天陇铁路沟坝河大桥防洪影响评价

赵春霞,董玉云,丁庆洋

(兰州交通大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730070)

1 工程概况

工程建设地点位于甘肃省武都区两水镇杜家沟村沟坝河上,右岸为杜家沟村台地及山体,左岸为礼武公路路基.评价范围:纵向为铁路大桥上下游各 1 000 m,上至杜家沟小学附近,下至罗家坝村附近;横向左岸以礼武公路背水侧路基地脚线外围 10 m 为起点,右岸以山脚线为终点(见图1).

图1 沟坝河大桥防洪评价范围

天陇铁路杜家沟村沟坝河大桥与沟坝河斜交,桥梁中轴线的法线与水流方向的夹角为 450度,桥梁孔跨布置为 2孔24 m+2孔32 m+(40+64+40) m 连续梁+1 孔 32 m+3 孔 24 m 预应力溉凝土粱,桥高15 m,桥梁中心里程为:DK225+846.5.桥梁起讫桩号为 DK225+657.29～DK226+035.8,桥梁全长 378.51 m,涉河桥墩为 6#、7#、8#、9#、10#墩(见图2).

图2 桥梁平面布置

2 流域水系

沟坝河为白龙江左岸一级支流,河流发源地主峰高程 2 674 m,河口高程 1 026 m,桥址断面以上流域集水面积234 km2,主河道长 38.5 km,主河道平均坡降 59.8%.流域上游是石山林区,植被较好,下游多为山坡耕地,黄土覆盖,植被较差.沟坝河流域呈椭圆形,山体破碎,松散物质多,遇大雨或暴雨极易形成山洪和泥石流.根据《甘肃省地表水资源》径流深等值线图查算求得,沟坝河径流深 200 mm,计算得桥址断面多年平均流量1.50 m3/s,多年平均年径流总量 0.331亿 m3.根据《甘肃省地表水资源》侵蚀模数等值线图查得,沟坝河流域侵蚀模数为 2 200 t/km2·a,桥址断面多年平均悬移质输沙量 51.48万t,多年平均推移质输沙量按悬移质输沙率比例法估算(比例系数取0.30),推移质输沙量为 15.45 万 t,则桥址断面的总输沙量 66.93万 t.

3 水文计算

3.1 推理公式法计算设计洪峰流量

全断面汇流公式

(1)

部分汇流公式

(2)

式中:Qmp为频率为p的洪峰流量;L为流域干流长度;F为流域集水面积;J为干流坡降;n为暴雨递减指数Sp为t=1 h的平均雨强,俗称雨力;μ为损失强度;m为汇流参数;tc为产流历时;τ为流域汇流时间.

天陇铁路沟坝河桥址断面设计洪水洪峰流量及泥石流量如表1～2所示.本次计算所得 100 年一遇泥石流洪峰流量为 944 m3/s,与沟坝河调查历史洪水比较,其值介于最大洪峰流量(1 310 m3/s,约 123 年一遇)和次大洪峰流量(854 m3/s,约 85 年一遇)之间,基本符合历史调查洪水发生的稀遇程度和数值范围.

表1 桥址断面不同频率设计洪水的洪峰流量

注:集水面积234 km2

表2 沟坝河桥址断面设计洪水的泥石流洪峰流量

注:集水面积234 km2

3.2 设计洪水水位

天然河道水流的水位-流量关系曲线用曼宁公式进行计算,即

(3)

式中:Q为桥址断面的流量;A为桥址断面相应流量的断面面积;R为水道断面的水力半径;n为河道糙率;j为为桥址断面所在河段的比降,采用评价河段的实测水面比降,则测时水面比降为 24.9%.

桥址断面不同频率设计流量对应的水位如表3所示.从表3中可以看出,100 年一遇设计洪水的洪峰流量对应的洪水水位为 1 090.85 m.

表3 桥址断面不同频率设计流量对应的水位

3.3 壅水计算

3.3.1 壅水高度计算

壅水高度采用公路规范《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)推荐公式

(4)

Ky为修正系数,取 1.0;d50为河床中值粒径);v为河槽平均流速.

由计算可知,100年一遇设计洪水的壅水高度为 0.68 m.

3.3.2 桥前壅水长度计算

桥前壅水曲线长度计算公式为

(5)

式中:L为桥前最大壅水长度;ΔZM为桥前最大壅水高度;L0为桥址河段天然水面比降.

由计算可知,桥址断面 100 年、一遇设计洪水的壅水长度为55.0 m.

3.3.3 波浪高度计算

根据武都区气象资料风向和桥址断面的实际情况,确定河道的浪程 为 120 m;武都区气象站汛期(7～8 月)实测最大风速为 24.0 m/s.桥址断面 100 年一遇设计洪水的波浪高度为 0.28 m.

3.3.4 桥梁下弦最低点高度复核

Hmin=Hp+∑Δh+Δhj,

(6)

式中:Hmin为桥梁下弦最低高程;Hp为设计洪水的水位;∑Δh为各种水面升高值的总和(壅水高度+风浪高度);Δhj为桥下净空安全值.

根据《铁路工程水文勘测设计规范》(TB10017—2015)规定,泥石流河段安全净空值取 1.5 m.满足 100 年一遇洪水防洪要求的桥梁下弦最低点高程为

1 090.85 +(0.68 + 0.28)+ 1.5= 1 093.31 m

设计桥梁下弦最低点高程为 1 098.85 m,桥梁下弦最低点高程高于本次计算的满足 100 年一遇设计洪水洪水防洪要求的桥梁下弦最低点高程为 5.54 m,桥梁设计下弦最低点高程满足防洪要求.

4 冲刷分析计算

4.1 一般冲刷

(7)

式中:hp为桥下河槽一般冲刷后最大水深;hcm为桥下河槽部分最大水深;hcq为桥下河槽部分平均水深;Bcj为桥下河槽部分桥孔过水净宽;Q2为桥下河槽部分通过的设计流量;Ad为单宽流量集中系数;μ为与汛期含沙量有关的系数;d为河槽泥沙平均粒径.

由计算可得:一般冲刷后最大水深为 5.38 m,绝对冲深为 2.88 m.

4.2 局部冲刷

(8)

由计算可知,100 年一遇洪水时桥墩局部冲刷深度分别为 4.95 m.

4.3 最低冲刷线高程的确定

由于桥址所在河段河道的主流河槽及两岸较为稳定,断面冲淤变化不大,河势相对稳定,因此不考虑自然演变冲刷深度.总冲刷深度hs采用河槽一般冲刷hp与局部冲刷的hb的最不利组合,即

hs=hp+hb,

(9)

Hmin=Hp-(hp+hb),

(10)

式中:Hmin为桥位断面最低冲刷线高程;Hp为桥位断面的洪水位;hp为般冲刷后最大水深(自设计洪水位算起);hb为局部冲刷深度(自一般冲刷后的河床高程算起).

1 090.10 -(5.38 + 4.95)= 1 080.04 m.

由计算可知,桥墩 100 年、一遇洪水时最大冲刷线高程分别 1 079.57 m.

5 综合评价

5.1 与现有水利规划的关系及影响分析

天陇铁路沟坝河大桥位于陇南市武都区两水镇,桥梁所在河段为泥石流易发河流,工程易受洪水泥石流侵袭.沟坝河下游河段已实施了中小河流治理工程,主要对该河流汇入白龙江段 1.58 km 河段进行了防洪护岸工程规化治理.礼武公路沿河道左岸布设,主要是修建路基护岸工程,以保护公路不被洪水冲毁.除此以外,再无其他水利规划.

桥梁工程所在河段的左岸已建成礼武公路的路基护岸工程,右岸为自然河岸.因此,桥梁工程建设不会影响其他水利规划的实施.

5.2 对河道行洪的影响分析

天陇铁路沟坝河大桥设计桥梁下弦最低点高程为1 098.85 m,满足行洪要求的桥梁下弦最低点高程为 1 093.31 m,桥梁安全净空高度富裕量为

5.54 m,桥梁高度满足行洪要求当发生 100 年、10 年一遇洪水时,桥墩阻水面积分别为 24.1 m2、10.21 m2,阻水面积占过水断面面积(过水断面面积 195 m2)的百分比分别为 12.4%、9.4%.桥墩壅水高度分别为 0.68 m、0.44 m,最大壅水曲线回水长度 55.0 m.由此看出,河道内布置桥墩较大,壅水高度较高,对河道泄洪有较大影响.

5.3 对河势稳定性的影响分析

桥位河段左岸护岸工程已经建成,限制了河道的横向摆动.右岸为自然岸坎,遇洪水易冲刷.5 个涉河桥墩较大,桥墩轴向与水流方向形成 450夹角,对水流有扰动和导流作用,直接加剧左右岸岸坎冲刷,影响河势稳定.因此,本桥梁建设对该河段的河势稳定影响较大.对堤防工程、河道整治工程及其他水利工程的影响分析河段左岸为礼武公路路基,已修建护岸工程,右岸为天然岸坎,没有堤防建设规划,也没有其他水利工程建设规划.由于桥梁建设有明显的导流作用,对左岸礼武公路的路基有明显的冲刷破坏作用.因此,桥梁建设对堤防工程、河道整治工程及其他水利工程有较大影响.

5.4 对防汛抢险的影响分析

天陇铁路沟坝河大桥在左岸上跨礼武公路,路面高程1 093.80 m,对应的桥梁下弦高程1 098.85 m,净空高度大于5.05 m;桥梁在河道左岸上跨公路,桥下净空高度大于 4.5m 满足交通要求.桥梁建设对当地的交通体系没有破坏作用.因此,对防汛抢险没有影响.桥梁建设期需要跨汛期施工,但只要合理布置施工场地,临时建筑物布置在满足防洪要求的洪水位以上的区域,对防汛抢险基本没有影响.防治与补救措施桥梁 设计 方案 对河道行洪影响 的 防治与补救措施由于河道内布置的 5 个桥墩显得较多,墩体庞大且墩轴线与水流方向成 450 夹角,当发生100 年一遇洪水时,桥墩阻水面积为24.1 m2,阻水面积占过水断面面积(过水断面面积 195 m2)的 12.4%,桥墩壅水高度 0.68 m.由于桥墩壅水高度较高且墩体有挑流作用,对河道安全泄洪有一定影响.因此,建议设计单位将桥址断面上下游左岸右岸各 230 m 范围下游以 10 号墩挑流方向外延至左岸位置并下延到河道内过水路面处与之衔接,上游按照壅水回水长度的 1.5倍即 82.5 m 考虑护岸长度,由此得出上下游护岸工程长约 230 m.在保护范围内,对已建护岸工程加固基础、增加抗冲能力,对没有修建堤防的右岸修建护岸工程,降低洪水对右岸的冲刷影响.规划河段的河宽取稳定河宽的 1.5 倍,即 1.5×46.3 m=69.9 m,实际工作治理河宽可取 70.0 m 为宜.

6 防治与补救措施

6.1 对河势稳定影响的防治与补救措施

桥位河段左岸护岸工程已经建成,限制了河道的横向摆动.右岸为自然岸坎,桥位断面 5 个涉河桥墩较大,对水流有扰动和导流作用,直接加剧护岸及岸坎冲刷,影响河势稳定.因此,建议桥梁建成后需要对左岸进行培厚加高保护,对右岸修建护岸工程保护河势稳定,经过护岸工程强化治理后,可将洪水泥沙控制在河道内运移,维持河势相对稳定.

6.2 对行洪安全影响的防治与补救措施

桥梁施工期间,施工单位需做好施工组织,严格执行施工防汛预案要求,占用河道应征得河道管理部门的同意,与河道管理部门协商沟通,在河道管理部门的指导下进行涉河工程的实施;桩基施工建议采用钢套筒围堰,以减小对河道的占用;强与当地河道主管部门的沟通与合作,接受各级防汛部门的监督检查.项目实施过程中应加强施工管理,规划施工弃渣处置区域,明确弃渣存放位置,避免和减少施工弃渣对环境及河道行洪、水质等的影响;对可能造成的影响进行预测和评估,并拟定减小影响需采取的措施.