石太鐵路山區(qū)段涵洞水害成因分析及防治

申文軍

(中國鐵路北京局集團有限公司工務部，北京 100866)

北京鐵路局轄內既有鐵路總長12 609.2 km，山區(qū)鐵路占46.0%，部分線路建設年代久遠，所在區(qū)域地形復雜，導致其防洪能力偏低，雨季極易發(fā)生泥石流、山體滑坡、路基侵蝕沖毀等水因災害[1-2]。

針對山區(qū)鐵路橋涵、路基病害，相關研究已廣泛開展，并取得了一系列成果。劉保東等總結山區(qū)鐵路橋涵水害的主要類型與特征，并給出相應防治對策[3]；趙長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安全的相應對策[4]。以往研究多從宏觀上對泥石流、崩塌落石、路基下沉以及水漫路基進行了原因分析與對策研究[5-8]，但針對華北山區(qū)涵洞水害的專門性研究相對匱乏。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，對其在雨季發(fā)生的水因病害進行誘因分析，并提出針對性防治措施。

1 水害概況

石家莊至太原鐵路系晉煤外運的主要通道，為三級線路一級運量的重載線，是新中國第一條雙線電氣化鐵路，其建設年代早，設備等級低，抗洪能力弱。2016年7月19日至21日井陘縣境內普降暴雨，局部降特大暴雨，井南站雨量值達604 mm。2016年7月21日3時51分，石太鐵路上下行線K57+400～K57+700里程處突發(fā)特大洪水，洪水攜帶大量泥沙、石塊、樹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，導致其橫移1.5 m，道床沖空長約40 m，約500 m3雜物掩埋線路，如圖1、圖2所示。

圖1 水害現(xiàn)場情況

圖2 水害位置航拍示意

2 地質條件

2.1 氣象水文條件

井陘縣境內屬暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，降水主要源于東南季風，每年隨季風到來的遲早與強弱，呈現(xiàn)年際和季節(jié)降水量變化。境內氣溫年際變化不大。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、昔陽三縣接壤。

2.3 地層巖性及地質構造

井陘地區(qū)位于河北省太行山中段，區(qū)域地質構造受新華夏系第三隆起帶的控制。受喜馬拉雅運動的影響，形成了盆地形態(tài)的基本輪廓，區(qū)內斷裂以北北東向為主，部分為南北向，盆地周邊多為古生代地層組成的丘陵低山，盆地內部及坡麓地帶廣泛發(fā)育第四系地層。該地區(qū)新構造運動顯著，以升降運動為主，并伴隨斷裂及火山活動，斷裂活動具繼承性，雪花山玄武巖的噴發(fā)與此有關。

工程所在地的河床以卵石土或碎石土為主，局部出露基巖，路基填料為片石類土，場地工程地質條件較好，有利于路基支擋結構、路塹邊坡防護結構以及框架橋結構等構筑物的布置。

3 水害成因分析

3.1 暴雨強度大

根據(jù)石家莊工務段蔡公莊雨量觀測站2016年7月18日～21日統(tǒng)計數(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；致災雨量為587.6 mm。此次降雨時間長，強度大，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，由于人為原因導致自然生態(tài)發(fā)生改變：村民開辟梯田，人為將大量碎石塊轉移至河道內，造成原本暢通的河道堵塞，從而加速河水對河道的沖刷。測量發(fā)現(xiàn)，涵洞上游自然生態(tài)改變造成原河道被沖刷(約1.5 m深)，大量原本沉積在河道內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)場水災實際調查，可以發(fā)現(xiàn)當水害發(fā)生時，主河道內河水水位已經高于既有涵洞頂部，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，進一步降低了溝谷內上游洪水的流速，導致大量碎石在涵洞前方沉積，甚至堵塞涵洞，進一步加重水害程度[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)生較大角度轉向，從而形成一個漩渦，造成大量碎石沉積淤積，導致涵洞發(fā)生堵塞，并進一步引起河水上漲甚至漫沒路基的現(xiàn)象(如圖5所示)。

圖5 既有涵洞入口處河水轉向

3.5 其他水流匯入

涵洞上游河道局部與綿佑渠并行，受此次強降雨影響，綿佑渠發(fā)生潰壩，導致大量地表水匯入該河道，造成河道內水量與流速激增，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致，針對該涵洞水害成因提出綜合防治措施，主要包含河流生態(tài)改善與橋涵復舊設計兩方面。

4.1 河流生態(tài)改善

河流生態(tài)惡化是誘發(fā)鐵路涵洞水災的主要原因，綜合河道調查情況，采取以下措施來消除。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，并配合水務部門定期巡查，避免沙石逐年淤積問題。②改善涵洞入口處河流走向，通過開挖轉角內側石塊，將河水以小角度引流至涵洞口。③對易發(fā)生沖刷的河床進行防護。④調查涵址上游水庫、塘壩情況，加固上游鄰近河流堤壩，同時盡可能設置導流堤將其他河流引流至距離本涵洞較遠位置。⑤加強水文觀測，密切關注氣象部門發(fā)布的汛情預報，及時檢查重點防汛節(jié)點的洪水位。

4.2 橋涵復舊設計

基于對此次涵洞水害成因的分析，結合線路現(xiàn)場實際情況，提出該水害工點的復舊方案。應遵循“分析成因、找準根源；原狀復舊、適當提升；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，堅持以疏為主、疏擋結合、因害設防、突出重點和因地制宜的綜合治理措施[13-16]。

涵洞無法滿足暴雨或洪水時水流順利通過是發(fā)生水害的根本原因，復舊方案中，應首要考慮抗洪能力不足的問題(包含原涵洞孔徑不足、高程較低等)。復舊框架橋施工前，應首先對本次水災造成的淤積碎石進行清理，恢復原河道高程，并對基礎進行加固。

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

(1)水文計算分析

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

(1)

式中，Q1%為百年一遇設計流量/(m3/s)；S1%為設計洪水頻率為百年一遇的雨力/(mm/mim)；F為匯水面積/km2；η為暴雨點面折減系數(shù)；L4為流域長度/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)計算，有

(2)

式(2)中，β0、r0、m0與A4均可從《橋渡手冊》查取。

g0可按照式(3)進行計算

g0=1+m0·P0

(3)

式(3)中，P0可按照式(4)進行計算

(4)

式(4)中，N0可從《橋渡手冊》查取。

計算中，所采用的鐵路設計活載為中-活載，即JQS標準荷載，本框架橋的設計流量為250 m3/s。

計算中所需要各原始參數(shù)見表1。

表1 原始計算參數(shù)匯總

經計算得到的各中間參數(shù)與最終流量計算結果，如表2所示。

表2 中間參數(shù)與計算結果匯總

由上述計算可得，流域內百年一遇水流強度為84.127 m3/s，遠小于新建框架橋的設計流量250 m3/s，故新建框架橋可確保平時河流順利通過，以及在保證河流流域生態(tài)的前提下抵御較大洪水。

(2)工程地質情況

根據(jù)橋址區(qū)鉆探揭露地層情況可知，擬建場地在20.0 m深度范圍內，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，本次復舊方案可不考慮地下水對本工程的影響。

根據(jù)現(xiàn)場調查，附近未發(fā)現(xiàn)污染源，參照該地區(qū)類似工程經驗，結合附近土體的試驗結果，同時依據(jù)相關規(guī)范，可以判定混凝土結構所處環(huán)境為碳化環(huán)境、化學侵蝕環(huán)境、鹽類結晶破壞環(huán)境形成的復合環(huán)境。施工時應采取相應的耐久性工程技術措施。

(3)框架橋設計

設計框架橋中心位于石太鐵路K57+649.3處，橋址處鐵路設置為2股道，鋪設無縫線路，軌道結構采用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，橋位處兩側路基邊坡高約9.0 m，路基兩側鋪設有鐵路光、電纜。

框架橋主體為整體框架結構，凈跨距設置為10.0 m，框架橋主體長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構總高10.0 m，結構凈高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4.5 m，主體后端尾墻長3.0 m，尾墻側人行道懸臂板長3.0 m。框架橋頂進到位后，將刃角、前后端底板補齊。

(4)施工方案

為保證線路正常運營，將施工影響降到最低，該框架橋采用頂進法進行施工，工作坑設置在線路北側，由北向南頂進。工作坑采用1∶1放坡開挖方式開挖，工作坑后采用夯填土和漿砌片石進行處理，并選用挖孔灌注樁結合后背梁的形式進行加固，框架橋在滑板上預制，待混凝強度達到設計強度后，方可頂進施工。

5 結論

基于石太鐵路下行線K57+632里程位置處涵洞水害情況，在調查該地區(qū)氣象、水文、地質資料的基礎上，按照“原狀復舊、適當提升、完善排水系統(tǒng)、提升抗洪能力”的原則，經過橋涵水文檢算，提出采用框架橋擴孔改造的復舊方案，取得了較好的效果，主要結論如下。

(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)涵洞水害主要原因為暴雨歷時長、雨強大，上游自然生態(tài)發(fā)生變化，涵洞底部高程低，涵洞前水流轉向角度大，以及其他水源匯入造成河水量大增等。

(3)提出擴孔頂進框架橋復舊方案，可在保證線路安全運營前提下有效降低水害發(fā)生風險。