西北漫流區(qū)水文特征及橋涵布設(shè)

羅紅枝，徐永利（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西　西安　710043）

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西北漫流區(qū)水文特征及橋涵布設(shè)

羅紅枝，徐永利
（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043）

摘要：山前戈壁漫流是我國(guó)西北地區(qū)特有的一種山前區(qū)河流形態(tài)，通過(guò)對(duì)漫流區(qū)流域特點(diǎn)和水文特征分析以及典型病害原因分析，對(duì)漫流區(qū)水文計(jì)算方法和鐵路橋涵布設(shè)提出了建議，對(duì)該地區(qū)工程設(shè)置和水文計(jì)算有一定的借鑒和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：漫流區(qū)；水文；橋涵布設(shè)

1　概述

我國(guó)西北地區(qū)大部分鐵路線如蘭新線、包蘭線、南疆線、干武線、精伊霍線以及青藏鐵路等都不同程度地存在山前戈壁漫流水害問(wèn)題，其中蘭新線是受漫流危害最嚴(yán)重的鐵路干線，尤其以高臺(tái)漫流最為典型。

山前連續(xù)沖積錐漫流也稱為山前戈壁漫流，是我國(guó)西北地區(qū)特有的一種山前區(qū)河流。這類漫流的特征是在山麓地帶存在毗連的許多小山口，由于洪水?dāng)y帶物長(zhǎng)期作用在各山口堆積形成連續(xù)成群的沖積錐，在沖積錐上還未切割出固定的溝槽，形成擺動(dòng)不定的漫溢分支，河床為粒徑較粗的卵石或碎石，河床縱坡較陡。在連續(xù)沖積錐以下，由于溝槽相互交錯(cuò)成網(wǎng)狀交織，水系錯(cuò)綜復(fù)雜，水流紊亂，再往下游明顯溝槽逐漸消失，形成長(zhǎng)大寬展的漫流地帶。地質(zhì)多為礫石及細(xì)粒卵石，地面縱坡稍緩，水流中夾帶大量泥沙和細(xì)顆粒石塊。再往下游地面縱坡變緩，泥沙逐漸沉積，形成荒漠或草原，有的已經(jīng)開(kāi)辟為耕地，這種地帶往往沒(méi)有明顯的溝槽和水流痕跡，平時(shí)無(wú)水，呈干旱景象，容易被誤認(rèn)為不受山洪影響，遇較大暴雨，山洪驟至，則遍地漫流。在漫流末端地形極為平坦，漫流洪水有的被阻滯于農(nóng)田、沙漠上游邊緣地帶，形成一片洼地滯洪區(qū)；有的尾水逐漸潛入地下，于下游低洼盆地處流出，地面形成沼澤或鹽堿地。

2　流域特點(diǎn)和水文特征

2.1河岸穩(wěn)定性及河槽變形特點(diǎn)

1）兩岸不受約束，岸線極不穩(wěn)定。

2）河槽形態(tài)、位置極不穩(wěn)定，主流在洪水漫溢范圍內(nèi)擺動(dòng)不定。

3）自然沖淤嚴(yán)重，河床面逐年淤高。

4）集中沖刷明顯，沖深并不大。

2.2河段平面外形

1）河段呈沖積擴(kuò)散狀，大體順直或微彎。

2）河床寬淺，汊道交織，多呈網(wǎng)羽狀。

3）通常分不出河槽和邊灘。

2.3斷面及地質(zhì)特征

1）斷面呈鋸齒狀，中間高兩邊低。

2）岸槽高差較小。

3）河岸與河床組成接近，河床質(zhì)多為卵礫石。

2.4水文特征

1）洪水流向常與河段總方向一致，水流散亂漫流。

2）同一橫斷面上水面很不平順，自然涌高很大。

2.5河段區(qū)別要點(diǎn)

沖積漫流性河段地貌大致具有沖積扇體特征，河床面逐年淤高較游蕩性河段明顯，洪水股流按總趨勢(shì)在較高的溝槽中通過(guò)。

3　漫流區(qū)線路選線

在山麓連續(xù)沖積錐及其下游邊緣部分，洪水流速很大而且挾帶大量泥沙石塊，破壞力強(qiáng)，線路經(jīng)過(guò)這一帶時(shí)，容易堵塞橋孔，沖毀路基，中斷行車，危害極大，線路選線盡可能繞避該區(qū)域。

在漫流的下游邊緣地帶，洪水時(shí)水淺流緩，形成一片寬闊的洼地滯洪區(qū)，部分水流自然消失，部分水流漫向低處或引為灌溉水源，無(wú)沖刷破壞能力，但當(dāng)線路直接穿越這一地帶時(shí)，天然水面寬度和停滯水流面積都要受到擠壓，使水流集中，水位逼高，由于排泄無(wú)出路或不暢達(dá)，也會(huì)對(duì)路基造成淹沒(méi)的病害。

基于以上考慮，在漫流地區(qū)線路選線時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）不可避免要通過(guò)洪積扇時(shí)盡可能選擇在上游狹窄河段通過(guò)。

2）盡量避繞連續(xù)沖積錐、網(wǎng)狀交織或分支漫溢的長(zhǎng)大嚴(yán)重漫流地段。

3）在漫流地段下游如有農(nóng)田地帶時(shí)，線路宜選在農(nóng)田地帶的上方邊緣或農(nóng)田地帶的下游邊緣通過(guò)。

4）在下游洼地滯洪地區(qū)，線路應(yīng)選在地勢(shì)較高，洪水不致淹沒(méi)地段通過(guò)。

4　蘭新線馬營(yíng)河大橋典型病害分析

4.1概況

馬營(yíng)河屬西北地區(qū)內(nèi)陸河流，河流出山口后經(jīng)古洪積扇流向沙漠，蘭新線穿越馬營(yíng)河洪積扇的腹地—馬營(yíng)河中游擴(kuò)散河段。橋址處河流呈喇叭狀敞開(kāi)，河床寬淺，主流曲折游蕩，水頭較低，這是由于出山口的水流尤其雨季洪流隨著河道的散開(kāi)河床縱坡變緩，洪水?dāng)y帶搬運(yùn)能力減弱，容易淤積造成主流經(jīng)常改道的結(jié)果。

馬營(yíng)河大橋位于蘭新線k665+711處，橋長(zhǎng)189.9m，為11-16m鋼筋混凝土梁橋，建成于1956年。橋下凈空2.72m，由于在橋位處河床寬度達(dá)5km，河床縱坡22‰，為控制擺動(dòng)不定的河流，在橋梁上游兩側(cè)設(shè)有長(zhǎng)達(dá)2km的束水導(dǎo)流堤，以使水流集中由橋下通過(guò)。

在馬營(yíng)河鐵路橋上游4km為G312馬營(yíng)河公路大橋，該橋?yàn)?-22m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，橋址處河槽明顯，河岸穩(wěn)定，沖淤平衡，自建成以來(lái)一直使用良好，無(wú)大的病害。

4.2馬營(yíng)河大橋病害情況

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和工務(wù)段臺(tái)賬資料來(lái)看，馬營(yíng)河橋的病害主要為洪水翻越、下切陶刷、沖毀導(dǎo)流堤及路基、沖毀橋下鋪砌和橋下淤積等，見(jiàn)表1。

表1　主要病害及處理情況

4.3馬營(yíng)河大橋病害原因分析

1）自然因素：河流出山口后，由于河槽逐漸加寬，縱坡變緩，洪水?dāng)y帶物沿程停積，形成泥石流的堆積漫流區(qū)—山前洪積扇，導(dǎo)致水流改道及河床淤積，造成水流改道。

2）人為因素：由于受當(dāng)時(shí)對(duì)漫流區(qū)選線認(rèn)識(shí)不足和客觀條件尤其是國(guó)家財(cái)力的影響，力求線路短直，壓縮橋高、橋長(zhǎng)以節(jié)省投資而將線路位置選在沖洪積扇的沉積區(qū)通過(guò)，橋下預(yù)留凈空太低，使得鐵路建成后病害不斷。

5　漫流區(qū)水文計(jì)算

由于漫流地區(qū)特殊的地形條件和水流特性，水文計(jì)算的關(guān)鍵是洪峰塌緩系數(shù)、流量分配系數(shù)和流量加強(qiáng)系數(shù)的確定，下面就重點(diǎn)介紹相關(guān)系數(shù)的確定。

5.1洪峰流量塌緩系數(shù)的確定

洪水出山口后，由于下游河段的調(diào)蓄和阻力作用，以及洪水沿程滲漏，使洪水波逐漸展平致使洪峰塌緩，塌緩后洪峰流經(jīng)下游斷面的流量將削減，洪峰塌緩系數(shù)與轉(zhuǎn)用河段距山口距離、河段糙率系數(shù)和河段擴(kuò)散情況等有關(guān)。洪峰塌緩系數(shù)可根據(jù)下游河段某一斷面處的歷史洪水流量與山口處同期歷史洪水流量之比確定。即：

其中：α為洪峰塌緩系數(shù)；

∑Q（歷史）n為線路處各斷面歷史洪水流量總和；

∑Q(歷史)總為同期對(duì)應(yīng)溝口處歷史洪水流量。

上述流量具體根據(jù)典型流域形態(tài)調(diào)查確定。在形態(tài)調(diào)查難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可根據(jù)地形、河床質(zhì)等因素，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定洪峰塌緩系數(shù)。

5.2流量分配系數(shù)的確定

流量分配系數(shù)是漫流區(qū)水文計(jì)算的重要參數(shù)，是合理確定設(shè)計(jì)流量分配，進(jìn)行橋涵布設(shè)和確定橋涵孔徑大小的重要依據(jù)。分配系數(shù)是隨著河道變遷、流量改變而變化的系數(shù)，因此各溝槽的分配系數(shù)應(yīng)根據(jù)斷面上游各溝槽的變遷情況，結(jié)合該河段內(nèi)的歷史最大流量確定。具體通過(guò)形態(tài)調(diào)查按下列公式計(jì)算。

式中：β——流量分配系數(shù)；

∑Q（歷史）n——線路處各斷面歷史洪水流量；

∑Q(歷史)總——同期對(duì)應(yīng)溝口處歷史洪水流量。

5.3洪峰流量加強(qiáng)系數(shù)的確定

流量加強(qiáng)系數(shù)是漫流區(qū)流量計(jì)算的一大特征，由于河槽擺動(dòng)、游蕩、變遷，每次洪水通過(guò)各個(gè)河槽的分配系數(shù)都不相同（即使在不同的年代發(fā)生相同頻率的洪水流量時(shí)，通過(guò)某個(gè)溝槽的洪水流量也不同），因此采用將總流量加大的辦法來(lái)滿足在發(fā)生百年洪水時(shí)某個(gè)溝槽可能出現(xiàn)的最大流量是目前解決這一問(wèn)題的主要方法?！稑蚨伤摹分薪o出了缺乏天然河道實(shí)測(cè)資料時(shí)的流量加強(qiáng)系數(shù)γ參考表2。

表2　流量加強(qiáng)系數(shù)

5.4各溝槽處設(shè)計(jì)流量的計(jì)算

根據(jù)山口處百年設(shè)計(jì)流量Q1%（山口），考慮洪峰流量塌緩系數(shù)α、各溝槽流量分配系數(shù)β及流量加強(qiáng)系數(shù)γ，計(jì)算出橋址處各溝槽的設(shè)計(jì)流量Q1%（n）。即：Q1%（n）=Q1%（山口）xαxβxγ

6　漫流區(qū)橋涵布設(shè)

6.1漫流區(qū)橋涵布設(shè)總體思路

1）當(dāng)線路通過(guò)漫流地區(qū)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行水系測(cè)繪調(diào)查，結(jié)合航測(cè)遙感圖片和小比例尺軍用地圖，根據(jù)地形條件、洪水主流位置及其可能擺動(dòng)的趨勢(shì)，采取分散與小集中相結(jié)合的原則布置沿線橋涵。對(duì)于較大的集中水流應(yīng)分別設(shè)置橋涵，不宜強(qiáng)行改溝合并，也不宜強(qiáng)行改移主流位置而將橋涵設(shè)于地勢(shì)低洼或路基較高處。

2）當(dāng)線路通過(guò)不受上游山洪影響而且無(wú)明顯溝槽的平坦戈壁灘、草原、沼澤、鹽堿地等地區(qū)時(shí)，如當(dāng)?shù)氐谋┯昴苄纬蓮搅?，在天然情況下水流分散成片，一經(jīng)筑路攔截水流集中后仍能危害路基。因此橋涵布置不宜過(guò)稀，應(yīng)采取分片泄洪的原則，結(jié)合水流出路在地形低洼處設(shè)置橋涵。

3）當(dāng)線路通過(guò)漫流下游洼地滯洪地區(qū)的洼地邊緣時(shí)，應(yīng)根據(jù)水流分布及洼地積水情況設(shè)置橋涵；當(dāng)線路必須通過(guò)洼地以內(nèi)時(shí)，應(yīng)設(shè)置必要的橋涵，以溝通兩側(cè)水流和平衡兩側(cè)積水水位，同時(shí)要合理設(shè)置路堤高度。

6.2漫流區(qū)橋涵設(shè)計(jì)

1）橋長(zhǎng)的確定：設(shè)計(jì)橋長(zhǎng)不僅要考慮泄洪，還要考慮輸沙通暢。過(guò)分壓縮河槽的排洪、輸沙寬度，除了可能大量增加調(diào)治水流、固岸保橋的調(diào)治建筑物外，還可能造成上游雍水，使上游河床產(chǎn)生泥沙沉積，河床升高，更加增大橋位上游河段的不穩(wěn)定性，其結(jié)果反過(guò)來(lái)又危害橋梁的安全。相反，不必要地增加橋長(zhǎng)，除增加投資外，橋長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)對(duì)于穩(wěn)定河道也是不利的。泥沙的淤積將促使洪水主流更加曲折擺動(dòng)，河道也越容易遷徙不定。

在沖積漫流河段橋長(zhǎng)的設(shè)計(jì)使其等于或略小于河槽基本寬度是比較適宜的；一河多橋應(yīng)按各橋最大雍水高度基本相等的原則進(jìn)行橋長(zhǎng)調(diào)整。

2）橋下凈空：在沖積漫流河段、擴(kuò)散河段上修建橋梁，無(wú)論橋梁布置、橋孔大小、橋下凈空以及導(dǎo)流建筑物設(shè)置等難以正確解決。洪水時(shí)橋下通過(guò)大量泥沙的情況下，河床逐年於高是一個(gè)復(fù)雜而危害性很大的問(wèn)題。目前沒(méi)有好的辦法，只有根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)留一定的橋下凈空。鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)《橋渡水文》中橋下凈空高度參考值見(jiàn)表3。

表3　山前區(qū)寬河中游擴(kuò)散河段橋下凈空高度參考數(shù)值

3）導(dǎo)流設(shè)施：在沖積漫流河段修建橋梁，基本上設(shè)置了人字形封閉導(dǎo)流堤。

經(jīng)過(guò)多年水害整治經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)治設(shè)施的設(shè)置應(yīng)遵從以下原則：?jiǎn)蝹?cè)封閉導(dǎo)流堤不宜超過(guò)500m，片面強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)橋短堤會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上不必要的浪費(fèi)；同時(shí)較長(zhǎng)的封閉導(dǎo)流堤安全性較差，當(dāng)壩前沖刷深度大于3.5~ 4.0m且壩體較長(zhǎng)時(shí)，相應(yīng)工程量及施工難度會(huì)明顯增加，適當(dāng)增加橋長(zhǎng)，縮短壩體的長(zhǎng)度和高度，使壩前沖刷深度控制在3.0~3.5m以內(nèi)為宜，盡可能提高橋梁防護(hù)工程的安全性。

7　結(jié)語(yǔ)

漫流地區(qū)水流紊亂，串流現(xiàn)象嚴(yán)重，水文情況十分復(fù)雜，橋涵布置和設(shè)計(jì)流量的確定不僅要重視理論計(jì)算，更應(yīng)該重視外業(yè)調(diào)查。漫流區(qū)水文勘察必須深入現(xiàn)場(chǎng)，充分利用航空照片和小比例軍用圖與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法，對(duì)漫流區(qū)地形、地貌、河槽變遷、擺動(dòng)和歷史洪水位進(jìn)行全面調(diào)查和實(shí)測(cè)，通過(guò)理論計(jì)算合理確定線路走向、線路高程、路基防護(hù)高度、橋涵位置、橋涵孔跨以及導(dǎo)流建筑物的布設(shè)。

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