lái)的變化和發(fā)展趨勢(shì)，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的判斷。

4　算例

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

4.1　工程概況

朔黃鐵路133號(hào)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(zhǎng)696 m。原橋采用樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)15～18 m。橋墩為圓端型，墩寬1.2 m。2016年汛期，受上游水庫(kù)泄洪影響，橋下河床產(chǎn)生較大沖刷，汛后對(duì)該橋6#～11#墩基礎(chǔ)進(jìn)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(tái)，承臺(tái)寬度由4.0 m擴(kuò)大為9.6 m。

磁河全長(zhǎng)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(hào)磁河特大橋位于磁河山區(qū)段與平原段過(guò)渡地區(qū)，河床斷面寬淺。建橋前河床較為平坦，兩岸無(wú)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(dá)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(guò)了禁采范圍。2016年汛期，上游橫山嶺水庫(kù)泄洪，流量?jī)H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(jiàn)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(hào)磁河特大橋河床橫斷面

4.2　計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果

為了分析計(jì)算斷面對(duì)沖刷計(jì)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(jì)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(wú)明顯主槽，主流可能在全斷面范圍內(nèi)通過(guò)，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(jì)算時(shí)灘槽直接按照斷面地形進(jìn)行劃分。

根據(jù)計(jì)算分析，133號(hào)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(jì)算時(shí)主槽河床土平均粒徑采用3.81，7.38和13.65 mm分層計(jì)算，灘地河床土平均粒徑采用0.59和3.81 mm分層計(jì)算。含沙量系數(shù)E取0.66。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　檢算流量下磁河特大橋沖刷計(jì)算結(jié)果

對(duì)比表1中數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)狀橋下斷面進(jìn)行一般沖刷計(jì)算，主槽一般沖刷后水深明顯大于采用建橋前斷面計(jì)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(jì)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(jì)算的主槽局部沖刷后床面最低高程較采用建橋前斷面計(jì)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(guò)流量占比較大，灘地過(guò)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(jì)值的對(duì)比。可以看出，采用竣工圖斷面計(jì)算的局部沖刷線高于設(shè)計(jì)局部沖刷線，基礎(chǔ)埋深滿(mǎn)足要求。而采用現(xiàn)狀斷面計(jì)算的局部沖刷線低于設(shè)計(jì)局部沖刷線，基礎(chǔ)埋深不滿(mǎn)足要求。表明采用不同的計(jì)算斷面對(duì)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(wú)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(jìn)行沖刷計(jì)算，其結(jié)果可能不符合現(xiàn)有河勢(shì)下的河道演變規(guī)律。如果采用現(xiàn)狀橋下河床斷面計(jì)算沖刷，計(jì)算公式本身又不適應(yīng)。現(xiàn)階段難以判定哪個(gè)計(jì)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(jìn)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(cè)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(shì)平順連接(見(jiàn)圖2中虛線)，則4#墩橋下河床最低高程將達(dá)到110.92 m，明顯低于采用現(xiàn)狀斷面計(jì)算的沖刷后最低河床高程，與采用建橋前斷面計(jì)算的結(jié)果較為接近，而采用現(xiàn)狀斷面計(jì)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(jì)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(jì)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(jí)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(huì)達(dá)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(hào)磁河特大橋橋址河段為沙質(zhì)河床，由于來(lái)水含沙量大，床沙抗沖能力低，河床易沖易淤，深槽易于擺動(dòng)。特別是沙層厚度較大的情況下，河床泥沙不易粗化，一場(chǎng)洪水甚至是中小洪水就會(huì)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(hào)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(jì)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(shí)際上，下部的密實(shí)卵石土層抗沖能力會(huì)強(qiáng)一些，最大沖刷深度未必能夠達(dá)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(shí)，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?，F(xiàn)階段對(duì)集中沖刷尚無(wú)準(zhǔn)確可靠的計(jì)算方法。

需要說(shuō)明的是，能否采用現(xiàn)狀橋址斷面計(jì)算沖刷深度目前尚無(wú)成熟的研究成果，也缺乏理論依據(jù)及實(shí)踐證明。本文為了說(shuō)明計(jì)算斷面對(duì)檢算結(jié)果的影響，對(duì)這種因無(wú)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(jìn)行沖刷計(jì)算，結(jié)果僅供參考?？紤]沖刷計(jì)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(jì)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(jìn)行分析論證，對(duì)可能出現(xiàn)的不利情況進(jìn)行說(shuō)明，供橋梁防洪搶險(xiǎn)及加固處理時(shí)參考。

5　結(jié)語(yǔ)

計(jì)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(hào)磁河特大橋?yàn)槔?，在采用不同?jì)算斷面進(jìn)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了受無(wú)序挖砂影響的橋梁計(jì)算斷面對(duì)水文檢算結(jié)果的影響。

汛期行車(chē)安全是鐵路跨河橋梁面臨的重要問(wèn)題，評(píng)估橋梁設(shè)備狀態(tài)和抗洪能力，制定防護(hù)搶險(xiǎn)預(yù)案更是橋梁管理部門(mén)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(duì)規(guī)范進(jìn)行了修訂，是目前鐵路行業(yè)橋梁水文檢算和抗洪能力評(píng)估的依據(jù)。但限于篇幅和當(dāng)時(shí)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(píng)估涉及的全部?jī)?nèi)容，同時(shí)也存在一些不完全適應(yīng)既有橋梁水文現(xiàn)狀的問(wèn)題，建議開(kāi)展相關(guān)研究，建立一套適用于既有橋的水文檢算的計(jì)算方法。

[1]陳勇.沈哈客運(yùn)專(zhuān)線橋涵水文計(jì)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(jì)算分析[J].鐵道建筑，2014,54(4):51-53.

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

[4]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10017—99鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)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(guó)鐵道出版社，2010.