西南山區(qū)鐵路橋涵水害分析與防治對策

楊國靜 游勵暉 鄭曉龍

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

西南山區(qū)鐵路橋涵水害分析與防治對策

楊國靜 游勵暉 鄭曉龍

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

山區(qū)鐵路橋涵每年都會發(fā)生大量的水害，嚴重影響了鐵路交通的正常運行。為了提高山區(qū)鐵路橋涵抗水害的能力，改善山區(qū)鐵路橋涵的病害情況，文章以四川地區(qū)既有鐵路橋涵為研究對象，系統(tǒng)總結(jié)了鐵路橋涵的主要水害類型和特征，分析了水害形成的原因，并從設(shè)計和養(yǎng)護管理兩方面提出了橋涵水害防治對策，可為西部山區(qū)鐵路橋涵病害的普查和整治提供參考和依據(jù)。研究結(jié)論：(1)既有鐵路橋涵的水害情況調(diào)研表明：橋梁水害主要表現(xiàn)為橋附?jīng)_毀和橋基沖刷，涵洞水害主要表現(xiàn)為淤積和堵塞，且水害主要發(fā)生在汛期六月～八月；因水害受損的鐵路橋梁基礎(chǔ)多采用明挖擴大基礎(chǔ)。(2)水害成因分析表明：水害的直接原因是發(fā)生暴雨或洪災(zāi)，但根本原因是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果。(3)防治對策建議：加強日常的養(yǎng)護管理，在汛期前對存在水害隱患的橋涵及時修復(fù)治理，對于受汛期影響比較大的橋涵，建議建立水害實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

山區(qū)鐵路； 橋涵； 水害； 對策

近幾年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略思想的實施，西南山區(qū)鐵路建設(shè)取得了很大的進步，先后有襄渝鐵路增建二線、遂渝鐵路增建二線、成灌鐵路和成綿樂鐵路等多條鐵路線路投入使用。從目前已營運的既有鐵路現(xiàn)狀來看，絕大部分橋梁技術(shù)是成熟的，保證了鐵路交通的安全、順利運營，但不可避免地出現(xiàn)一些設(shè)計、施工上的問題。受認識的局限性，設(shè)計和施工可能存在某些缺陷，使得橋梁結(jié)構(gòu)先天存在薄弱點，在后期的運營中又遭受大自然的侵蝕[1]。特別是山區(qū)鐵路，由于特殊的水文地質(zhì)條件容易形成暴雨中心，加上巖石裸露、入滲少、坡度陡、匯流時間短、洪水暴漲暴落等不利因素，山區(qū)洪水破壞力極強，對鐵路橋涵基礎(chǔ)設(shè)施的正常運行造成了很大的威脅。因此，對山區(qū)既有鐵路橋涵的水害現(xiàn)象進行調(diào)查總結(jié)，分析病害的形成原因，并對病害橋梁提出合乎實際的對策建議，對山區(qū)鐵路橋梁的安全和穩(wěn)定具有重要意義。

1 既有鐵路橋涵水害調(diào)查統(tǒng)計分析

1.1 橋涵水害主要類型

本文主要以四川省境內(nèi)的既有鐵路橋涵為調(diào)研對象，展開了全面調(diào)查，重點研究了各種常用跨徑橋梁的典型水害病害。目前在成都鐵路局管轄范圍內(nèi)的鐵路線路有寶成、成昆、成渝、襄渝、川黔、黔桂、內(nèi)昆等10條干線，共有橋梁約 2 945座，長254.9 km。通過現(xiàn)場走訪調(diào)研，收集、整理分析了成都鐵路局管轄范圍內(nèi)鐵路從2011年到2013年之間的各種水害情況，并就橋梁水害類型進行了分類統(tǒng)計。表1給出了2011年～2013年近3年的橋涵水害類型的不完全統(tǒng)計結(jié)果。

表1 2011年～2013年橋涵水害類型調(diào)查統(tǒng)計表

由表1可以看出， 調(diào)查地區(qū)3年來的橋梁水害以沖刷破壞為主，主要表現(xiàn)為橋附?jīng)_毀和橋基沖刷。涵洞水害主要表現(xiàn)為淤積、堵塞。這是由于四川地區(qū)山多溝深，溪澗交錯，河床相對狹窄，橋涵更容易受到?jīng)_刷。其中，2011年由于沖刷引起的橋涵水害占全年水害的78%，2012年沖刷水害比例為63%，2013年沖刷水害比例達到了81%，呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。其中，2013年發(fā)生的橋基沖刷比例高達了全年水害的50%。

表2統(tǒng)計了這3年內(nèi)橋涵沖刷水害發(fā)生的時間分布。從發(fā)生時間統(tǒng)計表來看，橋涵沖刷水害主要發(fā)生在汛期6～8月，約占全部水害的86%(3年平均值)。這是由于汛期，一些地區(qū)驟降暴雨或大面積連續(xù)降雨，使很多河流水位上漲、超警戒水位甚至超歷史最高洪水位，河水沖刷能力較強,水害較容易發(fā)生。

表2 橋涵沖刷水害發(fā)生時間統(tǒng)計表

1.2 因水害受損的鐵路橋梁特點

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，調(diào)查地區(qū)近3年內(nèi)因水害受損的鐵路橋梁絕大多數(shù)為標準跨徑為16 m、24 m和32 m的中小橋梁。據(jù)不完全統(tǒng)計，近3年內(nèi)有12座中小橋梁受水害影響嚴重，發(fā)生了不同程度的損害。如寶成鐵路綿堰河大橋護岸、護錐被洪水沖垮，橋基受到嚴重沖刷；成昆鐵路孫水河5號大橋橋基沖刷嚴重；成渝鐵路油溪大橋橋基沖刷嚴重等。這些橋都建于上世紀六七十年代，歷史悠久，且基礎(chǔ)多采用明挖擴大基礎(chǔ)，抗沖刷能力不足。

另外，在調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)尚有十余座橋梁存在著水害隱患。如寶成鐵路K 549+704安昌江大橋，廣岳鐵路K 1+459鴨子河大橋，成昆鐵路K 641+498安寧河4號大橋等。這些橋梁的基礎(chǔ)大多采用淺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置深度不夠，在枯水季節(jié)，水流速度緩慢，沖刷不明顯，在汛期，當(dāng)降雨強度較大，降雨時間較長時，洪水流量、流速會對橋基造成嚴重的沖刷，極大地威脅橋梁安全。

1.3 橋涵水害特征

根據(jù)調(diào)查地區(qū)鐵路橋涵水害現(xiàn)狀和調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分析來看，四川地區(qū)的主要水害特征如下：

(1)橋涵水害主要發(fā)生在夏季。因為夏季降水量最多，而且降雨強度大，歷時又長，河水暴漲，就會沖毀橋涵及其防護設(shè)施。水害區(qū)域地質(zhì)條件差，植被覆蓋率較低，各種松散軟巖類(如頁巖等)風(fēng)化強烈，巖石破碎。

(2)橋梁水害的主要特征：橋臺錐坡、護岸抗沖刷能力低，容易發(fā)生坍塌；洪水迂回沖刷橋梁墩臺下部結(jié)構(gòu)，造成基礎(chǔ)承臺外露、基底局部脫空。橋孔被泥沙淤塞，造成橋前大量雍水，進一步加劇了沖刷。

(3)涵洞水害的主要特征：隨著洪峰的來臨，涵洞前來水流量逐漸增大。同時，由于洪水中夾雜著大量的漂浮物及泥沙，容易在涵洞洞口產(chǎn)生淤積、堵塞，加劇了對涵洞的沖刷。

2 既有鐵路橋涵水害成因分析

目前調(diào)查地區(qū)鐵路橋涵水害發(fā)生的直接原因是發(fā)生暴雨或是洪災(zāi)，但歸根結(jié)底是眾多因素綜合作用的結(jié)果，這些因素相互作用，相互影響。歸納起來主要有兩個方面，一是自然因素，二是人為因素。

2.1 自然因素

(1)氣候特點

我國西南地區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候。氣候比較柔和，年溫差小，濕度較大，多云霧，年降水量比較大，大部分地區(qū)年降雨量多在500～1 000 mm，且在夏、秋兩季降雨集中，常出現(xiàn)山洪、滑坡和泥石流等災(zāi)害，這種特殊的氣候特點為鐵路橋涵水害的發(fā)生創(chuàng)造了客觀自然條件。

(2)地形地貌特征

調(diào)查地區(qū)內(nèi)河流縱橫，峽谷交錯。地貌主要以河谷地貌和盆地地貌為主，地勢起伏大。特殊的地形地貌條件，使得橋位選址存在一定的困難，所在河段不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生橋涵水害現(xiàn)象。如寶成鐵路屬山區(qū)鐵路，隸屬龍門山脈，線路位于石灰?guī)r、黃粘土、棕色礫巖、頁巖、砂頁巖層上，地勢險峻，山高坡陡，巖層風(fēng)化破碎嚴重，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。該段線路周邊環(huán)境易受降水影響，雨季易發(fā)崩塌落石、溜坍等水害。

(3)橋涵位置處河段穩(wěn)定性

橋涵位置一般應(yīng)設(shè)在河道順直、穩(wěn)定且較窄的河段[2]。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)一些出現(xiàn)明顯水害的橋涵位置選在河灣處或不良橋位河段上。橋涵位置選在上述河段位置，或是由于選線的原因，或是找不到更好的位置，或是原選位置本位于優(yōu)良的順直河段上，后因河道變遷，形成了不利于通暢排水和輸沙的橋涵位置河段。其危害是水流與橋涵軸線存在較大的斜交角度，增加阻水寬度，加大了局部沖刷。

2.2 人為因素

(1)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式選擇不當(dāng)

調(diào)查地區(qū)發(fā)生水害的橋梁多為上世紀六、七十年代修建運營的橋梁，其基礎(chǔ)型式多采用明挖基礎(chǔ)。明挖基礎(chǔ)由于具有節(jié)約造價和方便施工的特點，在早些年被廣泛使用，但在一些變遷性河段上，當(dāng)原有的灘地可能變?yōu)楹硬蹠r，基礎(chǔ)容易被沖刷淘空，威脅橋梁安全。

(2)基礎(chǔ)埋深不足

橋涵基礎(chǔ)的埋深由沖刷深度和地基承載力共同確定。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，一些橋梁的基礎(chǔ)埋置深度不夠。當(dāng)降水量增大，水流速度加快時，沖刷深度會不斷加大，造成基礎(chǔ)埋深相對降低，一旦洪水來臨，墩臺基礎(chǔ)就容易被淘空而傾覆。

(3)橋涵孔徑設(shè)計不能滿足排洪與輸沙需求

橋涵孔徑設(shè)計要滿足泄洪、輸沙和流水的要求[3]。如果孔徑設(shè)計過小，排洪與輸沙不通暢，會造成橋涵前大量雍水，橋下沖刷加大。在含沙量較大的河流上，還會出現(xiàn)橋涵孔徑全部被泥沙淤塞，造成橋涵水害。

(4)防護設(shè)施不完善

橋涵的防護設(shè)施對增加橋涵使用壽命起到極其重要的作用。當(dāng)橋涵設(shè)置在河溝縱坡較大或丘陵地段的干溝時，因其上下游高差較大，應(yīng)在上下游進水口或出口設(shè)置跳坎、跌水和急流坡等。如果沒有防護措施，在洪水來臨之際很容易產(chǎn)生沖刷，使橋涵基礎(chǔ)不穩(wěn)定。

(5)養(yǎng)護不及時

可能受養(yǎng)護資金限制或因養(yǎng)護費用不足，一些橋梁錐坡和防護工程的輕微損壞，如沉陷、鋪砌脫落、涵洞洞口淤塞等沒有得到及時處理，洪水來臨后不能抵抗洪水的浸襲，造成錐坡和防護工程破壞加劇，進而引起了橋涵的局部沖毀。

(6)挖沙采石造成橋涵水害

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)一些河道有挖沙采石現(xiàn)象。河道內(nèi)大量的挖沙采石，會改變河床的天然狀態(tài)，使河床面下降，基礎(chǔ)埋置深度減小，洪水來臨后會產(chǎn)生局部跌水或急彎，引起局部河床沖刷，造成水害的發(fā)生。

3 鐵路橋涵水害防治對策

3.1 設(shè)計方面

橋涵發(fā)生水害的根本原因是橋涵無法滿足暴雨、洪水時水流從橋下順暢通過所致。因此，橋涵的設(shè)計不僅僅要考慮結(jié)構(gòu)剛度和強度滿足設(shè)計要求，還要考慮水文地質(zhì)等因素。因此，橋涵的設(shè)計應(yīng)充分考慮以下幾點：

(1)在橋位的選擇上，應(yīng)盡可能將橋位選擇在河床穩(wěn)定、水流暢通的河段上，減少橋涵水害發(fā)生的可能性。

(2)在確定橋涵結(jié)構(gòu)方案時，應(yīng)充分考慮地形、地貌、水文與地質(zhì)等因素。對于那些歷史上曾經(jīng)發(fā)生過橋涵水害的河段，在新建橋涵時，還要考慮到以后發(fā)生水害的可能性，合理布設(shè)結(jié)構(gòu)的孔跨。并且，根據(jù)橋涵墩臺處可能出現(xiàn)的最大沖刷深度與河床地質(zhì)情況，確定墩臺基礎(chǔ)的安全埋置深度，保證墩臺基礎(chǔ)的埋置深度在最大沖刷線以下，不至于讓河水掏空。

(3)結(jié)合水文、地形和地質(zhì)等條件，根據(jù)實際需要，合理布設(shè)必要的調(diào)治構(gòu)造物，如導(dǎo)流堤、截水壩等，使水流均勻順暢的通過橋孔，防止橋位附近的河床和河岸產(chǎn)生不利的變形，保證橋梁墩臺和橋頭引道的正常使用。

3.2 養(yǎng)護管理方面

從目前的鐵路橋涵水害調(diào)研情況來看，出現(xiàn)水害較為明顯的橋涵多為早些年修建的橋梁，受當(dāng)時設(shè)計水平或施工條件的制約，不可避免地出現(xiàn)了一些不合理的情況。因此，針對目前的情況，最有利可行的防治橋涵水害的方法就是加強日常的養(yǎng)護管理。通過對橋涵檢查，可以及時發(fā)現(xiàn)橋涵存在的病害，并根據(jù)橋涵受損或破壞的程度，確定橋涵所屬技術(shù)類別，為安排橋涵大修、中修、小修和正常養(yǎng)護工作提供依據(jù)[4]。

結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的汛情預(yù)報，在汛期前對存在水害隱患的橋涵采取防治對策及修復(fù)治理，以達到減少橋涵水害和降低損失的目的。另外，對于一些特殊情況，如在地震、洪水、泥石流和滑坡等發(fā)生后，應(yīng)立即進行檢查，做出鑒定，并根據(jù)檢查結(jié)果提出相應(yīng)的維修和加固措施。

此外，對于受汛期影響比較大的橋涵，建議建立水害實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。通過采用一些先進的監(jiān)測技術(shù)和手段，如光纖光柵傳感器[5]、超聲波[6]和時域反射計[7]等，可以方便快捷地實現(xiàn)對水害的監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測值趨近臨界值時，適時發(fā)出必要的警告信息，并進行救災(zāi)準備，以確保橋梁結(jié)構(gòu)及人民生命財產(chǎn)安全，也為工程搶修人員搶修及必要的管制提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

山區(qū)地形地質(zhì)條件相對復(fù)雜，鐵路橋涵水害問題較為嚴重。本文采用現(xiàn)場調(diào)研和理論分析的方法，在統(tǒng)計分析既有鐵路橋涵三年水害情況的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了橋涵水害的主要類型和主要特征，得出鐵路橋梁水害主要表現(xiàn)為橋附?jīng)_毀和橋基沖刷，涵洞水害主要表現(xiàn)為淤積和堵塞。分析了水害形成的原因，直接原因是發(fā)生暴雨或洪災(zāi)，根本原因是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果。并從設(shè)計和養(yǎng)護管理兩方面提出了橋涵水害防治對策。對于受汛期影響比較大的橋涵，建議建立水害實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。研究成果對于全面了解掌握我國西南山區(qū)鐵路橋涵水害情況、開展水害防治等有著積極的意義，可為西部山區(qū)鐵路橋涵病害的普查和整治提供參考和依據(jù)。

[1] 王莉.高速公路橋梁病害分析與山區(qū)橋梁災(zāi)害防治[D].長沙:湖南大學(xué)，2010. WANG Li. Analysis on Diseases of Highway Bridge and Geological disasters prevention in Mountainous Areas[D].Changsha: Hunan university,2010.

[2] 游勵暉，陳思孝.西南山區(qū)鐵路橋梁設(shè)計的幾點思考[J].高速鐵路技術(shù)，2015，6(5):78-82. YOU Lihui, CHEN Sixiao. Thoughts on Design of Railway Bridge in Southwest Mountain Area[J].High Speed Railway Technology，2012，6(5):78-82.

[3] 田明.鄯善至沙爾湖鐵路專用線漫流地區(qū)水文計算和橋涵布設(shè)[J].高速鐵路技術(shù)，2012，3(5):71-73. TIAN Ming. Hydrologic Calculation and Layout of Bridge and Culvert on Shanshan-Sha’erhu Special Railway line in Overflow Area[J].High Speed Railway Technology，2012，3(5):71-73.

[4] TG/GW 103-2010 鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則[S]. TG/GW 103-2010 Rules of repairing railway bridges and tunnels[S].

[5] 熊文，CAI C S[美]，葉見曙.基于布拉格光柵傳感器的橋墩基礎(chǔ)沖刷動態(tài)監(jiān)測試驗[J].中國公路學(xué)報，2014，27(5):125-130. XIONG Wen, CAI C S, YE Jianshu. Experimental research on real time pier scour monitoring using fiber brag grating sensors[J].China Journal of Highway and Transport，2014，27(5):125-130.

[6] 吳彪.橋梁沖刷的超聲監(jiān)測技術(shù)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011. WU Biao. Bridge scour monitoring using ultrasonic sensing technology[D].Harbin: Harbin Institute of Technology，2011.

[7] 陳志堅，唐勇，陳松.蘇通大橋河床沖刷多尺度監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2012，47(1):63-77. CHEN Zhijian，TANG Yong，CHEN Song. Multi-scale Monitoring System Construction of River-Bed Scouring around Sutong Bridge[J].Journal of Southwest Jiaotong University, 2012,47(1):63-77.

(編輯：劉會娟 劉彥琳)

Analysis and Countermeasures on Water Hazards to Railway Bridge and Culvert in West Mountain Areas

YANG Guojing YOU Lihui ZHENG Xiaolong

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031， China)

Water-hazard to mountain railway bridges and culverts happens every year which seriously affect the railway traffic. In order to improve the anti-washout ability and reduce the disease, based on the existing railway bridge and culvert in Sichuan Province, the types and characteristics of water hazards are summarized systematically. The reason for water hazard is analyzed and countermeasures are given. The results can provide a reference for the western mountain railway bridge disease survey and remediation. The conclusions are:(1) The survey on water-hazard situation of existing railway bridge shows that water damage for railway bridges is mainly scour of bridge attachment and foundation. For culverts, it is mainly siltation and clogging, and water damage occurred mainly in the flood season from June to August. Most seriously water damaged bridges were open-cut foundation;(2) The reason analysis shows that heavy rains or floods cause the water damage directly, but the fundamental reason is the interaction of natural factors and human factors;(3)Suggestion for countermeasures: strengthen the daily maintenance and management. Repair the bridge and culvert timely before the flood season. It is suggested to establish a real-time water damage monitoring and warning system for the bridges and culverts affected by the flood seriously.

mountain railway; bridge and culvert; water hazard; countermeasure

2016-04-26

楊國靜(1984-)，女，高級工程師。

1674—8247(2016)06—0056—04

U442.5+5

A